阅读说明：本技术 包含气凝胶的复合绝热片材 (Composite thermal insulation sheet comprising aerogel ) 是由 吴景实 李悌均 韩炳旭 全容奭 朴祥佑 金重年 于 2018-08-21 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种包含气凝胶的复合绝热片材及其制造方法。本发明提供了一种超薄气凝胶复合片材,该超薄气凝胶复合片材具有低粉尘、高强度和高绝热特性,从而具有提高的用于电子设备的实用性。(The present invention relates to a composite thermal insulation sheet comprising aerogel and a method of manufacturing the same. The present invention provides an ultra-thin aerogel composite sheet having low dust, high strength, and high thermal insulation characteristics, thereby having improved practicality for electronic devices.)

包含气凝胶的复合绝热片材

对相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年11月28日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请10-2017-0160077的权益，该韩国专利申请的公开内容通过引用全部并入本说明书。

技术领域

本发明涉及包含气凝胶的复合绝热片材及其制造方法。

背景技术

电子产品如笔记本电脑、OLED和TV具有由热源产生的热点，使得消费者的感受性可能因装置表面上的局部热释放而变差。此外，当使用简单的绝热材料不适当地扩散到外部时，过度积累的热量可能导致系统故障，缩短产品的寿命，或在严重情况下引起***或火灾。已经应用各种绝热材料来解决由发热引起的此类问题。但是，迄今为止仍未开发出薄且绝热性能优异的最佳绝热材料。因此，仍在进行各种研究和技术开发。

为了解决此类典型问题，本发明试图通过应用作为高效绝热材料引起关注的气凝胶来解决上述问题。

气凝胶是由纳米粒子组成的高度多孔的材料，具有高孔隙率、比表面积和低热导率，因此作为高效的绝热材料、隔音材料等等受到关注。

同时，由于气凝胶因其多孔结构而具有很低的机械强度，所以制备和使用气凝胶复合材料，通过用气凝胶浸渍纤维如无机纤维或有机纤维(其是常规的绝热纤维)获得了气凝胶复合材料。但是，此类气凝胶复合材料在纤维与气凝胶之间的粘合性差，使得气凝胶粒子在诸如切割和弯曲的加工过程中分离，导致产生粉尘和耐久性变差，这在用作电子产品等等的绝热材料时会导致设备损坏。

因此，为了解决上述问题，本发明提供了一种气凝胶复合片材，其具有低粉尘、高强度和高绝热特性以提高其对电子设备的适用性。

[现有技术文献]

(专利文献1)US 8,021,583 B2(2011年9月9日)

发明内容

技术问题

本发明的一个方面提供了一种具有低粉尘、高强度和高绝热特性以便用于电子设备的超薄复合绝热片材，以及其制造方法。

技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种复合绝热片材，其包括气凝胶片材、在所述气凝胶片材的一个表面上形成的溶胶不渗透性涂层和在所述气凝胶片材的另一个表面上形成的一个或多个功能层。

根据本发明的另一方面，提供了一种制造复合绝热片材的方法，该方法包括：在纤维片材的一个表面上形成溶胶不渗透性涂层；用溶胶和催化剂浸渍所述纤维片材的另一个表面；通过使浸渍的片材凝胶化，形成湿凝胶片材；通过干燥所述湿凝胶片材，形成气凝胶片材；和在所述气凝胶片材上形成一个或多个功能层。

有益效果

根据本发明的复合绝热片材，通过在一个表面上形成的溶胶不渗透性涂层而减少了粉尘生成，从而可以提供高绝热效率和加工便利性。

此外，根据本发明的复合绝热片材，通过所述涂层改善了机械强度，从而可以提高耐久性。

此外，根据本发明的复合绝热片材，可以通过功能层确保其它的必要功能。

附图说明

本文中所附的以下附图通过实施例阐述了本发明的优选实施方案，并与下文中给出的本发明的详细描述一起用于使本发明的技术概念得到进一步理解，因此，本发明不应仅用这些附图中的事项来解释。

