專利名稱：多層防火系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及經改進的防火隔板系統(tǒng)或多層系統(tǒng)，所述系統(tǒng)至少包括一層無機聚合物基體層、該聚合物基體層來自于堿金屬硅酸鹽、一個或多個非硅酸鹽網(wǎng)絡形成物和/或一種反應性玻璃，和選擇性的第二網(wǎng)絡改性劑。其他層可以為下述的任意一層絕熱層、膨脹層、泡沫層、瓦楞層、反射面層、可作為單獨一層或加入到上述任意一層，優(yōu)選加入到無機聚合物基體層的增強材料。更具體地講，上述層在高溫和火焰環(huán)境下可以作為芯、中間層或外隔板以保護要使用的木料、金屬及其類似物。
背景技術：
無機基體被用作復合材料、疏松材料、粘合劑、蜂窩狀材料，如泡沫材料或復合材料的阻燃粘合劑。作為疏松材料，它們被用作形成具有一定形狀的物體，當被固化時提供結構材料。作為復合材料，基體組合物被用來浸漬織物，這些浸漬的織物可以和其它類似的被浸漬織物一起，形成復合材料層疊，然后成型并被固化形成具有一定形狀的物體。這種材料和疏松材料類似，但具有織物強化的優(yōu)點。
目前大家最熟悉的復合材料系統(tǒng)都基于有機聚合物基體，如環(huán)氧樹脂/玻璃纖維、環(huán)氧樹脂/碳纖維、聚氨酯/玻璃纖維、PVC/玻璃纖維、聚酰亞胺/石英纖維、聚酯/玻璃纖維和尼龍/玻璃纖維。盡管有機聚合物復合材料呈現(xiàn)出極佳的物理和機械性能，但在可燃性、產生煙和氣體及高的使用溫度方面具有局限性。有機聚合物基體復合材料的可燃性可以通過加入無機組分和/或添加劑予以降低。在烴和烴聚合物中采用鹵原子(如氯)取代氫原子可以大幅度地降低可燃性和產生煙/氣，但當溫度高于250℃時會降解，在溫度高于450℃時會最終焚化。熱塑性聚合物在相當?shù)偷臏囟?大約100-300℃)下也會變形，而且，為較高使用溫度設計的有機聚合物通常由于材料和加工成本高而被禁止使用。
其它復合材料包括金屬基體復合材料(MMC)、陶瓷基體復合材料(CMC)、碳-碳復合材料和其它無機基體復合材料。復合材料的基體可以是100％無機的，或者包含一些有機成分。無機基體網(wǎng)絡包括陶瓷、氧化物基體陶瓷、玻璃、金屬、金屬合金、膠結材料及類似物。其它可以考慮的材料包括用無機粘合劑包封的無機粒子、用無機填料填充的有機樹脂、無機-有機混合物如硅酮及其它本領域技術人員所知的無機基體材料。
因用得起，堿金屬硅酸鹽被作為無機基體粘合劑材料。例如，授予Davidovits的美國專利4,472,199、4,509,985、4,888,311、5,288,321、5,352,427、5,539,140或5,798,307；授予Woolum的美國專利4,936,939；或授予Rauch的美國專利4,284,664。
防火門，作為一種形式的防火隔板，僅在北美就有數(shù)十億美元的市場，歐洲也是如此。由于9.11災難和來自保險公司的壓力，政府開始了越來越嚴格的立法，因此防火門的市場有望進一步擴大。制造防火門的技術基于防火門需要達到的等級。防火門的性能通過耐火試驗進行測量，該試驗測量在防火門仍具有足夠強度的情況下能夠抵抗火焰的時間。試驗規(guī)程可以不同，但在美國通常采用的一個規(guī)程是Warnock-Hersey規(guī)程。該規(guī)程包括E-119時間-燃燒溫度曲線，它在試驗結束時帶有或不帶有消防射流試驗。因此，一個門將在一個爐子里暴露在火焰上一定時間，例如，60分鐘，然后該門由消防射流進行撞擊。能夠保持完整性的門將通過該試驗。能夠大多數(shù)抵抗20分鐘到數(shù)小時的門可以分為20、45、60和90分鐘級別的門。20分鐘級別的門的構造和材料和90分鐘級別的門的構造和材料有著實質的區(qū)別，它不但反映在防火等級上，也反應在門的成本上。
20分鐘級別的門可以是簡單的木門或塑料門，它在門邊帶有膨脹帶以密封該門。而60分鐘級別或90分鐘級別的門除了門邊帶有膨脹帶以外，還需要有一個某些類型的芯以得到額外的時間。該芯根據(jù)門的構造和材料具有多種作用。首先，該芯被動地防火以防止火焰穿透該門。第二，該芯使無火側被隔離，以在試驗過程中保持在低溫狀態(tài)下。第三，該芯在暴露于火焰后的消防射流試驗期間有助于保持門的結構整體性。防火門中采用的芯可以發(fā)揮所有的這些作用或只發(fā)揮其中的一個或兩個作用。而且，芯在所述的三個方面的效果根據(jù)門的結構和材料的不同也會有所不同。大多數(shù)90分鐘的門為帶有礦物芯的金屬平板門。這些門里的礦物芯首先作為鋼材的絕熱材料，而所述的鋼材用作防火隔板及在火焰試驗后保持強度，以達到通過消防射流試驗的目的。也有少數(shù)的鑲板門(時尚門和軌道門)具有90分鐘防火級別。在大多數(shù)情況下，這些門的芯都有一種膨脹材料。所述的芯主要用作防火隔板和門無火一側的絕熱層，而作為結構材料的程度則非常有限。在門的無火一側的木料用作主要的結構材料以抵抗消防射流的沖擊。
現(xiàn)有結構的例子可以從現(xiàn)有的專利中找到。例如，授予Holter等發(fā)明人的美國專利4,270,326教導我們在防火門中使用陶瓷織物或玻璃纖維，這里的纖維由類似的針狀纖維粘接到一起。而授予Hastings的美國專利4,879,320則教給我們一種阻燃涂料，該阻燃涂料包括分散和懸浮于其中的液體膨脹材料和各種尺寸的耐火纖維。授予Gibb的美國專利4,756,945和4,936,064教給我們了一種防火板，它由一種帶有嵌入其中或在其表面的增強材料的耐火材料基體構成。Gibb的4,756,945專利教給了我們一種不可燃的敷層材料，該敷層材料由無機纖維制成，它們形成一種防火的多孔布，一可熱膨脹不燃層粘附在基板層的一側。授予Buchacher的美國專利4,801,486教給了我們一種防火墻，它由含有和石墨/環(huán)氧樹脂或Kevlar/環(huán)氧樹脂結合在一起的膨脹材料防火層的復合材料制成。
膠結材料的例子包括授予Greve等人的美國專利4,159,302，它教給我們一種包含膨脹珍珠巖、石膏、水凝水泥和無機粘合劑的防火門。授予Fukuba等人的美國專利4,064,317教給了我們一種阻燃石膏板。授予Holzkaemper等人的美國專利6,240,691則教給了我們一種包含由膠結材料制成的泡沫塑料板的復合材料板。
