众多的行业都需要如下的材料，它们不仅能提供耐热耐火性能， 而且还可以在成本低的单一基材中提供体积、遮光性、可模压性以及 其它性能。而这些屏蔽性能经常需要通过使用产生高性能的特种材料 才能获得最佳，但是，这也大大增加了基材的成本。特别是在体积大 的基材(Z方向厚度大)中，即使将这些特种材料以少量百分比加入到 防护材料中，就可以使整个基材的成本显著提高。由于这个原因，经 常使用具有特殊表面层的复合材料以得到上述防护性能。具有特殊表 面层的复合材料的一个实例就是对体积大的较低成本的材料进行表面 层压。虽然这个方法有效地降低了高成本原材料的价格，但是这个方 法有一些缺点，例如额外的处理步骤以及表面层可能的剥离。

本发明提供了一种替代现有技术的方法，通过使用具有不同区的 整体隔热材料使材料具有各种的理想性能。
附图说明
通过参照以下说明、所附权利要求和附图可以更好地理解本发明 的这些和其它特征、方面和优点：
图1显示了本发明的一个实施方式的放大的横截面；
图2显示了本发明的另一个实施方式的放大的横截面视图；
图3显示了用来加工形成本发明的平面耐热耐火防护材料的机械 装置图；
图4为根据图1所示的实施方式中防护材料的放大的横截面视图；
图5显示了利用本发明防护材料的床垫的透视图；且
图6显示了图5中的床垫壁的部分放大视图，且防护材料结合在 其中。

现在参考这些附图，特别是图1，显示本发明的一个实施方式的放 大的横截面图，图示说明了平面耐热耐火防护材料100。防护材料100 可以以现有的薄片形式，在诸如焊接、高温制造或类似加工过程中用 作保护层或者防护板。防护材料100还可以形成诸如汽车的引擎罩衬 垫、发动机舱罩等的部件。另外，该防护材料100可以与其它材料结 合和/或结合成一种结构，使材料和该结构具有附加的耐热耐火性能。 例如，防护材料100可以与床垫、室内装璜、墙填充物、以及其它结 构的外部材料混合，使这些结构具有附加的耐热耐火性。由于与防护 材料100相结合的大体积，将防护材料100混合到这些结构中也可以 通过在结构中替代任何填充材料而具有成本效益。
如图所示，平面防护材料100通常包括耐热耐火纤维101和膨化 纤维102。耐热耐火纤维101和膨化纤维102是短纤维，它们结合在一 起形成防护材料100。这里使用的耐热耐火纤维是指具有极限氧指数 (LOI)值20.95或者更高的纤维，该值是通过ISO 4589-1测定的。耐 热耐火纤维的类型包括但不限于抑燃纤维和阻燃纤维。抑燃纤维是指 通过趋于抑制热源的方式耗尽来满足LOI的纤维。在一种抑制火焰的 方法中，抑燃纤维在消耗过程中排出气体产物，如卤化气体。抑燃纤 维的实例包括改性聚丙烯腈、PVC、用卤代物局部处理的纤维等。阻 燃纤维是指受热时通过抵抗消耗来满足LOI的纤维。阻燃纤维的实例 包括浸渍二氧化硅的人造丝(例如以商品名VISIL销售的人造丝)、部 分氧化的聚丙烯腈、芳香族聚酰胺、对位芳香族聚酰胺、碳、间位芳 香族聚酰胺、三聚氰胺和类似物。膨化纤维是为热防护材料提供体积 的纤维。膨化纤维的实例包括具有高纤度/单丝的纤维(每根单丝1旦 或更大)、高卷曲纤维、空心填充纤维、和类似物。
在一个实施方式中，耐热耐火纤维101和膨化纤维102通过粘合 纤维105气流成网。粘合纤维是与其它纤维形成某种类型的粘附或者 粘合的纤维。粘合纤维可以包括热活性纤维。在防护材料100中使用 粘合纤维105的一个额外的优点就是热活化，也就是防护材料100可 以随后塑造成用于引擎罩衬垫、发动机舱罩等的部分形状。热活性粘 合纤维的实例是可以在较低温度下熔融的纤维，如低熔融纤维、具有 较低皮层溶解温度的皮芯纤维、和类似物。在一个实施方式中，粘合 纤维为具有低皮层溶解温度的聚酯皮芯纤维。
还是参考图1，耐热耐火纤维101在平面防护材料100的耐热耐火 区110处聚集，并且膨化纤维102在平面防护材料100的大体积膨胀 区120处聚集。耐热耐火区110使防护材料100具有主要的耐热耐火 性能。大体积膨胀区120使防护材料100具有理想的Z方向厚度，该 厚度使防护材料100的平面维度水平地延伸。在图1所示的实施方式 中，耐热耐火区110在Z方向上比大体积膨胀区120小。