图1是显示实施例与对比例的复合绝热片材的热导率的曲线图。

具体实施方式

在下文中，将更详细地描述本发明以便于理解本发明。在此情况下，应当理解的是，说明书和权利要求中使用的词语或术语不应解释为具有常用词典中定义的含义。还要进一步理解的是，基于发明人可以恰当地定义词语或术语的含义以便最好地解释本发明的原则，该词语或术语应解释为具有与相关技术的背景和本发明的技术构思中的含义一致的含义。

通常，电子产品可能具有由热源产生的热点，使得品质可能因装置表面上的局部热释放而劣化。因此，本发明意在使用气凝胶片材作为高效绝热材料。

但是，气凝胶片材在纤维与气凝胶之间的粘合性差，使得气凝胶粒子在诸如切割和弯曲的加工过程中分离，并且气凝胶片材具有导致耐久性变差的低劣强度。因此，限制了其作为绝热材料应用于电子产品等等。

因此，本发明的一个方面提供了一种超薄复合绝热片材，其具有低粉尘、高强度和高绝热特性以便广泛用于电子产品，还提供了制造它的方法。

在下文中，将详细描述本发明的复合绝热片材及其制造方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种复合绝热片材，其包括气凝胶片材、在所述气凝胶片材的一个表面上形成的溶胶不渗透性涂层和在所述气凝胶片材的另一个表面上形成的一个或多个功能层。

为了减少粉尘生成(这是一个典型的问题)，本发明的复合绝热片材的特征在于在气凝胶片材的一个表面上引入溶胶不渗透性涂层。

具体而言，所述涂层包括选自聚酰胺(PA)、聚乙烯(PE)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰亚胺(PI)和硅的一种或更多种。

所述涂层的特征尤其在于是溶胶不可渗透的。当溶胶在气凝胶片材的制备过程中浸透到有机或无机纤维中时，本发明的涂层防止溶胶穿透纤维并向外流动，从而防止气凝胶暴露于气凝胶片材的表面，并实现低粉尘特性。同时，另一个表面(其上没有形成所述涂层)可以通过要描述的功能层防止气凝胶暴露于外部。

此外，所述涂层可以用于补充该气凝胶片材的机械强度(由于气凝胶的多孔结构，气凝胶片材的机械强度很低)。该涂层可以通过提高复合绝热片材的机械强度来改善耐久性。

同时，本发明的溶胶不渗透性涂层的厚度为30μm或更小，更特别为10至20μm。当所述溶胶不渗透性涂层的厚度大于上述范围时，复合绝热材料的绝热性能可能劣化，并可能限制其应用于需要超薄绝热材料的电子产品。另一方面，当厚度小于上述范围时，改善机械强度的效果不显著，使得耐久性可能不佳。

在本发明中，能够形成溶胶的材料可以包括选自氧化锆、氧化钇、二氧化铪、氧化铝、二氧化钛、二氧化铈、二氧化硅、氧化镁、氧化钙、氟化镁和氟化钙的一种或更多种无机材料。

此外，所述溶胶可以包括含有硅的醇盐基化合物(alkoxide-basedcompound)，具体地，硅酸四烷基酯如原硅酸四甲酯(TMOS)、原硅酸四乙酯(TEOS)、预水解的TEOS、原硅酸甲基三乙基酯、原硅酸二甲基二乙基酯、原硅酸四丙酯、原硅酸四异丙酯、原硅酸四丁酯、原硅酸四仲丁酯、原硅酸四叔丁酯、原硅酸四己酯、原硅酸四环己酯和原硅酸四(十二烷基)酯。

此外，可以用于制造本发明的二氧化硅溶胶的醇具体可以为一元醇，如甲醇、乙醇、异丙醇和丁醇；或多元醇，如甘油、乙二醇、丙二醇、二乙二醇、二丙二醇和山梨醇，并可以使用任意一种或其两种或多种的混合物。当考虑其与水和气凝胶的溶混性时，该醇可以是具有1至6个碳原子的一元醇，如甲醇、乙醇、异丙醇和丁醇。上述醇(极性有机溶剂)可以鉴于最终制得的二氧化硅气凝胶的疏水性程度以适当的量使用，同时促进表面改性反应。