授予Ellis的美國專利4,818,595和5,130,184教給了我們用在木料基板或塑料基板上或者木料基板間或塑料基板間的防火隔板，它采用類似漆的鋁酸鹽水泥漿液和膠態(tài)分散的二氧化硅。授予Wood的歐洲專利EP0 674 089教給了我們一種由木料夾層板制成的防火門，這種防火門包括一種絕熱的阻燃材料，所述的阻燃材料是鋁酸鈣水泥和無機纖維的混和物。
膨脹組合物可以包括硅酸鈉組合物，當它暴露在高溫下時會由于泡沫壓力的累積而產生膨脹，將之繼續(xù)暴露在高溫下時，會形成一個燒焦層，從而為結構提供保護。在防火涂料中公開和使用了許多膨脹組合物，包括授予Feldman的美國專利4,729,916、授予Welna的美國專利5,476,891、授予Batdorf的美國專利5,786,095、授予Licbt的美國專利4,675,577、授予Navarro等人的美國專利5,498,466及授予Castle等人的美國專利5,580,648。Castle的專利教給了我們一種黃連木的膨脹防火涂料，它可以應用于結構部件，如工字梁。其它膨脹層的例子包括授予Murch等人的美國專利3,934,066、授予vonBonin等人的美國專利5,258,216、授予Dalvaux等人的美國專利5,053,288、授予Caesar等人的美國專利4,297,252、授予Klus的美國專利6,340,389、授予Turpin等人的美國專利6,270,915和6,182,470、授予Luckanuck等人的美國專利4,799,349和授予Morency的美國專利5,722,213。
防火隔板或門結構也可以加入其它的結構特征如加入金屬絲增強材料，如授予Bailey的美國專利5,215,806的教導；熱反射金屬層，如授予Cheetham等人的美國專利4,509,559的教導；和蜂窩狀或分隔狀材料，如授予Miguel等人的美國專利4,229,872或授予Chee等人的美國專利4,767,656。
發(fā)明概要本發(fā)明公開了多種由一層或多層防火隔板組成的多層防火系統(tǒng)或多層層板。綜合來講，防火隔板為至少來自于一種堿金屬硅酸鹽的無機聚合物基體。形成剩下的一層或多層的材料通常提供如下特性增強阻燃性能、隔熱、防氧化、強化、在著火過程中或在著火后的殘余強度、防止燒穿、減少產生的煙氣和類似特性。在現(xiàn)實中，防火系統(tǒng)的設計通?；谒枰男阅?。因此，各種各樣的層通常包括一層或多層絕熱材料、一層或多層膨脹材料、一層或多層泡沫材料，一層或多層瓦楞材料、一層或多層反射層，等等，以及通常的一種或多種增強材料如纖維或薄片，這些纖維或薄片可以以一個單獨層的形式存在或被加入到上述各層的其中一層中。
本發(fā)明中的無機聚合物基體可以根據(jù)需要進行制備，(1)作為一種堿金屬硅酸鹽、一種或多種非硅酸鹽網(wǎng)絡形成物如酸性含氧陰離子化合物和/或反應性玻璃、水和可選的填料以及一種或多種第二網(wǎng)絡連接單元(如選自第2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15或16族的多價陽離子如堿土鹽)的反應產物，或(2)作為堿金屬堿、二氧化硅源、水以及非硅酸鹽網(wǎng)絡形成物和網(wǎng)絡改性劑的反應產物，或這些物質的混合物。而且，改性的無機聚合物基體可以通過采用堿金屬硅酸鹽(或其前體)、反應性玻璃和水以及凝膠阻聚劑和其它網(wǎng)絡形成材料和改性劑的水漿制得。對這些“積木”進行變換的能力能夠使產物的性能適應多種多樣的高溫用途。所述的組合物也可以加入其它網(wǎng)絡形成材料、改性劑和填料。
堿金屬硅酸鹽基復合材料可以通過將改性的堿金屬硅酸鹽基體的水漿應用到一種增強介質制備，所述的增強介質如連續(xù)或不連續(xù)的玻璃、碳、復以金屬板的碳、被氧化的碳、聚合物涂覆的碳、聚合物涂覆的玻璃、陶瓷涂覆的碳、陶瓷涂覆的玻璃、金屬涂覆的碳、金屬涂覆的玻璃，普通鋼、不銹鋼、電鍍鋼、聚合物、礦物或其它纖維束或墊料。在可選的用于去除過量的反應物、非聚合物產物、雜質和/或其它不需要的物質的B-階段和/或分離程序后，所述的復合材料在大約15℃至大約1000℃或更高的溫度、在足夠使復合材料固結的壓力范圍內進行固化。所述的壓力(外部壓力)通常的范圍是從常壓到大約2,0000psi和在從常壓至大約10-3torrde真空(如真空袋)。優(yōu)選的溫度范圍是50℃到200℃，優(yōu)選的壓力范圍是小于大約200或大約250psi，帶有或不帶有真空袋。術語“B-階段”是復合材料技術中的常用術語，用于描述使聚合物基體反應并進行至尚未達到聚合物完全固化，只是部分固化的中間階段這一常例。真空袋可以用來幫助去除水分和幫助固結。分離的方法包括水洗、溶解和/或溶劑清洗、化學氣相和/或氣相滲透等。復合材料可以通過多種方法成型，包括壓模法和其它典型的模塑方法。
所獲得的無機基體組合物和/或復合材料在高達1000℃和更高的溫度下呈現(xiàn)出熱穩(wěn)定性，這種熱穩(wěn)定性依賴于配方及加工工藝。它在可燃性、煙性和毒性方面也擁有極佳的性能。而且，根據(jù)本發(fā)明制造的復合材料重量輕，具有較好的絕熱和電絕緣性能。
用于替代，或除了所述的無機聚合物基體，其它合適的無機防火化合物包括氧化物基水泥、灰泥、耐火材料及類似物。適用的氧化物包括硅、鋁、鎂、鈦的氧化物及含有這些氧化物的化合物，如硅酸鹽、鋁酸鹽及類似物。其它可和前述一起加入的氧化物包括硫、鈣和鐵的氧化物。另外，自然形成的沒有確定組分的氧化物礦石也可以加入到無機樹脂中。優(yōu)選的無機樹脂組合物是堿金屬硅酸鹽樹脂組合物


本發(fā)明包括圖示和描述的新型構件，結構，排列，組合及其改進。同時提交的附圖屬于本說明書，并構成本說明書的一部分，說明本發(fā)明的一種實施方式，并和文字一起描述本發(fā)明的基本原理。
附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明的防火層板的橫截面分解圖。
