复合的热防护体系和方法技术

一种能保护基材免受喷射火焰的复合体系，其包括下层活性防火材料和上层防火材料。上层当暴露于喷射火焰时形成开孔基体，使得气体能经下层通到环境中。上层包括耐火材料的填料，并在最初暴露于高温条件过程中保护该体系。上层当暴露于高温条件时膨胀，但其膨胀小于下层。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
复合的热防护体系和方法
本专利技术涉及热防护涂层。它特别是用作基材上的涂层，保护基材免受极度的高强度、高速的过热条件的影响。
技术介绍
提供防火和防其它高热的各种组合物是已知的。最近，这种组合物通常包括高分子粘合剂，并当暴露于火焰或高温条件时会炭化。炭化组合物有各种不同的方法。在Deogon的美国专利No.5591791中公开了数种炭化的耐火涂层。简而言之，这种涂层是烧蚀涂层，当暴露于火或其他的高热时，该涂层可膨胀(swell)到其起始厚度的小于2倍；膨胀型涂层如Nielsen等的美国专利268077、Kaplan的美国专利3284216或Ward等的美国专利45294679中披露的那些，这种涂层膨胀产生的炭化层比涂层起始厚度大5倍；以及在Feldman的美国专利3849178中披露的升华(subliming)成炭涂层，该涂层经历吸热相变并使其起始厚度膨胀2-5倍，形成连续的多孔基材。这种膨胀型和升华型涂层被称为“活性”的热防护涂层。有时也将该涂层施加到中间体结构体上，然后再覆盖到基材上，正如Feldman的美国专利4493945所述。在特定的热通量、环境和温度条件下，在预定的组合物厚度下，给定的温度升高所要求的时间是该组合物对下部基材提供热防护的有效量度。最后，通过物理腐蚀和通过化学过程消耗炭并显著降低保护作用，所述化学过程例如通过空气中的氧气和通过涂层或者在火焰环境内产生的自由基的氧化。在炭被全部消耗之前，炭层的分解留下碎屑且没有维持其本身的必需强度，从而被排出或简单地脱落(剥落)使之失效。为了应用这些热防护涂料物质，已采用或提出许多方法和结构。最常见的途径是将这些物质直接施加到基材上，而不需要附加结构。但对于许多应用来说，在涂料材料中包埋入一种增强材料，如玻璃纤维织物、石墨织物或铁丝网以加固这种材料，并防止其在火焰或极热条件下破裂或从基材上脱落。在Feldman的美国专利No.3022190、Billing等的美国专利No.3913290、-->Kaplan的美国专利No.3915777和Billing等的美国专利No.4069075中可找到这种途径的实例。有时先将该材料施加到一种增强结构(如弹性带或弹性铁丝网)上，并将结合的结构覆盖到基材上。在Feldman的美国专利No.3022190、Peldow的美国专利No.4018962、Peterson等的美国专利No.4064359、Castle的美国专利No.4276332和Fryer等的美国专利No.4292358中可找到这种途径的实例。在后面所述的这些体系中，增强结构的目的可以是既加固所得复合材料，又允许将其施加到一种基材上，而不需要将未固化的涂料直接在基材上喷涂、镘抹或上漆。在前述任何一种方法和结构体中，通常会在基材上施加多层以提供附加的保护。但目前已知的材料和方法对于给定重量的保护材料不能有效提供所需的长时间保护。有效性特别重要，这是因为在许多应用中，重量或体积受到严格限制。而且，用高负载阻燃涂料严重损害其物理特性，并且例如通过限制其成膜特性或其耐水性，从而限制其作为涂料的适用性。在某些极端的火焰条件下，所有这些已知的涂料体系要求过大的厚度和重量以提供充分的防护。可发生这种极端的火焰条件的环境之一是从一个地方运送可燃压缩气体或液体(典型的是烃)到另一地方的输送管道附近。管道的破裂或阀门或接头的故障可导致高温、高热通量、高速燃烧，这常被称为“喷射火焰”。若破裂或开口处的压差大于2∶1(two-to-one)，则在孔隙处产生流动阻塞情况，和在孔隙的下游处产生气体的超音速流动。这些高速气体的热通量的数量级为约300-320Kw/m2，和温度可典型地为1000℃-1500℃。定义喷射火焰和描述评价防护涂料体系有效性的试验方法，现在已有标准。一个重要的标准是OTI 95 634“Jet Fire Resistance Test Of Passive FireProtection Materials”(Health and Safety Executive(UK)，OffshoreTechnology Report，1996)。该文献在此引入参考。当暴露于喷射火焰的温度、热通量和气动剪切应力时，目前已知的涂料体系会腐蚀并快速被消耗或剥落和脱落。烧蚀涂层倾向于产生具有良好物理和化学抗性的致密炭，但在标准的喷射火焰试验中，发现它们使得下部基材可能在非常短的时间内到达临界温度。在暴露于极热而膨胀的活性涂层的情况下，通常以裂缝形式分解，而在炭中形成的裂缝是由于高的热梯度产生的差热应力和因剪切力引起的快速腐蚀的结果。为了提高当暴露于极热过程中炭层的强度，和为了限制散裂和裂缝，长-->期以来在涂料材料中掺入织物。正如在Feldman的美国专利No.5622774中所述，玻璃纤维织物在许多高温应用中具有便宜、容易安装和增强作用。但喷射火焰将织物升高到高于玻璃软化点的温度(约870℃)，玻璃纤维织物崩解。因此要求用其它织物。如前述的Feldman的美国专利No.5622774和在Castle等的美国专利No.5590648、Boyd等的美国专利No.5433991和Kobayashi等的美国专利No.5401793中所教导的石墨布是一种选择。石墨布可以或者是基本上纯的碳或者是前体材料，这是本领域中公知的。也可使用耐火材料如石英(Refrasil)织物。金属网便宜而被广泛使用，但它重且难以安装。但即使用织物或网状物增强时，已知的防护体系在防喷射火焰方面不是非常有效的，因此要求厚而重的涂层以提供保护，即使是有限的保护。此处所提及的专利全部在此引入参考。专利技术概述本专利技术一个实施方案的目的之一是提供热防护体系，其在防喷射火焰方面比目前已知的体系更有效。根据下述说明，其它目的对本领域的技术人员来说是显而易见的。根据本专利技术的一个方面，一般说是提供一种能保护基材免受喷射火焰的复合体系，该体系包括活性的防火材料下层和烧蚀的防火材料上层，烧蚀材料当暴露于喷射火焰时形成开孔基材，使得气体可从下层通到环境中。根据本专利技术的另一方面，一般说是提供一种能保护基材免受喷射火焰的复合体系，该体系包括活性的防火材料下层和活性的防火材料上层，当下层暴露于火焰或其它高温条件时发生膨胀，当上层暴露于火焰或其它高温条件时也膨胀，但上层的膨胀小于下层，上层填充的耐火材料占上层重量的至少约7wt％。根据本专利技术的另一方面，提供一种保护基材免受高温的方法，其包括：第一步是将第一种活性的热防护组合物层覆盖到基材上，然后第二步是将第二种活性的热防护组合物上层覆盖到上述第一层上，该第二种组合物包含耐火材料的填料，其占第二种组合物重量的至少约7wt％。第一种组合物和第二种组合物均优选包含高分子粘合剂和成气剂，且第二种组合物包含的成气剂小于第一种组合物。在一些实施方案中，高温网状物或织物增强剂被包埋入复合体系中。增-->强剂可以是多种材料。在一个实施方案中，它是石墨。在另一实施方案中，它是金属如镀锌钢。在其它实施方案中，它是各类玻璃纤维；高温聚合物如聚酰亚胺、聚苯并咪唑或聚酰胺如Kevlar；陶瓷如氧化硅或氧化锆；或硅氧烷或这些材料的结合。也可使用其它网状物或织物增强剂，而该增强剂可以自由浮动在复合材料中或本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种保护基材免受火焰或其它高温条件的复合体系，该体系包括活性防火材料下层和烧蚀的防火材料上层，烧蚀材料当暴露于高温条件时，形成开孔基体，使得气体能经下层通到环境中。