此外，本发明的复合绝热片材可以包括在所述气凝胶片材另一个表面上的一个或多个功能层。

同时，当电子产品通过使用简单的绝热材料不能适当地将生成的热扩散至外部时，过度积聚的热量可能导致系统故障，缩短产品的使用寿命，或在严重的情况下引起***或火灾。

因此，本发明提供了一种复合绝热层，其中功能层层压在另一个表面上，在这个表面上没有形成所述复合绝热片材的溶胶不渗透性涂层，从而具有优异的绝热性能，并由于不产生粉尘而防止对设备的损坏。此外，根据本发明的复合绝热层具有如下的结构特征，其中由于热绝缘而防止设备中的热量积聚，从而防止对该设备的损坏。

具体而言，所述功能层可以表现出选自热扩散、绝缘、吸音、抗振性、不透水性和对水蒸汽的渗透性中的一种或多种功能，并且本发明的复合绝热片材可以包括不限于上述功能并可以表现出要使用其的电子产品中所需功能的功能层。

同时，当所述功能层不透水时，本发明的复合绝热片材可以防止水渗透到电子元件中来防止对电子元件的损坏，而当所述功能层对水蒸汽可渗透时，由于防止了水蒸汽在电子元件中冷凝而可以防止电子元件被损坏。不可透水而对水蒸汽可渗透的层可以包括纤维素材料。

在本发明的复合绝热片材中包括的气凝胶片材中，该片材可以使用无机纤维、有机纤维或其组合。

更具体而言，所述片材可以是膜、片材、网状物、纤维、多孔体、泡沫、非织造体或它们中的两层或多层的层压品。此外，根据用途，可以在其表面上形成表面粗糙度或图案化表面粗糙度。该片材可以是能够通过包含空间或空隙来进一步改善绝热性能的纤维，溶胶可以通过所述空间或空隙容易地嵌入该片材中。另外，本发明的片材可以优选具有低热导率。

具体而言，可用于本发明的纤维片材可以是聚酰胺、聚苯并咪唑、芳族聚酰胺、丙烯酸类树脂(acryl resin)、酚醛树脂、聚酯、聚醚醚酮(PEEK)、聚烯烃(例如聚乙烯、聚丙烯或其共聚物等等)、纤维素、碳、棉、羊毛、麻、非织造织物、玻璃纤维或陶瓷棉。

同时，本发明的气凝胶片材的厚度为3毫米或更小，具体为2毫米或更小，更具体为1毫米或更小。当所述气凝胶片材的厚度大于上述范围时，可能限制其应用于需要超薄绝热材料的电子产品，而当该厚度小于上述范围时，由于极低的机械强度而耐久性可能劣化，并且绝热性能可能不佳。

此外，本发明的复合绝热片材的厚度为3毫米或更小，具体为2毫米或更小，更具体为1毫米或更小。当所述复合绝热片材的厚度大于上述范围时，其可能难以应用于需要超薄绝热材料的电子产品，而当该厚度小于上述范围时，加工性能可能劣化。

此外，本发明提供了一种制造所述复合绝热片材的方法。

具体而言，制造本发明的复合绝热片材的方法包括：在纤维片材的一个表面上形成溶胶不渗透性涂层；用溶胶和催化剂浸渍所述纤维片材的另一个表面；通过使浸渍的片材凝胶化，形成湿凝胶片材；通过干燥所述湿凝胶片材，形成气凝胶片材；和在所述气凝胶片材上形成一个或多个功能层。

更具体而言，所述溶胶不渗透性涂层可以通过将纤维放置在其上附着有离型纸的涂层上并随后进行热处理而形成。

在这种情况下，所述离型纸是通过与粘合带、粘合纸或标签等的粘性表面接触以保护粘性表面的材料，并在使用时被剥离掉以完成其用途。

在形成本发明的溶胶不渗透性涂层的方法中，该离型纸用于从根本上防止气凝胶暴露于该气凝胶片材的表面。

具体而言，在如下情况下，其中在离型纸不存在下在纤维片材的一个表面上形成涂层，然后将包含溶胶与催化剂的溶液浸渍在该纤维片材的另一个表面上，当该溶液过量至该纤维片材不能浸渍了所有溶液的程度时，由溢出该纤维片材的溶胶在该涂层的表面上形成气凝胶，使得该涂层被污染，并且在这种情况下，该涂层不能充分防止粉尘产生。