继续参考图1，耐热耐火区110具有位于防护材料100外表面的外 边界111，和邻近大体积膨胀区120的内边界112。大体积膨胀区120 具有位于防护材料100外表面的外边界121，和邻近耐热耐火区110的 内边界122。防护材料100是单一材料，且两个区的边界不代表对层的 界定，而是单一材料内的范围。由于防护材料100是单一材料，而且 耐热耐火区110和大体积膨胀区120都不是结合在一起的离散的分离 层，不同的单个纤维将在耐热耐火区110和大体积膨胀区120中均有 出现。尽管图1显示了耐热耐火区110的厚度比大体积膨胀区120的 厚度小，但两个区的相对厚度可能与图示的有显著的不同。
继续参考图1，耐热耐火区110包含耐热耐火纤维101和膨化纤维 102。然而，耐热耐火区110主要包含耐热耐火纤维101。另外，纤维 在耐热耐火区110中的分布，使耐热耐火纤维101在耐热耐火区110 外边界111的含量比其在该区内边界112的含量更多。而且，如图所 示，优选沿着从耐热耐火区110的外边界111到该区内边界112的Z 轴，耐热耐火纤维101的含量以梯度降低。
继续参考图1，大体积膨胀区120包含耐热耐火纤维101和膨化纤 维102。然而，大体积膨胀区120主要包含膨化纤维102。另外，该纤 维在大体积膨胀区120中的分布，使膨化纤维102在大体积膨胀区120 外边界121的含量比其在该区内边界122的含量更多。而且，如图所 示，优选沿着从大体积膨胀区120的外边界121到该区内边界122的Z 轴，膨化纤维102的含量以梯度降低。
现参考图2，该图显示了本发明的另一个实施方式的放大的横截面 视图，图示说明了防热防火材料200。如图所示，防护材料200通常包 括耐热耐火纤维201和膨化纤维202。耐热耐火纤维201和膨化纤维 202是短纤维，它们结合在一起形成了防护材料200。在一个实施方式 中，耐热耐火纤维201和膨化纤维202通过粘合纤维205气流成网。 当粘合纤维205是热活性纤维时，纤维的结合体受热使粘合纤维205 活化，从而使得防护材料200的纤维粘合在一起。在防护材料200中 使用热活化粘合纤维作为粘合纤维205的额外优点在于，防护材料200 可以随后塑造成用于引擎罩衬垫、发动机舱罩等的部分形状。
还是参考图2，耐热耐火纤维201在防护材料200的耐热耐火区 210处聚集，并且膨化纤维202在防护材料200的大体积膨胀区220 处聚集。耐热耐火区210使防护材料200具有主要的耐热耐火性能。 大体积膨胀区220使防护材料200具有理想的Z方向厚度。在图2所 示的实施方式中，耐热耐火区210在Z方向上比大体积膨胀区220小。
继续参考图2，耐热耐火区210具有位于防护材料200外表面的外 边界211，和邻近大体积膨胀区220的内边界212。大体积膨胀区220 具有位于防护材料200外表面的外边界221，和邻近耐热耐火区210 的内边界222。防护材料200是单一材料，且两个区的边界不代表对层 的界定，而是单一材料内的区域。由于防护材料200是单一材料，而 且耐热耐火区210和大体积膨胀区220不是结合在一起的离散的分离 层，不同的单个纤维将在耐热耐火区210和大体积膨胀区220中均有 出现。尽管图2显示了耐热耐火区210的厚度比大体积膨胀区220的 厚度小，但两个区的相对厚度可与图示的有显著的不同。
继续参考图2，耐热耐火区210包含耐热耐火纤维201和膨化纤维 202。然而，耐热耐火区210主要包含耐热耐火纤维201。另外，纤维 在耐热耐火区210中的分布，使耐热耐火纤维201在耐热耐火区210 外边界211的含量比其在该区内边界212的含量更多。而且，如图所 示，优选沿着从耐热耐火区210的外边界211到该区内边界212的Z 轴，耐热耐火纤维201的含量以梯度降低。