圖2是圖1所示層板與附加層組合后的橫截面圖，用來說明一扇門的構造。
圖3是一種防火層板的立體圖。
圖4是一種防火層板另一種實施方式的立體圖。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的一種有機/無機復合材料的橫截面的分解圖。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的防火工字梁分解的立體圖。
圖7是圖6所示的裝配成的工字梁的立體圖。
圖8是耐火試驗中溫度-時間圖。
圖9是防火層板在爐中溫度-時間圖。
圖10是帶有附加層的防火層板在工業(yè)爐中溫度-時間圖。
圖11是工字梁層板在爐中溫度-時間圖。
圖12為流程圖，表示根據(jù)本發(fā)明能夠制造的多種不同類型的層板系統(tǒng)中幾種系統(tǒng)。
發(fā)明的詳細描述本發(fā)明的一個重要方面在于使用至少為一層的防火系統(tǒng)或層板，該防火系統(tǒng)或層板包含通常與增強材料結合使用的無機聚合物基體組合物。本發(fā)明中的無機聚合物基體組合物由堿金屬硅酸鹽溶液、非硅酸鹽類網(wǎng)絡結構形成物和/或反應性玻璃、水和選擇性的二級網(wǎng)絡聯(lián)接單元，比如選自元素周期表第2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15或16族的多價陽離子如堿土金屬鹽，及選擇性的一種或多種填料反應而制得。另一種方法，由二氧化硅源、堿金屬堿類、水、非硅酸鹽類網(wǎng)絡結構形成物和/或酸性反應性玻璃和選擇性的一種或多種網(wǎng)絡結構改性劑、和/或一種或多種填料發(fā)生反應，能產生高溫無機聚合物基體組合物。附加成分，比如功能性和/或非功能性填料，其他網(wǎng)絡結構形成材料和改性材料，可以根據(jù)需要或者特定目的加入其中。
得到的改性堿金屬硅酸鹽組合物能在相當?shù)偷臏囟?＜200℃)和壓力下(＜200psi)固化，以產生在1000℃及以上溫度時具有尺寸穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性的無機聚合物網(wǎng)絡結構。也就是說，包含本發(fā)明基體組合物的結構在700℃及更高的溫度時，不會出現(xiàn)實質性的尺寸永久性改變。然而，本發(fā)明并不局限于較低的溫度和壓力，如果需要或想要，可以通過采用更高的加工溫度(至1000℃或更高)和壓力(至20000psi以上)和/或進行二次固化加熱處理來進一步增強性能。
本發(fā)明的近似化學成分，即對來自固化形成無機基體前的含水混合物的初始原料的一種定性的表示可以描述如下(1-N)(aA2O∶SiO2∶bB∶cC∶dDx).nH2O分子式1其中A＝(1-z)K2O或(z)Na2O，z值為0-1，K2O為氧化鉀，Na2O為氧化鈉，如需要還可以包括Li2O和/或氫氧化鋰；SiO2表示二氧化硅，其可以從二氧化硅源中獲得，比如Kasil-1、硅粉、硅石、硅膠或它們的混合物；H2O表示水；a為A2O∶SiO2的摩爾比，其范圍為0.05-1.0；b為B∶SiO2的摩爾比，其范圍為0.001-0.500；c為C∶SiO2的摩爾比，其范圍為0.0-0.250；d為D∶SiO2的摩爾比，其范圍為0.0-2.000；n為進入配方中的水的摩爾比，在初始配方中，期望的范圍是從0.10到0.90，優(yōu)選的范圍為0.15到0.35；固化后，n值小于0.25，優(yōu)選小于0.05；x為添加劑(D)的數(shù)量，其范圍為從約0到約20，添加劑用來改進基本配方的加工和性能；B為非硅酸鹽類網(wǎng)絡結構形成物，比如磷酸鹽、硫酸鹽、硼酸鹽組，來自酸性前體，如磷酸、硫酸、硼酸或其混合物和/或反應性玻璃，如堿金屬硼磷酸鹽玻璃或堿金屬磷硼酸鹽玻璃；C為網(wǎng)絡結構改性劑，如來自諸如Mg(NO3)2，ZnCl2等多價的主族金屬元素和/或過渡金屬元素化合物中的Mg2+，Ca2+，Zn2+，Al3+，Ti4+等離子，或是這些離子的組合或作為反應性玻璃中的金屬組分；和D為單獨或混合使用的一種或是數(shù)種可選的添加劑，選自下列物質(1)反應性和/或非反應性填料，比如(但不限于)高嶺土，蒙脫石，海泡石組，云母，蛭石，偏高嶺土，金屬氧化物，或是它們的組合物；(2)凝膠改性劑，如有機堿(喹啉)和/或有機酸(乳酸)；(3)表面活性劑，如陰離子、陽離子和/或非離子表面活性劑，比如(但不限于)烷基芳基磺酸鹽、季銨鹽、質子化的有機胺鹽，如硅氧烷等有機-無機雜合物，或是上述物質的組合；(4)有機增韌劑和/或增塑劑，它們以樹脂，低分子量和/或高分子量聚合物的形式存存。
根據(jù)需要可以加入加工助劑，包括礦物油、植物油、動物油脂、硅油、脂肪酸和鹽、脂肪醇、氟化油、蠟、聚烯烴(如聚乙烯、氧化聚乙烯和聚四氟乙烯，但不限于此)、石墨、表面活性劑和它們的混合物。
包含反應性玻璃的本發(fā)明的化學成分的另一種表示方法如下(1-n)(aA2O∶SiO2∶gG∶fFx).nH2O分子式2其中A＝(1-z)K2O或(z)Na2O，z值為0-1，K2O為氧化鉀，Na2O為氧化鈉，如需要還可以包括Li2O和/或如氫氧化鋰；SiO2表示二氧化硅，其可以從二氧化硅源中取得，比如Kasil-1、二氧化硅粉、硅石、石英或硅膠，或它們的混合物；G表示反應性玻璃，比如堿金屬硼磷酸鹽玻璃或堿金屬磷硼酸鹽玻璃；Fx表示可選的添加劑和/或非硅酸鹽類網(wǎng)絡結構形成物，如一種或是數(shù)種，單獨或共同采用的下列物質(1)來自酸性前體如H3PO4，H3BO3或H2SO4等的P2O5，B2O3，或SO3，或是它們的混合物；(2)網(wǎng)絡結構改性劑，如來自諸如Mg(NO3)2，ZnCl2等多價的主族金屬元素和/或過渡金屬元素化合物中的Mg2+，，Zn2+，Al3+，Ti4+等離子，或是這些化合物的組合；(3)反應性和/或非反應性的填料，比如(但不限于)高嶺土、蒙脫石、海泡石組、云母、蛭石、偏高嶺土、金屬氧化物、或是它們的組合；(4)凝膠改性劑，如有機堿(喹啉)和/或有機酸(乳酸)；(5)表面活性劑，如陰離子、陽離子和/或非離子表面活性劑，比如(但不限于)烷基芳基磺酸鹽、季銨鹽、質子化的有機胺鹽、如硅氧烷等有機-無機混合物，或是上述物質的組合；(6)有機增韌劑和/或增塑劑，它們以樹脂、低分子量和/或高分子量聚合物的形式存在。