因此，在制造本发明的复合绝热片材的方法中，制备包含涂层材料的离型纸，而后将纤维放置在该涂层材料上，接着进行热处理以在纤维片材的一个表面上形成涂层。接着，在凝胶化完成后将附着在该涂层上的离型纸除去，以防止该涂层的表面被污染。

随后，将溶胶和催化剂浸渍到纤维片材的另一个表面中，并将浸渍的片材凝胶化以形成湿凝胶片材。

本发明的催化剂通过提高溶胶的pH促进了凝胶化，具体而言，可以使用碱性催化剂。

所述碱性催化剂可以是无机碱，如氢氧化钠和氢氧化钾；或有机碱，如氢氧化铵。但是，在无机碱的情况下，化合物中包含的金属离子可能与Si-OH化合物配位。因此，可以优选有机碱。具体而言，所述有机碱可以是氢氧化铵(NH₄OH)、四甲基氢氧化铵(TMAH)、四乙基氢氧化铵(TEAH)、四丙基氢氧化铵(TPAH)、四丁基氢氧化铵(TBAH)、甲胺、乙胺、异丙胺、单异丙胺、二乙胺、二异丙胺、二丁胺、三甲胺、三乙胺、三异丙胺、三丁胺、胆碱、单乙醇胺、二乙醇胺、2-氨基乙醇、2-(乙基氨基)乙醇、2-(甲基氨基)乙醇、N-甲基二乙醇胺、二甲基氨基乙醇、二乙基氨基乙醇、三乙醇胺、2-(2-氨基乙氧基)乙醇、1-氨基-2-丙醇、三乙醇胺、单丙醇胺或二丁醇胺，并可以使用任意一种或其两种或多种的混合物。更具体而言，本发明的碱可以是氢氧化铵(NH₄OH)。

同时，本发明可以进一步包括老化步骤，在该老化步骤中二氧化硅凝胶保存在合适的温度下，从而可以彻底完成其化学变化以提高机械稳定性，其后，本发明可以进一步包括表面改性步骤，在该表面改性步骤中凝胶的表面被疏水化以抑制吸收空气中的湿气，从而保持低热导率。

而后，可以对所述湿凝胶片材进行干燥，来形成气凝胶片材，该干燥可以通过常压干燥或超临界干燥来进行。

最后，可以在所述气凝胶片材上形成一个或多个功能层，从而形成包括气凝胶片材的复合绝热片材，该气凝胶片材具有在其一个表面上形成的溶胶不渗透性涂层和在其另一个表面上形成的功能层。

在下文中，将详细描述本发明的实施例，以使本领域技术人员可以容易地实施本发明。但是，本发明可以体现为许多不同的形式，并且不限于本文中所述的实施例。

实施例1

将聚对苯二甲酸乙二醇酯(有机纤维)放置在包含离型纸的聚酰胺膜上并在150℃下热处理，以制备具有在其一个表面上形成的聚酰胺涂层的聚对苯二甲酸乙二醇酯。

接着，将原硅酸四乙酯、乙醇、水和HCl混合以制备二氧化硅浓度为20％的预水解的TEOS(HTEOS)，并将该HTEOS、乙醇和水以1:2.25:0.35的重量比混合来制备二氧化硅(SiO₂)浓度为4％的二氧化硅溶胶。