继续参考图2，防护材料200的膨化纤维202包括第一膨化纤维 203和第二膨化纤维204。在一个实施方式中，第一膨化纤维与耐热耐 火纤维201相比，具有更高的纤度/单丝、和/或质量/纤维，并且第二膨 化纤维204与第一膨化纤维203和耐热耐火纤维201相比，具有更高 的纤度/单丝、和/或质量/纤维。同样，大体积膨胀区220分为第一膨胀 区230和第二膨胀区240。第一膨胀区230具有邻近耐热耐火区210 的外边界231和邻近第二膨胀区240的内边界232。第二膨胀区240 具有邻近防护材料200外表面的外边界241和邻近第一膨胀区230的 内边界242。如前所述，防护材料200是单一材料，同样地，两个膨胀 区的边界不代表对层的界定，而是单一材料内的范围。由于防护材料 200是单一材料，而且第一膨胀区230和第二膨胀区240不是结合在一 起的离散的分离层，不同的单个膨化纤维将在第一膨胀区和第二膨胀 区240中均有出现。尽管图2显示了耐热耐火区210的厚度比大体积 膨胀区220的厚度小，但两个区的相对厚度可与图示的有显著的不同。
继续参考图2，第一膨胀区230包含第一膨化纤维203和第二膨化 纤维204。然而，第一膨胀区230将含有比第二膨化纤维204更多的第 一膨化纤维203。纤维在第一膨胀区230中的分布，使第一膨化纤维 203沿着从第一膨胀区230的外边界231到位于第一膨胀区的内边界 232和外边界之间的第一膨化纤维集中平面235的Z轴，其含量以梯度 增加。而且，如图所示，优选沿着从第一膨化纤维集中平面235到该 区内边界232的Z轴，第一膨化纤维203的含量以梯度降低。
参考图2，第二膨胀区240包含第一膨化纤维203和第二膨化纤维 204。然而，第二膨胀区240将含有比第一膨化纤维203更多的第二膨 化纤维204。纤维在第二膨胀区230中的分布，使第二膨化纤维204 在第二膨胀区240的外边界241处的含量比其在该区内边界242处的 含量更高。而且，如图所示，优选沿着从第二膨胀区240的外边界241 到该区内边界242的Z轴，第二膨化纤维204的含量以梯度降低。
仍参考图2，第一膨胀区230也将包含耐热耐火纤维201。但是， 第一膨胀区230将含有比耐热耐火纤维201更多的第一膨化纤维203。 耐热耐火区210可具有若干量的第二膨化纤维204；但是第二膨化纤维 204在耐热耐火区210中的量明显低于第一膨化纤维203。第二膨胀区 240也可具有若干量的耐热耐火纤维201；但是，耐热耐火纤维201在 第二膨胀区240中的量，即便有的话，也明显低于第一膨化纤维203。 使用两个不同的膨化纤维203/204(图2)比使用单一的膨化纤维102 (图1)的优点在于，对于同样重量的耐热耐火纤维101/201和大体积 膨化纤维102/202，含有两种类型膨化纤维203和204的防护材料200 比仅含一种类型膨化纤维102的防护材料100，在大体积膨胀区120/220 处将有较少的耐热耐火纤维201。
参考图1和2，可考虑到防护材料100/200中可包括附加纤维，形 成从膨胀区120/220向外延伸的附加区。在这样的实施方式中，膨胀区 120/220的外边界121/221/241将不会邻近防护材料100/200的外部，而 将排列在防护材料100/200的内部。与防护材料200中第一膨化纤维 203到第二膨化纤维204的过渡类似，附加区也将具有从膨化纤维 102/204的集中处到附加纤维的集中处的过渡区。多样的附加纤维可以 产生多个附加区，从而形成很多附加区。与图1和2所示的膨化纤维 102和204相似，在最外面的附加区内，产生最外面附加区的纤维将集 中在防护材料100/200的外部。
