碳泡沫結構絕緣板的製作方法

2023-05-09 15:57:11

專利名稱：碳泡沫結構絕緣板的製作方法
技術領域：
本發明涉及可用於以下應用的高強度結構板，該應用包括
屋頂、地板、牆、門和其它結構的建築構造，其中高的強度與密度比 和改善的阻燃特性是有用的。更詳細地講，本發明涉及碳泡沫在結構 絕緣板中的用途，該結構絕緣板高度耐熱、溼和其它環境應力，同時 維持極高的壓縮強度。
背景技術：
許多住宅單元的結構由木材材料和金屬釘的組合建造。在 結構框架的建造之後，安裝絕緣材料如玻璃纖維絕緣層以控制從住宅 外部至內部的熱傳導。也使用經常包含石膏板的內部嵌板，以維持外 牆和內表面之間的玻璃纖維絕緣層的放置。雖然該類型的建築結構可 較好地理解和具有足夠的強度，但該方法既緩慢又是勞動密集的。此 夕卜，這些結構對環境應力如溼氣或昆蟲維持差的絕緣性和抗性。因此， 結構絕緣板(SIPs)用作結構建築材料已經獲得普及。外部的高強度層 基本上附接至絕緣內層，產生具有強度和絕緣性兩者的夾層。例如， Sm池的美國專利第4,163，349號公開了絕緣建築物，但該絕緣建築物沒 有足夠的絕熱性。 Hardcastle等(美國專利第4,42S,:396號)公開了包含合成有 機聚合物泡沫的絕緣板，該合成有機聚合物泡沫包含由多個熱塑性塑 料片組成的保護性風化層。 Cahill (美國專利第6,656,858號)描述了由約0.5-3磅/立方英 尺的低密度層和聚合物結構的第二、增強層組成的輕質層壓牆。這些 結構為輕質的，具有低的抗溼性，滿足建築規範關於橫向風載荷的要求。 Porter (美國專利第6,599,621號)描述了具有高強度和防火 和特別防水和溼度變化的SIP。該公開的結構包含內部絕緣芯，該內部 絕緣芯在一個表面上具有石膏纖維板，在第二表面上具有定向結構刨 花板。優選，該絕緣芯包含塑料泡沫如發泡聚苯乙烯或氨酯，該塑料 泡沫與石膏纖維板和定向結構刨花板兩者粘合。 Porter (美國專利第6,588,172號)描迷了將塑料浸漬紙的層 壓層摻入到SIP以增加板的拉伸強度，同時使它防潮。典型地該層置於 石膏板和塑料泡沫芯之間，通過常規的粘合劑粘附。 Parker (美國專利第4,628,650號)描述了包含泡沫芯的SIP， 該泡沫芯包含具有從泡沫芯邊緣突出的突出部分的層。設置該突出部 分以促進相鄰SIPs之間的有效密封，提供更好的熱絕緣。另外，該板 的芯具有穿過用於放置託梁、大頭釘或椽的結構的通道。 Clear (美國專利第6，079,175號)描述了用於建築結構的粘 結材料SIP。將輕質填充材料如底灰、水泥和水倒入兩個最外層肋狀物 的空間之間，據稱這為板和因此板包含的結構提供絕緣、強度以及剛 度。該SIP的優點為可在偏遠地區或更貧瘠的地區構建，因為它構建起 來相當便宜。 Pease (美國專利笫6，725,616號)製備絕緣混凝土牆體，該絕 緣混凝土牆體用附接至增強絕緣條的塊鑄造或構建。該專利權人指 出，使用專利權人的將增強的硬質泡沫固定至混凝土牆體表面的方法 製備絕緣牆體時，使用者將需要較少的時間和勞動。 Pease (美國專利第6,892,507號)描述用硬質泡沫片製備SIP 的方法和裝置。硬質泡沫片具有放置增強條的多個凹槽。然後用增強 片材將條和硬質泡沫覆蓋和粘合，該片材提供結構支撐和保溼性兩 者。不幸地是，先有技術製備的SIPs對於許多要求高強度包括 高壓縮強度值的結構應用無效。此外，所有先有技術要求保護的大多數SIPS不能有效抗燃燒或經歷顯著炭化的高溫或明火。另外，先有技
