[发明专利]具有高孔密度且不含纳米填充剂的纳米多孔聚合泡沫

说明书

交叉应用陈述

本申请要求2010年3月10日提交的美国临时申请号61/312,396的权益，所述临时申请在此引为参考。

发明背景

技术领域

本发明涉及具有纳米尺寸孔的聚合泡沫制品(纳米多孔聚合泡沫制品)以及制备这样的聚合泡沫制品的方法。

相关技术描述

聚合泡沫制品(或简称“聚合泡沫”)常用于隔热应用中。聚合泡沫的许多特征通过所述泡沫影响导热性，并因此影响所述泡沫作为绝热体的有效性。例如，已知通过聚合泡沫隔离物的热传递可以通过传导、辐射和对流来进行(参见例如美国专利申请公开2009/0148665中的教授内容)。在典型的聚合泡沫隔离物中，热传递的主要方式是孔气体传导，其对总导热性的贡献约为75％。因此，降低孔气体的传导能够显著降低通过聚合泡沫的热传递。

影响孔气体的导热性贡献的一个特征是孔尺寸。当孔尺寸的大小在约1微米至1毫米之间时，孔尺寸对气体热传导几乎没有影响。超过1毫米，对流行为倾向于增加导热性。当泡沫的孔尺寸小于约1微米时，由于被称为克努森效应(Knudsen Effect)的现象，气体导热性降低(参见例如图1中所示的关系。曲线按照Lee等，“从导热性测量值确定气凝胶的中孔尺寸(Determination of a mesopore size ofaerogels from thermal conductivity measurement)”，Journal ofNon-Crystalline Solids，March 2002，Vol.298，287-292页中的方法)。克努森效应是当每个孔内较少的孔气体分子可用于每个单一孔内的碰撞和热传递时引起导热性降低的现象。当孔尺寸和孔间的连通性变得与填充孔的气体的平均自由程处于相同数量级时，克努森效应变得显著。当孔尺寸从1微米减小到300纳米(nm)时，由孔气体引起的导热性降低几乎一半，并且当孔尺寸从1微米减小到低于100nm时，降低几乎2/3。

考虑到即使偶见的大孔也能降低小(300nm或以下，优选150nm或以下)孔的隔热效果这一事实，为了最大化克努森效应，在所述范围内均匀的孔尺寸是理想的。因此，在所有条件相同的情况下，将泡沫的平均孔尺寸减小至300nm或以下、特别是150nm或以下，对于通过泡沫、特别是具有均匀孔尺寸分布的泡沫来实现较低导热性是理想的。然而，减小孔尺寸而不影响聚合泡沫制品的其他性质是困难的。

孔隙度、即空隙体积与泡沫体积的比率，也影响聚合泡沫的导热性。一般来说，降低孔隙度导致导热性增加。这是由于通过构成限定泡沫孔的壁的聚合物网的导热性，典型情况下大于通过孔内气体的导热性。

平均孔尺寸为300nm或以下并且孔隙度大于0.50的聚合泡沫是非常理想的，但是使用目前已知的发泡泡沫技术难以并且高度不可能实现。值得注意的是，由于发泡泡沫技术与气凝胶技术不同，例如不需要大体积溶剂进行制造，因此发泡泡沫技术是理想的。

在开发用于生产具有特定孔尺寸的泡沫的方法中，考虑有效成核位点数量是有用的。有效成核位点是当可发泡聚合物组合物膨胀成泡沫时，可发泡聚合物组合物中形成空隙或孔的位点数量(在例如Kumar和Suh的题为“用于制造微孔热塑性部件的方法(A Processfor Making Microcellular Thermoplastic Parts)”，Polymer Engineeringand Science，October1990，Vo.30No.20，1323-1329页)的论文中也称为“孔密度”)。通过控制有效成核位点数量和孔隙度，人们可以控制泡沫的平均孔尺寸。为了获得理想的隔热泡沫，理想情况下制备具有每立方厘米可发泡聚合物组合物至少3x10¹⁴个有效成核位点的聚合泡沫并将其膨胀，以获得超过0.30的孔隙度(孔隙度百分数大于30％)。

在隔热聚合物泡沫技术领域中，能够制备具有至少1毫米的厚度并具有每立方厘米可发泡聚合物组合物至少3x10¹⁴个有效成核位点，并且在膨胀后具有超过30％的孔隙度百分数的聚合泡沫，将是理想的进步。在更理想情况下，这样的聚合泡沫具有300nm或以下、优选250nm或以下、更优选150nm或以下的平均孔尺寸。正如在待决的专利申请USSN 61/264407中所报道的，已经开发了含有纳米尺寸填充剂粒子(纳米填充剂)的这样的泡沫。然而，能够制备不需这样的填充剂、也就是说不含纳米填充剂的这样的泡沫，仍然是更合乎需要的。