H2O表示水；a為A2O∶SiO2的摩爾比，其范圍為0.05-1.00；g為G∶SiO2的摩爾比，其范圍為0.01-0.500；f為F∶SiO2的摩爾比，其范圍為0.000-2.000；x的范圍從約0到約20，表示添加劑(F)的數(shù)量，添加劑用來改進基本配方的加工和性能；n為進入配方中的水的摩爾比，在初始配方中，期望的范圍從0.10到0.90，優(yōu)選的范圍為0.15到0.35；固化后，n值小于0.25，優(yōu)選小于0.05。
根據(jù)需要可以加入加工助劑，包括礦物油、植物油、動物油脂、硅油、脂肪酸和鹽、脂肪醇、氟化油、蠟、聚烯烴(如聚乙烯、氧化聚乙烯和聚四氟乙烯，但不限于此)、石墨、表面活性劑和它們的混合物。
本發(fā)明中所使用的堿金屬硅酸鹽其二氧化硅/堿金屬氧化物(SiO2/A2O)的比率和固態(tài)物％范圍廣泛。這樣的溶液可以商業(yè)采購，或是在使用前由前體快速制備。所述前體如二氧化硅源和堿金屬氫氧化物、堿金屬氧化物、碳酸鹽、或是它們的混合物。硅酸鹽可由堿金屬堿，比如氫氧化鉀或氫氧化鈉、或碳酸鉀、碳酸鈉與二氧化硅源制得。二氧化硅源可以是無定形或者結晶型的二氧化硅，如硅石、二氧化硅粉、沉淀硅石、煅制二氧化硅、微粒硅、硅砂、微晶硅、硅膠、膠質硅、石英、石英粉、硅酸鈉溶液、硅酸鉀溶液，也包含固體的鈉和/或鉀的硅酸鹽。堿金屬硅酸鹽可由商購的一個實例是Kasil-1品種，可從PQ公司(Valley Forge，PA)購買。各種二氧化硅源表現(xiàn)出理想的特性，也表現(xiàn)出不理想的特性。舉例而言，來自硅粉的二氧化硅含有痕量的碳，會導致最后產物的變色。此外，無機聚合物基體組合物的熱性能和物理性能也會受到二氧化硅源不同性質的影響。例如，結構中的高密的晶體石英網(wǎng)絡能提高尺寸穩(wěn)定性，而加入開放的無定形二氧化硅源會產生低密度網(wǎng)絡結構。
盡管如此，適用的堿金屬硅酸鹽溶液可以由各種來源的堿和/或二氧化硅混合制得。當堿金屬硅酸鹽由堿金屬氫氧化物和二氧化硅源制備時，堿金屬氫氧化物占全部組合物或混合物的總重量約3％到30％(重量百分比，下同)，優(yōu)選約7％到20％。二氧化硅源的量占約10％到85％或90％或94％，優(yōu)選約15％到70％。在某些情形下，比如使用堿金屬硅酸鹽溶液時，如果采用一部分堿金屬氫氧化物、二氧化硅和水，應按照所披露的范圍加入。
制備無機樹脂成分所用的堿金屬硅酸鹽包括硅酸鉀溶液、硅酸鈉溶液、結晶硅酸鈉、結晶硅酸鉀、無定型硅酸鈉、無定型硅酸鉀，或它們的混合物。堿金屬硅酸鹽前體是堿金屬堿和二氧化硅源。堿金屬硅酸鹽中的二氧化硅以無定形或結晶狀的二氧化硅形式存在，選自于包括硅石、硅粉、微粒硅、沉淀硅石、硅砂、石英、石英粉、硅膠、煅制二氧化硅、膠質硅的組。作為優(yōu)選，堿金屬硅酸鹽和/或堿金屬硅酸鹽前體中SiO2/A2O比率約為2.0∶1.0至20.0∶1.0，其中A為K(鉀)和/或Na(鈉)，且堿金屬氫氧化物選自于氫氧化鉀和氫氧化鈉的組。
如果需要，可以在重量百分比為2％至70％的范圍內加入非硅酸鹽類網(wǎng)絡結構形成物。非硅酸鹽類網(wǎng)絡結構形成物可以作為酸性含氧陰離子化合物加入。酸性含氧陰離子化合物的實例包括硼酸、磷酸、硫酸、磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉、磷酸氫二鉀、磷酸二氫鉀、磷酸氫銨、金屬和/或非金屬磷酸鹽，或是包含硼酸鹽、硫酸鹽、鋁酸鹽、釩酸鹽、鍺酸鹽(Ge(OH)5)的化合物或類似離子，或是它們的混合物。非硅酸鹽類網(wǎng)絡結構形成物也可以作為非酸性含氧陰離子化合物加入，例如磷酸三鈉、磷酸鉀、硼酸鈉或類似酸的鹽，只要這些混合物的PH值通過其他方法進行調節(jié)。優(yōu)選的酸性含氧陰離子化合物的混合物包括磷酸二氫鉀與硼酸的混合物、磷酸二氫鈉與硼酸的混合物、磷酸二氫鉀、磷酸二氫鈉與硼酸的混合物、硼酸鈉與磷酸二氫鉀的混合物，它們可以采用任何等級或濃度的原料，盡管優(yōu)先選用濃度較高的原料以使水含量最小。酸性含氧陰離子化合物可以在組合物總重量約0.01％至20％的范圍內使用，酸性含氧陰離子化合物使用量的優(yōu)選范圍為約2％至8％之間。包含多價原子和酸性含氧陰離子的化合物也可以加入。具體實例包括磷酸一鋁(Al(H2PO4)3)、偏磷酸鋁(Al(PO3)3)，一元磷酸鎂、磷酸氫鎂、磷酸二氫鋅、磷酸一鈣、磷酸氫鈣、磷酸一鋇、二元磷酸鋇、磷酸二氫錳、磷酸氫錳及其它相似的金屬磷酸鹽。
作為選擇，非酸性含氧陰離子化合物可用作網(wǎng)絡結構形成物。該類化合物的實例包括磷酸三鈉、磷酸鉀、硼酸鈉或類似酸的鹽，只要這些混合物的PH值通過其他方法進行調節(jié)。可以相信，非酸性含氧陰離子化合物可以按與酸性含氧陰離子化合物相似的用量使用。
一種可選的方案是，反應性玻璃可以與堿金屬硅酸鹽溶液共同使用以生成本發(fā)明的組合物。詞組“反應性玻璃”包含范圍廣泛的各種無機玻璃，它們能在固化過程中在發(fā)生的堿金屬硅酸鹽與玻璃之間的縮合反應中提供一個酸根基團。優(yōu)先選取反應性酸性玻璃，反應性酸性玻璃的具體實例包括硼磷硅酸鹽、磷酸鹽、磷硼酸鹽、硼磷酸鹽和硼酸鹽玻璃。有些反應性玻璃并不實際是酸性的，但與酸性玻璃起到同樣的作用?？梢允褂梅撬嵝圆Ａ?PH值約7到10)，只要反應性玻璃的PH值低于堿金屬硅酸鹽組分和/或其前體的PH值。可能需要提高加工條件來固結這類組分，包括較高的溫度(＞200℃)和/或較高的壓力(＞200psi)。反應性玻璃與基本上無反應性的結構化玻璃不同，后者用于燒杯和飲用器具，或用于窗戶上的玻璃。反應性玻璃按照典型的玻璃制造工藝，通過加入氧化物反應物制造。在堿金屬硼磷酸鹽玻璃的情形下，P2O5、B2O3，和一種或多種堿金屬氧化物或其前體以粉末加入其中，加熱該混合物至熔融溫度，大約700℃到1500℃，再驟冷熔融物，并可選擇將此玻璃退火處理，直至堅硬和易碎狀態(tài)。磷的氧化物與堿金屬氧化物(A2O)的比例約為6.1∶1.0至1.5∶1.0。在堿金屬磷硼酸鹽玻璃的情形中，B2O3、P2O5，和一種或多種堿金屬氧化物或其前體以粉末加入其中，加熱該混合物至熔融溫度，大約700℃到1500℃，再驟冷熔融物，并可選擇將此玻璃退火處理，直至達到堅硬和易碎狀態(tài)。磷的氧化物與堿金屬氧化物(A2O)的比率約為5.0∶1.0至1.15∶1.0，而硼的氧化物與堿金屬氧化物(A2O)的比例約為8.0∶1.0至1.5∶1.0。