術SIPs通常缺乏高的強度與密度比，使得這樣的SIPs不適於其中建築
結構需要的輕質、絕緣並且堅固的板的應用。因此，希望具有低密度和期望的隔熱性質的結構板，其中 該板具有高強度和高強度與密度比，該高強度和高強度與密度比使碳 泡沫結構絕緣板可用於以下的結構應用包括屋頂、地板、門和牆。 的確已經發現，對於不限於住宅建築物、商業建築物、飛行器或船舶 的結構應用，包括高於先有技術考慮的強度與密度比和壓縮強度，以 及高於先有技術考慮的阻燃性的特性組合為必需的。

發明內容
本發明提供獨特地能夠用於要求高強度與密度比和/或高 燃燒或炭化抗性的應用中的SIP。本發明的碳泡沫結構絕緣板顯示提供 迄今未見到的強度和相對輕質特徵的組合的密度、壓縮強度和壓縮強 度與密度比。另外，在從高溼度到嚴重低溫的其它環境條件下，碳泡 沫的碳素晶格產品在維持結構完整性的同時抗炭化和燃燒兩者。此 外，可以期望的尺寸和構型製備碳泡沫，對於結構絕緣板的特定尺寸 來講可容易地才幾械加工。更詳細地講，本發明的結構碳泡沫板具有密度為約0.05-約 0.6克/釐米3(g/cc)、壓縮強度為至少約2000磅/英寸2(psi)(例如用ASTM C695測定)的碳泡沫芯。當預定用於構造應用時，碳泡沫芯的重要特 徵為可獲得高於7000 psi/g/cc的強度與密度比的強度與密度比。為了在整個板上一致的熱絕緣和強度特徵，在縱向和衝黃向 上，本發明的結構碳泡沫板都應具有相對均勻密度的碳泡沫芯。特別 是，為了提供要求的高壓縮強度該碳泡沫應具有相對均勻的孔隙分 布，孔隙為相對各向同性的。此外， >談泡沫芯應具有約65%-約95%， 更優選約70%-約95%的總孔隙率，以形成碳泡沫結構絕緣板的最佳強 度與密度比。
為製備碳泡沫芯，最好在範圍可為約500。C，更優選至少約 800。C至約3200。C的溫度下，在惰性或空氣排除的氣氛下將聚合物泡 沫塊特別是酚醛泡沫塊碳化，製備用於結構碳泡沫板的碳泡沫。在加入外層之前，可用各種塗料處理碳泡沫芯以改善碳泡 沫SIP的總性能。例如，可將抗氧化塗料塗覆至碳泡沫以增加高氧化性 條件下的SIP壽命。另外，當暴露於極端溫度時，也可將阻燃塗料塗覆 至碳泡沫芯以進一步增加碳泡沫芯和因此SIP的完整性。因為整體碳泡沫SIP通常設計為平面，因此碳泡沫芯的第一 外側面和第二外側面覆蓋有層。任選，外層之一層可由定向結構刨花 板(stmndboard)(OSB)組成，而其他外層由各種石膏板組成。存在其它 外層，該其它外層包括但不限於各種熱塑性塑料、有機片材、纖維浸 漬物和複合板。應將碳泡沫芯粘合至外層以構造SIP。可通過使用材料如在 外層和碳泡沫芯之間產生化學相互作用的粘合劑或粘固劑進行粘合。 這些材料包括碳泡沫應用專用粘合劑和一般的粘固劑、膠粘劑或高溫 膠。任選可使用機械材料。因此，本發明的一個目的為結構碳泡沫板，該結構碳泡沫 板具有確保它用作要求高強度與密度比的結構應用的特徵。本發明的另一個目的為結構板，其具有^P友泡沫芯結構，該 結構具有高足以用於高應力結構應用的壓縮強度。本發明的還另 一個目的為可以期望尺寸和構型製備的結構 絕緣板泡沫，其中碳泡沫芯可由機械加工或與其它類似的碳泡沫片結 合提供更大的結構碳泡沫板。本發明的另一個目的為提供抗環境應力的結構絕緣板，該 環境應力包括高溼度和嚴重的溫度波動。本發明的還另 一個目的為提供結構碳絕緣板，其中碳泡沫
