[發(fā)明專利]納孔熱塑性泡沫和其制造方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201380048214.X
• 申請日: 2013-09-13
• 公開（公告）號: CN104736617B
• 公開（公告）日: 2017-05-10
• 發(fā)明（設計）人: L·朱;S·科斯特;K·A·帕坦卡;J·D·摩爾
• 申請（專利權）人: 陶氏環(huán)球技術有限責任公司
• 主分類號: C08J9/00
• 分類號: C08J9/00;C08J9/12;B29C44/34
• 代理公司: 北京市金杜律師事務所11256
• 代理人: 吳亦華,徐一琨

本發(fā)明在美國政府支持下在由能源部(Department of Energy)授予的合同DE-EE0003916號下進行。美國政府擁有本發(fā)明的某些權利。

技術領域

本發(fā)明涉及具有納米大小的泡孔的熱塑性聚合物泡沫，和制造所述泡沫的方法。

背景技術

聚合泡沫物品(或簡單地“聚合泡沫”)常見于隔熱應用中。聚合泡沫的許多特征影響通過泡沫的熱傳導性，和因此泡沫作為熱絕緣體的有效性。舉例來說，已知通過聚合泡沫隔熱的傳熱可以通過傳導、輻射和對流進行(參看例如美國專利申請公開2009/0148665中的傳授內容)。在典型聚合泡沫隔熱中，傳熱的主模式是泡孔氣體傳導，其貢獻總熱傳導性的約75％。因此，減少泡孔氣體的傳導可以顯著減少通過聚合泡沫的傳熱。

一種影響泡孔氣體的熱傳導性貢獻的特征是泡孔大小。當泡孔大小的尺寸在約一微米與一毫米之間時，泡孔大小對氣體熱傳導具有極小影響。大于一毫米的對流行為傾向于增加熱傳導性。然而，當泡沫的泡孔大小小于約一微米時，氣體傳導性歸因于稱為克努森效應(Knudsen Effect)的因素而降低(參看例如圖1中所說明的關系。曲線遵循李(Lee)等人，“由熱傳導性測量測定氣凝膠的中孔大小(Determination of a mesopore size of aerogels from thermal conductivity measurement)”，非晶固體雜志(Journal of Non-Crystalline Solids)，2002年3月，第298卷，第287-292頁中的方法)?？伺且馃醾鲗越档偷默F(xiàn)象，因為更少的泡孔氣體分子在每個泡孔內可用以碰撞和在每個單一泡孔內傳熱。隨著泡孔大小和泡孔之間的連通性變得在與氣體填充泡孔的平均自由程相同的數(shù)量級上，克努森效應變得顯著。當泡孔大小從一微米減小到300納米(nm)時，歸因于泡孔氣體的熱傳導性降低差不多一半，并且當泡孔大小從一微米減小到小于100nm時，其降低差不多2/3。因此，需要獲得300nm或更小、優(yōu)選地100nm或更小的泡孔大小以最小化通過泡沫的熱傳導性。

此外需要獲得均勻的泡孔大小分布。即使偶然的大泡孔也可能會減弱小(300nm或更小、優(yōu)選地200nm或更小、再更優(yōu)選地150nm或更小)泡孔的隔熱效應。因此，在同等條件下，需要將泡沫的平均泡孔大小減小到300nm或更小并且尤其減小到200nm或更小，以便獲得通過泡沫、尤其在具有均勻泡孔大小分布的泡沫中的更低熱傳導性。然而，難以在不影響聚合泡沫物品的其它性質的情況下減小泡孔大小。

孔隙率，空隙體積比泡沫體積的比率也影響聚合泡沫的熱傳導性。孔隙率可以表示為值小于一的比，或表示為百分率，其是所述比乘以100。一般來說，降低孔隙率導致熱傳導性增加。那是因為通過構成界定泡沫泡孔的壁的聚合物網(wǎng)絡的熱傳導性典型地大于穿過泡孔內的氣體的熱傳導性。

平均泡孔大小是300nm或更小并且孔隙率大于0.50的聚合泡沫是高度合乎需要的，但迄今為止難以用已知吹泡技術獲得。值得注意地，吹泡技術是所要的，因為不同于例如氣凝膠技術，吹泡技術不需要大體積的溶劑來制造。

在開發(fā)制造具有特定泡孔大小的泡沫的方法時，有用的是考慮有效成核位點的數(shù)目。有效成核位點是當可發(fā)泡聚合物組合物膨脹為泡沫時可發(fā)泡聚合物組合物中形成空隙或泡孔的位點的數(shù)目(在例如庫馬爾(Kumar)和蘇(Suh)的標題是“制造微孔熱塑性零件的方法(A Process for Making Microcellular Thermoplastic Parts)”的論文，聚合物工程化與科學(Polymer Engineering and Science)，1990年10月，第30卷第20期，第1323-1329頁中也稱為“泡孔密度”)。通過控制有效成核位點的數(shù)目和孔隙率，控制泡沫的平均泡孔大小。為了獲得所要的隔熱泡沫，需要制備具有至少3×10¹⁴個并且優(yōu)選地1×10¹⁵或更多個有效成核位點/立方厘米的非發(fā)泡聚合物基質材料(成核密度)的聚合泡沫，并且使其膨脹以具有大于0.70(或當表示為百分率時，70％)的孔隙率。當制備具有納米大小的泡孔的泡沫時，誘導所需數(shù)目的成核位點并且獲得所述孔隙率可能是一種挑戰(zhàn)。