優(yōu)化方法是將玻璃固體研磨成粉狀。優(yōu)先選用反應性硼磷酸鹽玻璃粉末，采用這種玻璃粉末能更容易地控制固化速度和基體組合物的無定形性。通過調節(jié)二氧化硅與反應性玻璃和/或玻璃前體(G)的比率，能夠改變無機硅酸鹽/玻璃基體的熱性能和物理性能。G∶SiO2可在重量比0.01至50.0之間變化。
反應性玻璃的用量在混合物總重量的0.01％至60％之間，優(yōu)選的范圍是3％至35％，最優(yōu)選的范圍是5％至20％。
既然目的是使制成的玻璃具有酸性，那么玻璃組合物主要由玻璃形成物組成，如磷、硼的氧化物和可選的硅的氧化物。優(yōu)選的堿金屬氧化物是氧化鋰。如果需要高含磷玻璃，則玻璃組合物在熔融前應包含摩爾比為約20％至80％的五氧化二磷(P2O5)，或是它的鹽、酸或其它形式的前體，前體根據(jù)玻璃的總體配方能提供正確的或化學當量的磷和氧。優(yōu)選的摩爾比為30％至70％；更優(yōu)選的范圍為35％至65％；最優(yōu)選的范圍為60％至65％。氧化硼在玻璃中的摩爾比為1％至15％，優(yōu)選2％至8％；更優(yōu)選4％至6％。堿金屬氧化物(A2O)在玻璃組合物中的摩爾比為5％至50％，優(yōu)選20％至40％；更優(yōu)選15％至30％。堿土金屬氧化物(M’O)的用量在全部玻璃混合物中的摩爾比占0.01％至30％，優(yōu)選5％至20％；更優(yōu)選10％至15％?？梢愿鶕?jù)需要加入其它氧化物，例如包括但不限于氧化鋁、氧化鐵、氧化鑭、氧化鈰、氧化鉬和二氧化硅。加入的這些氧化物其摩爾比最高至20％。
如果需要高含硼玻璃，則玻璃組合物在熔融前應包含摩爾比為約10％至50％的五氧化二磷(P2O5)，或是它的鹽、酸或其它形式的前體，前體根據(jù)玻璃的總體配方能提供化學當量的磷和氧。優(yōu)選的摩爾比為20％至40％；更優(yōu)選的范圍為25％至35％。氧化硼(B2O3)在玻璃中的摩爾比為大約10％至70％，優(yōu)選30％至60％，更優(yōu)選45％至55％。堿金屬氧化物(A2O)在玻璃組合物中的摩爾比為約5％至45％，優(yōu)選20％至40％，更優(yōu)選15％至30％?？蛇x擇使用堿土金屬氧化物(M’O)，如果使用，其用量在玻璃混合物中的摩爾比為約0％至30％，優(yōu)選5％至20％；更優(yōu)選10％至15％。
如果使用反應性玻璃，那么其配方對本發(fā)明的化學性質和性能很重要。理想的情況是，玻璃與堿金屬硅酸鹽混合物反應以降低產生的基體的堿性，并使多層網(wǎng)絡結構相互連接。以硅酸鹽為基礎的和其他以磷酸鹽為基礎的相當不同的網(wǎng)絡結構之間的結合，會產生無定形無機聚合物與結晶網(wǎng)絡的混合體和由堿性硅酸鹽與酸性磷酸鹽反應生成的新網(wǎng)絡結構單元，如-Si-O-P-單元。硅酸鹽類和磷酸鹽類都是已知的形成本發(fā)明基體極佳的網(wǎng)絡結構形成物。
可用于生成所述組合物的反應性玻璃可以用下面的化學式簡明描述Πk=1n[(MP+)q'(Eq-)p']rk]]>其中∑rk＝1分子式3其中n＝所需玻璃的組分數(shù)量M＝至少一種玻璃形成物，如硼、硅、磷、硫、鍺、砷、銻、鋁和釩，和至少一種起助熔劑作用的玻璃改性劑，如鋰、鈉、鉀、銣和銫，并且可選擇使用附加網(wǎng)絡結構改性劑，如釩、鋁、錫、鈦、鉻、錳、鐵、鈷、鎳、銅、汞、鋅、銩、鉛、鋯、鑭、鈰、鐠、釹、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、錒、釷、鈾、釔、鎵、鎂、鈣、鍶、鋇、錫、鉍、和鎘；E＝氧、硫族化物和/或鹵素，如硫、硒、碲和氟；p＝M的陽離子價數(shù)，如對磷而言為5，一般寫成P5+或P(V)；q＝E的陰離子價數(shù)，如對氧而言為2，一般寫成O2-；q’＝網(wǎng)絡單元中所含M陽離子的數(shù)量，等于q或q/2，當p和q為偶數(shù)時它是較小的整數(shù)，如對于P2O5中的磷而言為2或對于SiO2中的硅而言為1；p’＝網(wǎng)絡單元中所含E陰離子的數(shù)量，等于q或q/2，當p和q為偶數(shù)時它是較小的整數(shù)，如對于P2O5中的磷而言為5或對于SiO2中的硅而言為2；r＝所述反應性玻璃組分中各網(wǎng)絡單元的摩爾分數(shù)；n＝所述反應性玻璃組分中總網(wǎng)絡單元的數(shù)量。
二元玻璃可以下式表示{(M1P+)q’(E1q-)p’}r1{(M2P+)q’(E2q-)p’}r2，r1+r2＝1；三元玻璃可以概括表示為{(M1P+)q’(E1q-)p’}r1{(M2P+)q’(E2q-)p’}r2{(M3P+)q’(E3q-)p’}r3，r1+r2+r3＝1。
因此堿石灰玻璃可以描述為(CaO)r1(SiO2)r2(Na2O)r3，其中r1+r2+r3＝1。硅是玻璃形成物，與氧元素生成共價鍵，形成玻璃網(wǎng)絡結構，鈉和鈣是玻璃改性劑，與硅酸鹽網(wǎng)絡形成離子鍵，輔助形成和維持玻璃相態(tài)。因此，在玻璃配方中，M通常代表至少一種玻璃網(wǎng)絡結構形成物(Mgf)和至少一種玻璃網(wǎng)絡結構改性劑(Mgm)。
精煉的時間和溫度也會影響玻璃的物理特性和機械特性。對恒定的玻璃組分，提高精煉的溫度和/或時間使所述玻璃網(wǎng)絡更密，使Tg、Ts和Tm升高，使網(wǎng)絡活性和所述玻璃的羥基/H2O含量降低，但使耐用性增強。因此通過改變玻璃組成，玻璃精煉溫度和時間，可使玻璃在反應性、耐用性、酸性、水解穩(wěn)定性、韌性和加工方面有很大差別?？蛇x的方法是，在極高的耐高溫條件下(＞900℃)，如果需要，可選擇性地加入適量的硅和/或鋁來限制工業(yè)爐的污染并增強玻璃網(wǎng)絡結構。所述玻璃和所述堿金屬硅酸鹽性能的匹配、混合和調節(jié)可配制出具有獨特新性質的高溫材料。換言之，改變這些“積木”的能力使人們可以制成適合各種高溫用途的產品。