6芯提供足夠的熱絕緣以在板的外部和板的內部之間維持溫差。閱讀以下描述後，這些方面和其它方面對技術人員來講將 是顯而易見的，通過提供含有碳泡沫芯的結構碳泡沫板，可實現這些 方面和其它方面，所述> 友泡沫芯的壓縮強度與密度比率為至少約7000 psi/g/cc，壓縮強度與密度比率尤其為至少約8000 psi/g/cc。本發明的 SIP具有碳泡沫芯，該碳泡沫芯的密度為約0.03 g/cc-約0.6 g/cc、更優 選為約0.05g/cc-約0.15g/cc,壓縮強度為至少約2000psi，孔隙率為約 65%-約95%。此外，碳泡沫芯的熱傳導率為約0.06 W/mK-約0.3 W/mK。此外，可通過在惰性或空氣排除的氣氛下將聚合物泡沫制 品，尤其是酚醛泡沫碳化來製備碳泡沫芯。用於碳泡沫芯的酚醛泡沫 前體的壓縮強度應優選為至少約100 psi 。應理解，上述一般描述和以下詳細描述提供本發明的實施 方案，並將提供對要求保護的本發明的性質和特徵理解的概觀或框 架。
附圖簡述圖l為依照本發明實施方案的碳泡沫結構絕緣板的視圖。 實現本發明的最佳方式從聚合物泡沫，如聚氨酯泡沫或酚醛泡沫，優選酚醛泡沫 製備依照本發明的碳泡沫芯的碳泡沫。酚醛樹脂為聚合物和低聚物的 大家族，其由基於苯酚和甲醛的反應產物的各種結構組成。當存在酸 性或鹼性催化劑時，通過苯酚或取代苯酚與醛、尤其是曱醛的反應制 備酚醛樹脂。酚醛樹脂泡沫為由開孔(cell)和閉孔組成的固化系統。該 ;樹脂通常為氫氧化鈉催化的水性曱階酚醛樹脂，其甲醛苯酚比率可 變化，但優選為約2: 1。游離苯酚和甲醛含量應為低含量，雖然尿素 可用作曱醛清除劑。通過調節樹脂的水含量和加入表面活性劑(例如乙氧基化非離子型表面活性劑)、發泡劑(例如戊烷、二氯曱烷或氯氟烴)和催化 劑(例如曱苯磺酸或苯酚磺酸)製備泡沫。磺酸催化反應，而放熱引起 發泡劑在樹脂中乳化，以使泡沫蒸發和膨脹。表面活性劑控制孔尺寸 和開孔單元與閉孔單元的比率。採用間歇過程和連續過程兩者。在連 續過程中，機器類似於連續聚氨酯泡沫使用的機器。泡沫的性質主要 取決於密度和孔結構。優選的苯酚為間苯二酚，然而，也可使用能夠與醛形成縮 合產物的其它類苯酚。這樣的苯酚包括一元酚和多元酚、鄰苯二酚、
對苯二酚、烷基取代的苯酚例如曱酚或二曱苯酚；多環一元酚或多元
酚，例如萘酚、對,對'-二羥基聯苯(p,p'-dihydrexydiphenyl)二曱基甲烷
或輕基蒽。用於製備泡沫起始原料的苯酚也可用於與能夠以如苯酚一 樣的方式與酪反應的^夂酚類化合物混合。優選的用於溶液的醛為曱醛。其它合適的醛包括將以同樣 的方式與苯酚反應的那些酪。這些醛包括例如乙醛和苯曱醛。—般而言，可用於本發明的方法的苯酚和醛為美國專利第 3,960,761和5,047,225號中描述的那些，其公開內容通過引用結合到本 文中。任選為增加抗氧化性，可通過只用於改善碳泡沫抗氧化性 的化合物特定包含物產生本發明的SIP的碳泡沫芯。這樣的固體氧化抑 制添加劑包括磷酸銨、磷酸鋁、磷酸鋅或硼酸。氧化抑制添加劑的另
