无机基体组合物和掺入所述基体组合物的复合材料制造技术

用于形成无机网络基体的改性碱金属硅酸盐组合物。所述改性碱金属硅酸盐基体是通过碱金属硅酸盐（或其前体如碱金属氢氧化物、ＳｉＯ＃－［２］源和水）、酸性无机组合物如反应性酸性玻璃、水和可选的填料、添加剂和加工助剂反应制成的。可通过将所述改性碱金属硅酸盐组合物的水浆涂于增强介质之上并施加固结成所要形式所需温度和压力制备无机基体复合材料。所述复合材料可通过压塑以及其它已知制造方法成型。本发明专利技术值得注意的方面在于虽然由本发明专利技术制备的复合材料和纯树脂组分可显示出高达１０００℃和更高的优异尺寸稳定性，但它们可在有机聚合物加工所特有的较低温度和压力下制备。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
技术介绍
本专利技术涉及掺入硅酸盐网络的无机基体组合物，可在与典型的高性能有机聚合物加工所用加工条件(温度15至200℃和压力＜200psi或1.378MPa)相当的加工条件下加工，但可采用宽温度和压力范围。可通过提高加工温度(高达400℃和更高)和压力(高达20000psi(137.895MPa)和更高)生产特别的复合材料和纯树脂组分增强所述无机基体粘合剂以及复合材料的物理和热性质。在较低加工条件下形成的复合材料显示出极好的热、尺寸、物理和防火性能。无机基体适合用作阻燃粘合剂、疏松材料、粘合剂或复合材料。作为疏松材料，用于形成成型物品，固化时提供结构材料。作为复合材料，用所述基体组合物浸渍织物(可与其它类似浸渍织物组合)形成层叠复合材料，然后成型和固化形成成型物品，与疏松材料类似，但利用织物提供的增强作用。复合材料的基本概念已经知道几个世纪。复合材料提供增值特性如重量减轻、电绝缘、热绝缘、耐腐蚀性、和节省生产成本的独特融合。某些情况下这些特性在例如从先进的运动设备至F-22飞船机身的特殊应用中可能比材料成本更重要。但现有技术的复合材料可能仍显示出给进入某些高性能市场带来严重障碍的性能。这些包括火焰、烟和毒性(FST)性能差、在高温下物理降解以及材料和加工成本较高。暴露于火和高温(＞500℃)时，传统复合材料可能燃烧而产生有毒的烟和/或气体。诸如陶瓷基体复合材料和金属基体复合材料等例外太贵(通常高于$500/lb)而不能获得很大的市场。显然，市场需要可买得起的耐高温绝缘结构。目前最常见的复合材料体系是基于有机聚合物基体如环氧/玻璃纤维、环氧/碳纤维、聚氨酯/玻璃纤维、PVC/玻璃纤维、聚酰亚胺/石英纤维、聚酯/玻璃纤维和尼龙/玻璃纤维。虽然有机聚合物复合材料显示出极好的物理和机械性能，但它们在可燃性、产生烟和气体及升高使用温度方面受到限制。可通过加入无机组分和/或添加剂降低有机聚合物基复合材料的可燃性。用卤原子(例如氯)取代烃和烃类聚合物中的氢原子可显著降低可燃性和烟/气体的产生，但在高温(＞250℃)下降解，在更高温度(＞450℃)最终焚化。有机热塑性聚合物还在较低温度(100至300℃)下变形，设计用于较高使用温度的有机聚合物一般原料和加工成本太高。其它复合材料包括金属基体复合材料(MMC)、陶瓷基体复合材料(CMC)、碳-碳复合材料以及其它无机基体复合材料。复合材料基体可以是100％无机物，也可含有一些有机物。无机基体网络包括陶瓷、硅酸盐、玻璃、硅酸铝、碱金属硅酸铝、硅酸钾、硅酸钠、碳化硅、氮化硅、氧化铝、胶结材料、金属、金属合金或本领域已知的其它基体材料。其它材料可认为包括用无机粘合剂包封的无机粒子、填充无机填料的有机树脂、无机-有机杂化物如硅酮、和本领域己知的其它无机基体材料。有机聚合物的缺点是其在高温下的缺陷。使用金属和陶瓷在导热和导电性、重量限制、韧性、介电性能、延展性、和可加选择性方面带来其它问题。此外，与有机聚合物加工相反，陶瓷不适合于低温处理过程。需要兼备陶瓷(不燃性、耐温性＞450℃)和有机聚合物(低温加工、复杂形状)的理想特征的可在比用于有机物的典型加工温度和压力(＜200℃和＜200psi或1.378MPa)更低的温度下加工的不燃性耐温无机聚合物配混料。碱金属硅酸盐用作可买得起的无机基体粘合剂材料。参见例如US4472199；4509985；4888311；5288321；5352427；5539140；或5798307(Davidovits)；US4936939(Woolum)；或US4284664(Rauch)。