和其他添加組分的顆粒大小一樣，反應性玻璃的顆粒大小很重要，但不起決定作用。顯而易見，隨著組分顆粒尺寸的減小，其反應性增強；并且如果顆粒太細微因而原料反應性過高，那么用來制備本發(fā)明組合物的相關成分有必要進行調整。在將其加入所述組合物中的液體部分之前，組合物中的粉末狀成分(二氧化硅、反應性玻璃等)可加工成顆粒狀或進行壓實處理。
盡管本發(fā)明有關堿、二氧化硅源與非硅酸鹽網(wǎng)絡結構形成材料和/或反應性玻璃進行反應來制取無機聚合物基體組合物，但是如果需要，該基體的機械、物理和加工特性仍能通過添加組分得以增強。添加組分，如填料、其他網(wǎng)絡形成材料和改性劑，可根據(jù)需要加入。它們包括本領域技術人員通常使用或熟知的添加劑、網(wǎng)絡形成物和填料，不管是無機物、有機物或是雜合物；也可包括能夠使所述組合物可進行加工、制造和增強其性能的添加劑和填料。
可選的添加劑和/或附加的網(wǎng)絡形成物可以是化合物，如硼酸鹽、硫酸鹽、鋁酸鹽、釩酸鹽、硼酸，磷酸、硫酸、硝酸、五氧化二磷、磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉、磷酸氫鉀、磷酸氫二鉀、磷酸氫銨、其他金屬和/或非金屬磷酸鹽、鍺酸鹽或其類似物。可選的網(wǎng)絡形成物用量為全部組合物重量的0.0％到50％。如果包含在配方中，F(xiàn)1網(wǎng)絡形成物用量的優(yōu)選范圍是約2％到約10％。
二級網(wǎng)絡聯(lián)接單元可使用多價陽離子，所用多價陽離子選自元素周期表第2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15或16族，優(yōu)選來自第2、3、4、5、11、12、13、14、15和16族；用量為混合物總重量的0％到約20％，優(yōu)選范圍為約1.0％到約5％。第6、7、8、9和10族的多價陽離子Cr，Mo，W，Mn，F(xiàn)e，Co，Ni，Pd，和Pt也可用，但優(yōu)選其他族的多價陽離子。多價陽離子(含化合物)包括任何主族金屬元素的鹽，包括硝酸鹽、硫酸鹽和鹽酸鹽，但是優(yōu)選鋅、鎂和鈣的鹽?？蛇x的二級網(wǎng)絡聯(lián)接單元是用來與含氧物配合作用的多價陽離子，例如堿土金屬、主族金屬、過渡金屬，鑭系和錒系元素，或它們的任意有用的組合。其他的二級網(wǎng)絡聯(lián)接單元包括含有硼、鋁、鉛、鎵、鎘、鈦、鋯、鑭、鈰、釹、釔、鍶、鋇、鋰、銣、銫、氟的化合物。
可用的選擇性添加劑包括粘土填料、氧化物填料、膠體改性劑、有機增韌劑、增塑劑，或它們的混合物。填料包括高嶺土、偏高嶺土、蒙脫土、云母、和其他蒙脫石和其他粘土或礦物填料。使用粘土填料時優(yōu)選經過煅燒的高嶺土，并且其用量為組合物總重量的0％到25％，優(yōu)選3％到5％。經過煅燒的高嶺土具有一定的與硅酸鹽/基體材料的反應性，盡管粘土填料并不要求具有此類反應性；而且任何商業(yè)來源的粘土填料皆可使用。
可用的選擇性氧化物填料包括硼、鋁、硅、鎵、鈦、鋯、錳、鐵、鉬、鎢、鉍、鉛、鑭、鈰、釹、釔、鈣、鎂和鋇的氧化物，并且其用量為組合物總重量的約0％到約20％。
優(yōu)選氧化鎂(MgO)，其用量為組合物總重量的0％到15％，優(yōu)選范圍為1％到10％，更優(yōu)選的范圍是2％到8％。
改性劑包括交聯(lián)劑和膠體抑制劑或促進劑，如無機酸、有機酸和堿。如前所述，交聯(lián)劑也可以作為金屬磷酸鹽加入，包括磷酸鋁、磷酸鎂、磷酸鈣、磷酸鋅、磷酸鐵、磷酸銫、磷酸鑭、磷酸鋇、磷酸一鋁(Al(H2PO4)3)、偏磷酸鋁鹽、(Al(PO3)3)、一元磷酸鎂、磷酸氫鎂、磷酸二氫鋅、磷酸一鈣、磷酸氫鈣、一元式磷酸鋇、二代磷酸鋇、磷酸二氫錳、磷酸氫錳和類似的金屬磷酸鹽。
可選的膠體改性劑為有機酸和/或有機堿，通常從羥基酸和基于N和P元素的堿的類別中選擇。有機酸的實例包括乳酸和檸檬酸。優(yōu)選α-羥基酸，β-羥基酸，取代吡啶和取代喹啉。它們的用量為組合物總重量的0％到10％，優(yōu)選范圍為0.05％到5％?？蛇x的表面活性劑為陰離子、陽離子和/或非離子表面活性劑，如(但不限于)烷芳基磺酸鹽、硅氧烷、季銨鹽、質子化的有機胺鹽、羥基聚合物、有機-無機雜合物如硅氧烷，或它們的組合。添加劑的用量為組合物總重量的0％到10％，優(yōu)選范圍為0.5％到5％。
可選的有機增韌劑和/或增塑劑為有機類的增韌劑、增塑劑，或它們的組合。有機類的增韌劑可以從樹脂、低分子量和/或高分子量聚合物的類別中選取。它們的用量為組合物總重量的0％到10％。
未經固化的組合物中的余量為水，占組合物總重量的10％到75％。優(yōu)選范圍為15％到40％。水可以作為某種組分中的一部分加入，如堿金屬硅酸鹽溶液、堿土金屬鹽溶液的一部分，或是磷酸溶液的一部分。由于本發(fā)明中包括的水可以被視為反應介質、反應物，也可視為反應產物，因此水的濃度一般難以定量。所述原料混合物中初始水含量在組合物總重量的10％到70％的范圍內。而B階段的預浸漬體含重量百分比5％到35％的水。根據(jù)加工條件，所述無機粘合劑本身和復合材料固化試樣可含重量百分比為約0％到約10％的水。
如上所述，本發(fā)明的一個重要方面是根據(jù)需要采用理想的紡織和/或無紡的、連續(xù)和/或不連續(xù)纖維增強介質，它們用于堿金屬硅酸鹽樹脂涂層。增強性材料用量在體積百分比為約2％至約60％的范圍內。