将二氧化硅溶胶和碱催化剂溶液(乙醇:氨水的重量比＝210:1，基于HTEOS为0.44重量％)喷涂在另一个表面上，在该表面上聚对苯二甲酸乙二醇酯的聚酰胺涂层没有形成，然后诱发凝胶化以制造湿凝胶片材。花费大约10分钟来完成凝胶化。同时，在此时确认了二氧化硅溶胶不能穿过该涂层。在凝胶化完成后，除去离型纸，在50至70℃的温度下将湿凝胶片材放置在基于二氧化硅溶胶的体积80％至90％的氨溶液(2-3vol％)中1小时以进行老化，随后在50至70℃的温度下放置在基于二氧化硅溶胶的体积80％至90％的六甲基二硅氮烷(HMDS)溶液(2-10vol％)中4小时以进行疏水反应。在疏水反应完成后，将该二氧化硅湿凝胶放置在7.2升的超临界萃取器中，并向其中注入CO₂。其后，在达到50℃和100巴时，以0.4升/分钟的速率注入CO₂，乙醇被萃取并被干燥。在干燥完成后，排出CO₂以制造气凝胶片材。

石墨片材作为热扩散材料附着到该气凝胶片材上以制造复合绝热片材。

实施例2

除了使用玻璃纤维(无机纤维)取代聚对苯二甲酸乙二醇酯(有机纤维)之外，以与实施例1相同的方式制造复合绝热片材。

对比例1

除了不形成涂层外，以与实施例1相同的方式制造复合绝热片材。

对比例2

除了不形成涂层外，以与实施例2相同的方式制造复合绝热片材。

对比例3

以与实施例1相同的方式制备具有聚酰胺涂层的聚对苯二甲酸乙二醇酯。

对比例4

以与实施例2相同的方式制备具有聚酰胺涂层的玻璃纤维。

对比例5

制备实施例1的聚对苯二甲酸乙二醇酯片材。

对比例6

制备实施例2的玻璃纤维片材。

[表1]

	是否包含气凝胶	纤维类型	是否包含涂层
				实施例1	O	聚对苯二甲酸乙二醇酯	O
实施例2	O	玻璃纤维	O
				对比例1	O	聚对苯二甲酸乙二醇酯	X
对比例2	O	玻璃纤维	X
				对比例3	X	聚对苯二甲酸乙二醇酯	O
对比例4	X	玻璃纤维	O
				对比例5	X	聚对苯二甲酸乙二醇酯	X
对比例6	X	玻璃纤维	X

试验实施例1：粉尘生成测量

将实施例1和2与对比例1和2中制造的各个复合绝热片材切割成12厘米×12厘米的尺寸以制备样品。使用自制振动测试仪(ASTMC592-04)在24Hz/3mm和6小时的振动条件下测量由振动引起的减重率。结果显示在下面表2中。

*减重率(％)＝[(复合绝热片材的初始重量–振动测试后复合绝热片材的重量)/(复合绝热片材的初始重量)]×100。

[表2]

	实施例1	实施例2	对比例1	对比例2
					减重率(％)	0.0	0.0	0.32	0.35

如表2中所示，本实施方案的复合绝热片材显示没有重量减少。因此，可以看到几乎不产生粉尘。

可以预期，这是由于在本发明的复合绝热片材中包含的气凝胶片材的一个表面上形成的溶胶不渗透性涂层。

试验实施例2：热导率测量

对实施例1和2与对比例1和2以及对比例3至6中制备的各个气凝胶片材，使用NETZSCH Co.的热流计(HFM)456测量室温热导率，结果显示在表3和图1中。

[表3]

如表3和图1中所示，当与本发明的实施方案相比，对比例5的不包含气凝胶的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)有机纤维和对比例6的不包含气凝胶的玻璃纤维(GF)无机纤维具有非常高的热导率。因此，可以看到，纤维片材独自不具有优异的绝热性能。

同时，在对比例3(其中对对比例5和6各自形成涂层)的情况下，热导率得到了相当大的提高。因此，可以看出，绝热性能劣化。

另一方面，证实了本发明的实施例1和2的复合绝热片材具有极低的热导率，由此具有优异的绝热性能。由于本发明的热导率等于或低于其中不形成涂层的对比例1和2的热导率。可以看出，由于形成该涂层，热导率并未提高。

因此，可以看出，本发明的复合绝热片材能够确保低粉尘和高强度的特性，同时防止绝热性能劣化。

为了说明的目的已经给出了本发明的上述描述。本领域技术人员将理解的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以在形式和细节方面进行各种改变。因此要理解的是，上述实施方案在所有方面均是说明性的而非限制性的。