外的特徵為可在碳泡沫製備的樹脂製備階段或酚醛泡沫形成階段期 間加入該添加劑。使用任一方法，最後的酚醛泡沫碳化引起磷或硼保 留在碳泡沫結構內部，降低碳泡沫的氧化率。特別是，最後的碳泡沫 產品中保留的約0.01%-約0.5°/。重量的磷或硼降低氧化率超過50%。或者，在碳化過程完成之後但在SIP中集成之前，可用氧化 -抑制劑處理碳泡沫產品。優選的方法為用^^磷材料如磷酸銨、磷酸、 石粦酸鋁或^^粦酸鋅的水溶液浸漬,友泡沫，然後熱處理至約500。C以同時去除水和將磷固定至碳。另外，可將水溶性硼化合物如硼酸引入上迷 方法以產生抗氧化性碳泡沫產物。在碳泡沫芯的製備中用作起始原料的聚合物泡沫應具有反 映待形成的碳泡沫期望的最終密度的初始密度。換句話說，聚合物泡 沫的密度應為約0.03 g/cc-約0.6 g/cc,更優選約0.05 g/cc-約0.4 g/cc，最 優選約0.05 g/cc-約0.15 g/cc。聚合物泡沫的孔結構應接近約65%-約 95%的孔隙率和相對高的壓縮強度，即大約為至少約IOO psi，和高至 約300 psi或更高。為了將聚合物泡沫轉變為碳泡沫，在惰性或空氣排除的氣 氛例如在氮氣存在的情況下，通過加熱至約500。C、更優選至少約 800°C、最高達約3200。C的溫度，將泡沫碳化。應控制加熱速率，以 便在幾天的時間內使聚合物泡沫達到期望的溫度，.因為在碳化期間聚 合物泡沫可收縮多達約50%或更多。為了有效的碳化，應小心以確保 聚合物泡沫片的均勻加熱。通過使用在惰性或空氣排除的氣氛下加熱的聚合物泡沫， 獲得非石墨化玻璃碳泡沫，其具有起始聚合物泡沫的近似密度，但壓 縮強度為至少約2000 psi，且強度與密度比顯著地為至少約7000 psi/g/cc，更優選至少約8000 psi/g/cc。 ^談泡沫具有相對均勻分布的各 向同性孔隙，該孔隙的平均長寬比為約1.0-約1.5。通過使用不同密度前體材料，製備用於本發明SIP的碳泡沫 芯的 一 系列碳泡沫。該產品的性質列於下面。現在參考

圖1，該圖顯示依照本發明的一個實施方案具有碳 泡沫芯12的SIP 10局部側-現圖。碳泡沫芯12和SIP IO通常為平面的，雖然可構造滿足各種 規格。任選通過機械加工或才莫塑，碳泡沫芯12可為彎曲的或具有圓形邊緣以最好地適合期望的結構應用。 SIP 10包括位於碳泡沫芯12的相對外表面的第一外層14和 第二外層16。如同碳泡沫芯12和SIP IO—樣，笫一外層14和第二外層 16都可具有用於期望應用的各種形狀。第一外層14和第二外層16可包 含相似的或完全不同的材料，取決於SIP的特定結構應用。這些材料包 括典型的構造材料如夾板、定向結構刨花板、幹牆、石膏、粘固劑復 合材料、木材複合材料或各種其它剛性有機或無機構造板。此外，第 一外層14和第二外層16也可為上述材料的浸漬物或包括熱塑性塑料、 樹脂、碳複合材料、陶瓷複合材料或各種其它人工產生的材料。在要 求顯著剛性或耐磨性的特定結構應用中，可使用各種金屬化合物以包 含第一外層14和第二外層16兩者。在飛行器製造的情況中，這些層可 包括環繞碳泡沫芯12的薄金屬皮，或在剛性船舶的情況中，外層14和 外層16可包括硬化的金屬複合材料。顯然，第一外層14和第二外層16 的選擇將基於特定SIP IO的必要拉伸強度和阻燃性質。