现参考图3，该图显示了用以加工形成图1和2中的平面整体耐热 耐火防护板的特定装置300。现已发现适合在该方法中形成本发明的市 售装置，该装置为“K-12 HIGH-LOFT RANDOM CARD”，由奥地利 Fehrer AG Linz生产。耐热耐火纤维101/201和大体积的膨化纤维 102/202被打开并以适当的比例混合，然后进入气室310。在使用粘合 纤维105/205的实施方式中，在进入气室310之前，将粘合纤维105/205 打开并与耐热耐火纤维101/201和膨化纤维102/202混合。在含有多种 类型膨化纤维203/204的大体积膨化纤维202的实施方式中，那些多种 类型的膨化纤维203/204在进入气室310前，也被打开并以适当的比例 与其它纤维混合。气室310令混合的纤维悬浮在空气中，然后排出以 传送到使用圆筒320的气流成网装置。圆筒320旋转并将混合的纤维 投向收集带330。圆筒320的自旋转将较重的纤维沿着收集带330投向 比较轻纤维更远的距离。结果，收集在收集带330上的纤维垫将在邻 近收集带330处有较多含量的轻纤维，而在远离收集带330处具有较 多含量的重纤维。通常，纤维之间的旦数差异越大，纤维分布的梯度 也就越大。
在图1所示的防护板100的实施方式中，耐热耐火纤维101比大 体积的膨化纤维102轻。因此，在图3所示的工艺中，耐热耐火纤维 101在靠近收集带330处以较高含量聚集，而大体积的膨化纤维102 在远离收集带330处以较高含量聚集。正是由装置300得到的这种分 布产生了平面整体防护材料100的耐热耐火区110和大体积膨胀区 120。
在图2所示的防护板200的实施方式中，耐热耐火纤维201比大 体积的膨化纤维202轻。因此，在图3所示的工艺中，耐热耐火纤维 201在靠近收集带330处以较高含量聚集，而大体积的膨化纤维202 在远离收集带330处以较高含量聚集。正是由装置300得到的这种分 布产生了平面整体防护材料200的耐热耐火区210和大体积膨胀区 220。另外，大体积的膨化纤维220中的第一膨化纤维203比第二膨化 纤维204轻。因此，在图3所示的工艺中，第一膨化纤维203在靠近 收集带330处比第二膨化纤维204以更高含量聚集。正是这种分布产 生了平面整体防护材料200的大体积膨胀区220的第一膨胀区230和 第二膨胀区240。
在防护材料100/200的形成中，耐热耐火纤维的混合百分比范围大 约在总重量的10％到90％。膨化纤维在防护材料100/200中的混合百 分比范围大约在总重量的80％到5％。粘合纤维在防护材料100/200中 的最佳量范围大约在总重量的10％到40％。现已发现高度膨松的防护 材料是一种理想产品，可以与其它材料一起缝制以用于诸如床垫边和 板条的应用。在本工艺中，膨化纤维与耐热耐火纤维的结合通过减少 步骤降低了成本，并且具有比将该材料的两个单独层组合在一起更好 的性能，例如分层的标准。另外，防护材料的性能似乎在同样成本下 具有更好的阻燃性能，并在相似性能条件下成本更低。
在本发明的第一个实施例中，平面整体耐热耐火防护材料是由下 列四种纤维的混合形成的：
(1)4wt％的耐热耐火纤维，该纤维为2dpf的部分氧化的聚丙烯腈；
(2)25wt％的第一膨化纤维，该纤维为6dpf的聚酯；
(3)41wt％的第二膨化纤维，该纤维为15dpf的聚酯；和
(4)30wt％的低熔点粘合纤维，该纤维为4dpf的具有较低熔点皮 层的皮芯聚酯。
这些纤维被打开、混合然后使用Fehrer AG生产的“K-12 HIGH-LOFT RANDOM CARD”形成防护材料。该防护板的重量大约 为16～32盎司/码2，其厚度大约在12～37mm之间。在获得的防护材料 中，耐热耐火区中包括至少占该区总纤维的70％的耐热耐火纤维，而 且大体积膨胀区中的耐热耐火纤维要少于该区总纤维的大约2％。
在本发明的第二个实施例中，平面整体耐热耐火防护材料是由下 列四种纤维的混合形成的：
(1)40wt％的耐热耐火纤维，该纤维为约3.2dpf的Visil；
(2)20wt％的约2dpf的改性聚丙烯腈(KanecaronTM)；
(3)20wt％的膨化纤维，该纤维为15dpf的聚酯；和
(4)20wt％的低熔点粘合纤维，该纤维为4dpf的具有较低熔点皮 层的皮芯聚酯。
这些纤维被打开、混合然后使用Fehrer AG生产的“K-12 HIGH-LOFT RANDOM CARD”形成防护材料。该防护板的重量大约 为8盎司/码2，其厚度大约为25mm。在获得的防护材料中，耐热耐火 区中至少包括占该区总纤维60％的耐热耐火纤维，而且大体积膨胀区 中的耐热耐火纤维要少于该区总纤维的大约40％。在第二个实施例的 另一个可替换的形式中，低熔点粘合纤维为10dpf的具有较低熔点皮层 的皮芯聚酯。