【技术特征摘要】
US 2000-12-22 60/258,1381.一种保护基材免受火焰或其它高温条件的复合体系，该体系包括活性防火材料下层和烧蚀的防火材料上层，烧蚀材料当暴露于高温条件时，形成开孔基体，使得气体能经下层通到环境中。2.权利要求1的体系，其中上层包括至少约7wt％的惰性填料。3.权利要求1的体系，其中上层包括至少15wt％的惰性填料。4.权利要求1的体系，其中上层包括至少20wt％的惰性填料。5.权利要求2的体系，其中惰性填料选自玻璃、石墨和陶瓷。6.权利要求2的体系，其中惰性填料通过上层增加热的再辐射。7.权利要求1的体系，其中该体系能防喷射火焰的时间比与上层或者下层厚度相同的涂层所能防的时间至少多30％。8.权利要求1的体系，进一步包括包埋在体系内的网状物或织物增强剂。9.权利要求1的体系，其中下层厚度为约1-约25mm。10.权利要求1的体系，其中下层厚度为约2-约15mm。11.权利要求10的体系，其中上层厚度为约2-约6mm。12.权利要求1的体系，其中上层厚度为约1-约25mm。13.权利要求1的体系，其中上层厚度为约1-约6mm。14.一种能保护基材免受喷射火焰的复合体系，该体系包括活性防火材料下层和活性防火材料上层，其中下层当暴露于火焰或其它高温条件时膨胀，上层当暴露于火焰或其它高温条件时也膨胀，但上层的膨胀小于下层，上层包含填充的耐火材料占上层重量的至少约7wt％。15.权利要求14的体系，其中上层包括至少15wt％的耐火材料。16.权利要求14的体系，其中惰性填料选自玻璃、石墨和陶瓷。17.权利要求14的体系，其中该体系能防喷射火焰的时间比与上层或者下层厚度相同的涂层所能防的时间至少多30％。18.权利要求14的体系，进一步包括包埋在体系内的网状物或织物增强剂。19.权利要求14的体系，其中下层厚度为约1-约25mm。20.权利要求14的体系，其中下层厚度为约2-约6mm。21.权利要求20的体系，其中上层厚度为约2-约6mm。22.权利要求14的体系，其中上层厚度为约...

【专利技术属性】
技术研发人员：爱德华W泰勒，鲁宾费尔德曼，小詹姆斯A里普，
申请(专利权)人：核化学公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]