此外，第一外 層14和第二外層16可為兩種不同的材料，其中SIP IO的使用需要這樣 的性質。例如在住宅建築物結構中，第一外層14可由相當不受環境應 力影響的熱塑性塑料組成，而第二外層16可為石膏板或住宅建築物內 部更常見的美觀的嵌板。可包含外層14和16之一或兩者的其它材料包 括但不限於以下材料紙、加強的紙複合材料、定向結構刨花板、纖 維板、幹牆、石膏、石膏複合材料、木材、木材複合材料、夾板、熱 塑性塑料、塑料複合材料、樹脂、金屬、金屬合金、金屬複合材料及 其組合。在另外的實施方案中，將膨脹石墨的壓縮顆粒片摻入至 SEP,處於與碳泡沫芯接觸的位置。這些石墨片可位於碳泡沫芯的一個 側面或兩個側面上、位於外層和,友泡沫芯之間。可通過將包含例如硝 酸和硫酸混合物的溶液插入石墨片，通過暴露於熱中使薄片膨脹或剝 落，然後壓縮剝落的薄片形成相千片來製備合適的膨脹石墨壓縮顆粒 片(在工業中經常稱為"柔性石墨")。在例如美國專利申請公布號US-2005-0079355-Al中描述了膨脹石墨壓縮顆粒片的製備，其公開內 容通過引用結合到本文中。通過將膨脹石墨壓縮顆粒片摻入^5灰泡沫芯，產生了優異的 阻燃結構。在碳泡沫芯的一個或兩個相對側面上，壓縮膨脹石墨片的 各向異性熱性質提供熱管理的顯著改善，允許SIP作為阻燃材料用於多 種應用中。第一外層14和第二外層16通過粘合或粘結材一+18與碳泡沫 芯12連接。該粘合或粘結材料18可包括適用於從高溫條件至暴露於酸 性環境的特定應用的化學粘合劑。不同的化學粘合材料包括粘合劑、 膠、粘固劑和膠粘劑。任選可通過機械材料將第一外層14和第二外層 16附接至碳泡沫芯12。雖然該方法的確影響碳泡沫芯12的完整性和均 勻特性，.機械連接可獲得低成本，並且非常快的完成。將第一外層14
釘、大頭釘、螺旋釘、支柱、壓杆、扣件、鉤環及其組合。另外，可 通過外層14和16與碳泡沫芯的一系列高度壓縮處理，將第一外層14和 第二外層16壓粘至碳泡沫芯。雖然比機械或化學附接選項持久差，但 該附接類型沒有如化學或機械附接方法那樣引入額外的化合物或削 弱碳泡沫芯12的結構完整性。
〖0049]第一塗層20和第二塗層22都是任選的，並塗覆至碳泡沫芯 12以改變;灰泡沫芯12的性質。特別是，笫一塗層20和第二塗層22可相 同或不同，取決於碳泡沫芯12的條件和必需的性質。例如第一塗層20 和第二塗層22都可為阻燃性改善塗層，以改善> 友泡沫芯12的阻燃性。 另外，在其中SIP10的一個側面更可能暴露於氧化環境，而SIP10的其 他側面更可能暴露於火中時，第一塗層20可為抗氧化塗層，第二塗層 22可為阻燃塗層。並且，任選採用第一塗層20和第二塗層22;對於SIP IO的許多應用，第一塗層20和第二塗層22都不是必需的。用碳泡沫芯12作為SIP IO中的絕緣層，SIP IO具有固有的阻 燃/抗燃性質。因為其它絕緣材料只從結構絕緣板的結構中排除氧，因此碳泡沫芯12對燃燒或炭化都非常有抗性。特別是，碳泡沫芯12主要
將碳與它的泡沫構造內部存在的相對少的其它元件連接。因此，除了