但碱金属硅酸盐典型地有极高的pH。因此，这些碱性溶液如此苛性以致它们损坏玻璃纤维，严重降低强度。此外，按这些公开文献制备的固化复合材料试样在固体形式仍显示出高pH。Rauch已公开在碱金属硅酸盐溶液中加入非反应性硼硅酸盐玻璃，但所提及的玻璃是Pyrex(一种惰性材料)。专利技术概述本专利技术是发现可用碱金属硅酸盐(alkali silicate)、反应性酸性玻璃和水的反应产物的组合物获得无机聚合物网络的结果。所述碱金属硅酸盐可通过两种方式制备(1)作为碱金属氢氧化物或氧化物、二氧化硅源和水的反应产物，或(2)用商购或预制的碱金属硅酸盐如Kasil-1、硅酸钠、硅酸钾薄片等及其组合。此外，可用碱金属硅酸盐(或其前体)、反应性酸性玻璃和水的混合物、以及胶凝抑制剂和其它网络形成材料和改性剂的水浆获得无机硅酸盐/玻璃复合材料。本专利技术所述耐热性无机基体组合物掺入硅酸盐网络和无定形磷酸盐玻璃网络，可在宽温度和压力范围内加工。本专利技术的有用特征是能生产可耐得住1000℃温度而且不燃烧的高温树脂和复合部件。所述基体以及由所述基体材料制成的复合材料显示出一般仅限于陶瓷的性能但在典型用有机聚合物组合物的温度下固化。此外，所述固化的基体组合物不象大多数碱金属硅酸盐体系那些呈碱性，而可配制成接近中性，典型的pH低于8。加入酸性玻璃特别是有良好的物理和机械性能的酸性玻璃可产生用于高温应用和独特固体材料和组件。在所述硅酸盐混合物中加入固体反应性玻璃粉可使非硅酸盐网络的负载高得多而且减小所述混合物过早胶凝的趋势。所述基体内两或多种网络组合赋予韧性、接近中性至中性的pH、增强的耐温性(树脂和复合材料＞1000℃)和水解稳定性。碱金属硅酸盐/玻璃基复合材料可通过以下方法制备将所述改性碱金属硅酸盐/玻璃基体前体的水浆涂于增强介质如连续或不连续的玻璃或碳纤维层之上。在可选的B-阶段之后，用适合使所述材料固结成复合材料的温度和压力下使所述复合材料固化。术语“B-阶段”是复合材料技术中常用术语，用于描述使聚合物基体反应并进行至尚未达到完全固化聚合物网络的部分聚合中间阶段的实践。也可装入真空袋中辅助脱水和固结。可根据需要利用压塑以及其它典型模塑方法使所述复合材料成型。所得纯树脂和/或复合材料显示出高达1000℃和更高的热稳定性(取决于配方和加工)，而且在火焰、烟和毒性方面有极佳性能。此外，用本专利技术所述形成无机聚合物网络的组合物制成的复合材料重量轻，而且有良好的热和电绝缘特性。各种型材的制造费用较低，主要是因为使所述复合材料固化所需温度和压力低。另一种备选的组合物是所述碱金属碱、二氧化硅源、酸性含氧阴离子化合物如磷酸和多价阳离子化合物如硝酸镁的液态混合物，使之干燥成脆性物质并研成粉。使所述树脂粉与玻璃粉混合，在有或没有补强材料的情况下制成有用形状，根据需要使之固化形成耐温制剂。所述组合物还适合用作粘合剂组合物、涂料、纯树脂或模塑料(moldingcompound)。本专利技术组合物适用于要求热和物理稳定性好的那些应用，如使用陶瓷复合材料的那些应用。专利技术详述本专利技术所述无机聚合物网络是通过碱金属硅酸盐溶液、反应性酸性玻璃、水和可选的添加剂如粘土和/或氧化物填料反应制备的。或者备选地，二氧化硅源、碱金属碱、水和反应性酸性玻璃反应也可产生高温无机聚合物网络。通过将含水的碱金属硅酸盐(或其前体)、反应性酸性玻璃(加上任何需要的添加剂)和水的浆液涂于增强介质之上制成可在宽温度和压力范围内加工的复合材料。固化之前可通过各种可用模塑方法中的任一种使所述复合材料成型。所述硅酸盐/玻璃聚合物组合物可在较低温度和压力(即＜200℃和＜本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无机基体组合物，包含碱金属硅酸盐和／或碱金属硅酸盐前体、反应性酸性玻璃、水、和可选的粘土和／或氧化物填料的反应产物。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：克雷格L卡特赖特，安东尼M马扎尼，约翰W鲁滨逊，
申请(专利权)人：豪富公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]