在本发明的第三个实施例中，平面整体耐热耐火防护材料是由下 列四种纤维的混合形成的：
(1)30wt％的耐热耐火纤维，该纤维为约3.2dpf的Visil；
(2)30wt％的约2dpf的改性聚丙烯腈(KanecaronTM)；
(3)20wt％的膨化纤维，该纤维为15dpf的聚酯；和
(4)20wt％的低熔点粘合纤维，该纤维为4dpf的具有较低熔点皮 层的皮芯聚酯。
这些纤维被打开、混合然后使用Fehrer AG生产的“K-12 HIGH-LOFT RANDOM CARD”形成防护材料。该防护板的重量大约 为8盎司/码2，其厚度大约为25mm。在获得的防护材料中，耐热耐火 区中至少包括占该区总纤维60％的耐热耐火纤维，而且大体积膨胀区 中的耐热耐火纤维要少于该区总纤维的大约40％。
在本发明的第四个实施例中，平面整体耐热耐火防护材料是由下 列四种纤维的混合形成的：
(1)40wt％的耐热耐火纤维，该纤维为约3.2dpf的Visil；
(2)40wt％的约2dpf的改性聚丙烯腈(KanecaronTM)；
(3)15wt％的膨化纤维，该纤维为15dpf的聚酯；和
(4)5wt％的低熔点粘合纤维，该纤维为4dpf的具有较低熔点皮层 的皮芯聚酯。
这些纤维被打开、混合然后使用Fehrer AG生产的“K-12 HIGH-LOFT RANDOM CARD”形成防护材料。该防护板的重量大约 为10盎司/码2，其厚度大约为25mm。在获得的防护材料中，耐热耐 火区中至少包括占该区总纤维60％的耐热耐火纤维，而且大体积膨胀 区中的耐热耐火纤维要少于该区总纤维的大约40％。
在本发明的第五个实施例中，平面整体耐热耐火防护材料是由下 列四种纤维的混合形成的：
(1)50wt％的耐热耐火纤维，该纤维为2dpf的Panox；
(2)30wt％的膨化纤维，该纤维为15dpf的聚酯；和
(4)20wt％的低熔点粘合纤维，该纤维为4dpf的具有较低熔点皮层 的皮芯聚酯。
这些纤维被打开、混合然后使用Fehrer AG生产的“K-12 HIGH-LOFT RANDOM CARD”形成防护材料。该防护材料的重量大 约为6盎司/码2，其厚度大约为25mm。在获得的防护材料中，耐热耐 火区中至少包括占该区总纤维60％的耐热耐火纤维，而且大体积膨胀 区中的耐热耐火纤维要少于该区总纤维的大约40％。
现参考图4，该图显示了图1所示防护材料100的实施方式的放大 横截面视图，该防护材料是根据图3所公开的方法形成的。图4显示 了耐热耐火区在膨胀区之上。可以看到，纤维具有取向，其角度模式 大约为30°，该取向在膨胀区最为明显。纤维的角度是加工工艺造成的， 并且使防护材料具有硬度和弹性。纤维角度模式可以是不同的，其范 围为从防护材料100的平面维度到水平Z方向呈大约5～80°。
现参考图5，该图显示的为引入了防护材料100/200的床垫。床垫 500包括第一面511、相对的第二面512、以及至少一个侧壁与第一面 511和第二面512相连的侧壁521、522、523和524。图6显示的为用 作图5中床垫500的面511、512、或壁521、522、523和524的壁600 的部分剖面图。如图所示，壁600包括外床垫套材料610、防护材料 620，支撑材料630、以及背衬材料640。图1-4所示的防护材料100/200 可以用作壁600中的防护材料620，并且优选在最靠近外床垫套材料 610的耐热耐火区取向。支撑材料630是弹性材料，如泡沫、非织造布、 或类似物。背衬材料640是柔性材料，如机织物、针织物、或者非织 造织物。
尽管本发明已经对某些优选的形式进行了相当详细地说明，但其 它形式也是可能的。例如，材料的附加层，例如非织造布，可以添加 到本发明的外表面或者内表面以达到额外的效果。因此，所附权利要 求的主旨和范围不应当局限于对本文优选形式的描述。
相关申请的交叉引用
本申请是2004年5月7日提出的在先共同未决美国申请 10/841,148的部分继续，在这里将其全文引入作为参考。