碳泡沫芯12的碳的簡單氧化以外，幾乎沒有燃燒存在。為使該氧化發 生，溫度必須達到相當極端的溫度，使得碳泡沫芯12非常適用於其中 要求阻燃結構的商業結構和住宅結構中。相似地，碳泡沫芯12對許多環境應力有抗性，該環境應力 包括昆蟲、溼度和熱。碳泡沫為非常堅硬的物質，使得它本身不適於 昆蟲居住，而溼度變化幾乎不改變它的化學和結構性質。此外，可選 擇第一外層14和第二外層16用於SIP10將經歷的特定環境應用。最後，SIP IO和它的優異的強度與密度比和阻燃性使得SIP IO適用於各種結構應用。在其中期望低密度但牢固的材料，其中也要 求阻燃性的建築物構造中，SIP IO相當特別地有用。此外，含有碳泡 沫芯12的SIP IO具有期望的耐熱性，因此在建築物內幫助維持控制的 氣候。由於其高壓縮強度與密度比，SIP IO對於要求輕質和堅固結構 的船舶也是理想的。特別是，SIP IO可用於經歷多種壓縮但必須盡可 能輕以維持船舶的機動性的航空母艦甲板。此外，SIP IO作為航空母 艦甲板也將阻燃性元件直接灌注至甲板嵌板中。SIP IO的另外的用途 可為飛行器的構建，其中剛性和堅固但輕質的材料是有用的。這些上 述應用為本發明的碳泡沫結構絕緣板的可行用途，但絕不表示這些應 用包括本發明實用的所有應用。本申請中參考的所有引用專利和出版物的公開內容通過引 用結合到本文中。上迷描述用於確保本領域技術人員能夠實施本發明。不打 算詳述所有可能的變化和修改，在閱讀本說明書後這些變化和修改對
12技術人員來講是顯而易見的。然而，所有這樣的修改和變化將包括在 權利要求定義的本發明範圍內。權利要求將涵蓋有效滿足本發明預定 目的的任何排列或順序的指示元件和步驟，除非上下文中明確表明是 相反的。
權利要求
1. 一種結構絕緣板，所述板包含密度為約0.03g/cc-約0.6g/cc的碳泡沫材料。
2. 權利要求1的結構絕緣板，所述板還包含粘合至所述碳泡沫 材料第一表面的第一外層；和粘合至所述碳泡沫材料第二表面的第二 外層。
3. 權利要求1的結構絕緣板，其中所述碳泡沫材料的壓縮強度與 密度比為約1000 psi/g/cc-約20000 psi/g/cc。
4. 權利要求1的結構絕緣板，其中所述碳泡沫材料的熱傳導率為 約0.06 W/mK-約0.3 W/mK。
5. 權利要求1的結構絕緣板，其中所述碳泡沫材料包括在所述-友 泡沫的外表面上的塗層。
6. 權利要求5的結構絕緣板，其中所述塗層改善所述碳泡沫材料 的阻燃性。
7. 權利要求6的結構絕緣板，其中所迷塗層改善所述碳泡沫材料 的4元氧4匕性。
8. 權利要求1的結構絕緣板，所述板在所述碳泡沫材料的至少一 個表面上還包含膨脹石墨的壓縮顆粒層。
9. 權利要求2的結構絕緣板，其中所述外層選自紙、加強的紙復 合材料、定向結構刨花板、纖維板、幹牆、石膏、石膏複合材料、木 材、木材複合材料、夾板、熱塑性塑料、塑料複合材料、樹脂、金屬、 金屬合金、金屬複合材料及其組合。
全文摘要
結構絕緣板，該結構絕緣板包括碳泡沫芯(12)，該碳泡沫芯具有高壓縮強度與密度比、期望的阻燃性質和環境應力抗性。該碳泡沫結構絕緣板(10)也包括與碳泡沫芯(12)的第一表面和第二表面結合的第一層(14)和第二層(16)。碳泡沫結構絕緣板(10)的應用包括住宅和商業建築、飛行器以及船舶的結構元件和阻燃元件。
文檔編號B32B9/00GK101460301SQ200680051268
公開日2009年6月17日 申請日期2006年12月7日 優先權日2005年12月21日
發明者D·J·米勒, M·塞格爾, Y·格裡芬 申請人:格拉弗技術國際控股有限公司