所述增強性介質包括鎳纖維、玻璃纖維、碳纖維、石墨纖維、礦物纖維、氧化碳纖維、氧化石墨纖維、鋼纖維、金屬纖維、鍍金屬碳纖維、鍍金屬玻璃纖維、鍍金屬石墨纖維、鍍金屬陶瓷纖維、鍍鎳石墨纖維、鍍鎳碳纖維、鍍鎳玻璃纖維、石英纖維、陶瓷纖維、金剛砂纖維、不銹鋼纖維、鈦纖維、鎳合金纖維、鍍銅鋼纖維、聚合纖維、聚合物涂覆碳纖維、聚合物涂覆石墨纖維、聚合物涂覆玻璃纖維、聚合物涂覆芳族聚酰胺纖維(如Kevlar)、陶瓷涂覆碳纖維、陶瓷涂覆石墨纖維、陶瓷涂覆玻璃纖維、氧化聚丙烯腈纖維、玄武巖纖維、耐堿玻璃纖維，和/或為本領域技術人員所知的其他纖維。還可以將各種纖維混合使用。優(yōu)選石墨纖維、E-玻璃纖維、S-玻璃纖維、玄武巖纖維、不銹鋼纖維、鈦纖維、鎳合金纖維、芳族聚酰胺纖維、聚乙烯纖維、SiC纖維和BN纖維。這些纖維也可以被涂覆和/或處理?？梢詰玫嚼w維上合適的涂料的例子包括氣相沉積金屬和金屬合金、化學沉積金屬和金屬合金、熔融狀態(tài)的金屬和金屬合金、電解用的金屬和金屬合金、有機聚合物涂料、無機-有機聚合物雜合涂料、金屬氧化物、磷酸鹽、金屬磷酸鹽、硅酸鹽、有機聚合物-硅酸鹽和有機聚合物-二氧化硅混合物和功能化的硅氧烷。
增強纖維可以多種形式存在，包括紗線、絲束、晶須、連續(xù)纖維、短纖維、機織布、機織布片、針織布、無紡布、不規(guī)則墊、縫織墊、篩網(wǎng)、毛氈、編織物、醫(yī)用紗布、金屬絲及本領域技術人員所知道的其它形式。
玻璃纖維增強材料(包括如但不限于E-玻璃纖維、S-玻璃纖維，或耐堿玻璃纖維)可以用作增強材料。復合材料結構也可以加入混合纖維增強材料，如玻璃纖維、碳纖維、有機聚合物纖維、氧化物纖維和/或金屬纖維。增強材料可以機織布或無紡布、網(wǎng)絲、篩網(wǎng)、毛線、連續(xù)或非連續(xù)纖維的形式存在。不同的纖維和/或織物可以在整個基體內混合分布，也可以被分散分布于各層中。這樣的例子包括在玻璃紗之間象三明治一樣交替分布的碳纖維增強材料、玻璃纖維增強材料以及鋼質篩網(wǎng)增強材料。采用玻璃纖維增強材料和本發(fā)明的基體粘合劑的復合材料是用得起、不燃、具有熱穩(wěn)定性(如在700℃暴露48小時測不到永久尺寸改變(＜0.2％))的復合材料，具有高品質絕熱性能和結構性能，可以用典型加工設備在低溫下進行加工。通常的加工可以在相當?shù)偷臏囟?＜200℃)和壓力(＜200psi)下進行。具有交叉層疊的玻璃纖維層板可以制作成具有絕熱性能(如名義導熱系數(shù)為1.4W/m-K，電絕緣性能(當采用標準歐母表測量時，測不到導電的情況)和適中機械性能(撓曲模量達18Msi，撓曲強度達200ksi以上，最終撓曲應變達1.3％)。這些性能的結合能夠使該技術具有很多的用途。
陶瓷增強材料(包括碳化硅纖維)是另一種優(yōu)選的增強材料，特別是對于700℃以上的高溫用途。盡管昂貴，陶瓷纖維在1000℃以上仍能夠很好地保持結構的整體性。當需要導電、導熱、高強度和/或高抗沖擊性能時，碳纖維增強材料是一種優(yōu)選的增強材料。
摻入無機聚合物基體組合物的復合材料的機械性能在基體和增強材料相互作用充分的情況下可以得到加強。摻入無機聚合物基體組合物的復合材料當增強材料在基體-增強材料界面上呈現(xiàn)出一定程度的嗜酸性時，能夠提供增強的機械強度。一種包含無機聚合物基體組合物和不銹鋼增強材料的復合材料結構的機械性能也得到增強。當采用碳纖維或石墨纖維作為增強材料時這種增強作用會得到更好的體現(xiàn)。碳纖維和/或石墨纖維本質上是無極性和不吸水的，但可以通過多種方法進行處理以獲得具有親水性的區(qū)域，如上膠或使用其它涂料(通常為有機聚合物如環(huán)氧樹脂或有機硅烷)或使用表面活性劑。一般來說，通過增強纖維的親水性也將獲得更多的嗜酸面并改進增強材料和基體間的界面，但通過其它方法可以使增強材料的嗜酸性更好。將纖維鍍上一層金屬可以得到嗜酸面，從而大大地增強復合材料結構的界面強度。碳、石墨和/或聚合物增強材料通過化學氧化、熱氧化和電解氧化也可以增強其嗜酸性，因而增強復合材料結構的界面強度和機械性能。而且，所述纖維可以用有機聚合物和無機氧化物微粒，如玻璃料、反應性玻璃料、二氧化硅、氧化鋁、氧化鋯和類似的氧化物一起進行上膠。這種工藝賦予增強材料的表面以嗜酸性。這些理念可以應用到其它基于氧化物基體的組合物中，這些組合物包括但不限于堿金屬硅酸鹽樹脂、金屬磷酸鹽樹脂、黏性材料、耐火化合物及其它基于氧化物的無機和/或無機/有機雜合物材料。確保增強材料介質的表面有足夠的不規(guī)則性或粗糙度有利于基體和增強材料之間的機械作用從而也增強兩者之間的界面強度。
另外，所述的無機聚合物基體組合物還可以加入本領域技術人員普遍采用的多種多樣的有機和無機填料?？梢约尤氲奶盍先缣沾煞邸⒌V石粉、金屬粉、碳化硅、氮化硅、硅酸鹽、氮化硼、硅鋁酸鹽、鋁硅酸鹽、鈉鋁硅酸鹽、鉀鋁硅酸鹽、碳、碳黑、碳納米管、鉬及其化合物，或其它本領域技術人員所知的填料。在有機材料將燃燒和產生氣體的場合不應選用有機材料。填料可以是球狀的，如微球、大球、空心球和/或實心球，和/或柱狀的、扁平的和/或不規(guī)則或規(guī)則形狀的粒子。
本發(fā)明的無機聚合物基體組合物通過加入酸性無機成分(如質子化的氧離子，如磷酸或硼酸、二氫磷或反應性玻璃)和酸性鹽改性劑如堿土鹽來影響包含堿金屬硅酸鹽骨架的溶液的pH值。堿金屬硅酸鹽溶液需要一個高的pH值以維持用于緩和網(wǎng)絡形成所需的一個高的單體硅酸鹽陰離子的濃度。在將pH值降低到一個較低的數(shù)值后，在適當?shù)臈l件下進行固化的能力可以降低由于基體的堿性對玻璃纖維增強材料的破壞。無機基體粘合劑通過部分由去除水分驅動的縮合反映進行固化。粘合劑中過量的水可以導致尺寸穩(wěn)定性缺乏、物理性能差和加工困難。
令人欣慰的是，本發(fā)明的無機聚合物基體組合物可以采用壓縮模塑法、預制整體模塑料、片狀模塑料、粉末和增強材料、液體和增強材料、預浸料和燒結進行制造和加工成復合材料。其它的方法包括拉擠成型(一種能夠制造等橫截面產品的自動方法)、濕層疊(一種用于快速制造原型和用得起的低性能產品的手工制造方法)、長絲纏繞(用于制造回轉體的自動方法)、真空袋加工(一種典型的用于制造高性能的航天層板的方法)、高壓釜或非高壓釜、真空浸漬(一種制造大而厚高性能部件的方法)、液態(tài)樹脂、膜浸漬或粉末注入、樹脂傳遞模塑成型(一種具有極佳尺寸可重復性的近似網(wǎng)狀的成型方法)、擠壓成形(一種能夠制造等橫截面非結構短纖維產品的方法)、噴射模塑法(一種能夠制造小的非結構短纖維產品的自動方法)、鑄造(一種制造批量非結構產品的方法)、旋轉鑄造(一種能夠制造高質量管道的方法)、截留彈性體成型(trappedelastomer molding)(一種能夠制造特殊形狀產品的方法)和類似的方法。
所述復合材料在大約15℃到大約1000℃或更高的溫度范圍內，大約0psi到大約2000psi的壓力范圍內固化，優(yōu)選的溫度范圍為從大約50℃到大約200℃，壓力為低于大約200psi。
根據(jù)需要，所述的復合材料部件可以進行固化后的再熱固化和/或進行化學處理以進一步增強其熱穩(wěn)定性、尺寸穩(wěn)定性或水解穩(wěn)定性或所有如上所述的穩(wěn)定性。部件可以在空氣中進行熱處理、也可以在真空中處理或在惰性氣氛中進行處理，處理的溫度范圍為從大約15℃到大約1000℃。所述復合材料部件可以用水或其它溶劑進行沖洗以去除過量的反應物。而且，這個沖洗工作可以在固化過程完成之前僅形成部分無機聚合物網(wǎng)絡時進行。所述復合材料部件也可以和酸性溶液、金屬鹽溶液、金屬的酸鹽(metal acid salt)、表面活性劑溶液、氟化物溶液、硅基化合物(silicon-based compounds)、有機預聚物、離聚物、聚合物和/或其它想用于賦予疏水性的溶液接觸。
例如，用稀釋的磷酸溶液浸濕或涂覆復合材料結構可以增強復合材料結構的熱穩(wěn)定性和水解穩(wěn)定性。所述的磷酸可以是帶有一種或多種金屬鹽的磷酸溶液。類似的改進效果可以通過僅采用鎂鹽的稀釋溶液或和磷酸溶液一起來達到。其它可溶的多價金屬鹽如含有鋁、鈣、鋅、鈰、鑭的鹽和/或類似的鹽也可以采用。單價金屬鹽的溶液如氫氧化鋰、醋酸鋰、氯化鋰等等，如果需要，也可以和復合材料結構接觸。
這些方法和制造高溫無機聚合物(陶瓷和玻璃)通常使用的固化/固結方法相比有幾個優(yōu)點。陶瓷和玻璃典型需要高溫加工設備(1000℃以上)。而本發(fā)明中的無機機體配方的特點允許復合材料在復合材料制造廠通常使用的設備上進行加工。這些加工方法比典型的陶瓷加工方法具有更高效的產能，并且相比典型的陶瓷加工方法，使制造大部件更加容易。這些加工方法的采用允許為獲得結構的整體性而使用數(shù)量更大的纖維，多于常規(guī)的混凝土加工方法。
換句話說，本發(fā)明中的無機聚合物基體組合物不僅僅局限于復合材料。這種組合物也可以用于形成純樹脂零部件，涂料和粘合劑。
令人欣慰的是，本發(fā)明中的無機聚合物基體組合物可以配制成不可燃性的。這個理想的安全特征使得本發(fā)明區(qū)別于大多數(shù)的有機材料(例如但不局限于塑料、木料或橡膠)，當這些有機材料暴露于火焰時趨向于燃燒，產生煙和/或有毒氣體。而且，本發(fā)明中的無機聚合物基體組合物還可以配制成絕熱材料和/或電絕緣材料。這種理想的特征使得本發(fā)明中的組合物區(qū)別于大多數(shù)金屬(如鋼、鋁或銅)，這些金屬趨向于作為熱導體和電導體。
本發(fā)明中的組合物可以制成在高溫下(＞1000℃)工作，而尺寸的改變可以忽略不計。這個理想的安全特征使得本發(fā)明區(qū)別于大多數(shù)的有機材料(這些有機材料暴露于500℃以上時趨于裂解)，也區(qū)別于大多數(shù)的水泥配方(這些水泥在300℃以上破碎)，還區(qū)別于許多金屬(包括鋁)，這些金屬在700℃時趨于翹曲或熔化。作為又一個特征，本發(fā)明實現(xiàn)在高溫下(達到或者高于1000℃)工作的同時，卻可以在相當?shù)偷臏囟?＜200℃)和低壓(例如但不限于＜200℃和＜200psi)下加工。這個特征是理想的，因為在低溫和低壓下能夠進行加工使得本發(fā)明可以用用得起的設備和加工方法進行加工。本發(fā)明化學方面的特征使得本發(fā)明區(qū)別于大多數(shù)的陶瓷、玻璃和金屬，后者通常需要很高的溫度和/或很高的壓力才能模塑成型。(當然，本發(fā)明也可以在高溫和高壓下進行有效的加工。本發(fā)明的材料已經在高于1500℃的溫度和高于10,000psi的壓力下進行過加工。)在一些例子中，為了能夠在一個服務期內抵抗火焰和/或高溫，然后被更換掉，可能需要隔熱物。也有一些溫度較低的工作場合，不需要抵擋200℃以上的高溫?；诒景l(fā)明的有機無機雜合物在這些場合可以應用。所述的有機組分可以具有單體、簡單聚合和聚合的特性并賦予組合物額外的強度、塑性和韌性。
本發(fā)明可以配制成用來浸漬纖維以形成堅固的復合材料。這種理想的性能使本發(fā)明區(qū)別于大多數(shù)材料，因為大多數(shù)的堅固材料沒有作為低粘度能夠潤濕纖維的液體進行過加工?；w材料中的纖維增強材料能夠提供很多的好處，包括改進的強度、硬度、斷裂韌性、疲勞強度和沖擊強度。當纖維增強復合材料被普遍應用于從汽車儀表盤到F-22戰(zhàn)機結構多種用途時，大多數(shù)的復合材料卻由可燃的有機基體材料制成。不燃燒的復合材料如陶瓷基體復合材料和金屬基體復合材料對大多數(shù)的場合來講由于需要高的加工溫度而成本太高。本發(fā)明相比陶瓷基體復合材料和金屬基體復合材料來講，加工成本大幅度降低。這些理想的特征使得本發(fā)明區(qū)別于許多材料，包括很多的金屬。
本發(fā)明可以容易地配制成加入上面所述的多種填料以達到適合于特定用途的材料性能。這些填料可以包括空心球、導電填料、磨擦和/或熱添加劑，將它們加入以改變物理性能，包括但不限于密度、導電性、摩擦因子或熱性能。這些理想的特征使得本發(fā)明區(qū)別于許多材料，包括許多金屬。有了這些特征，本發(fā)明可適用于許多的用途包括防火隔板、隔熱罩、高溫絕熱物、高溫模、耐磨產品、高溫環(huán)境下的加工和結構。
除了無機聚合物基體組合物以外，還可以采用其它的化合物，如各種各樣的有機和無機填料。所述的無機聚合物基體組合物可以采用各種各樣的方法進行制造如壓縮模塑法、塊狀模塑法等，然后進行固化和處理并用于各種各樣的用途并根據(jù)多種美國材料試驗協(xié)會(ASTM)的試驗具有理想的性能，如于2004年2月12日提出的、序號為10/777,885，關于無機復合材料的防火試驗的美國專利，在此全部(包括其中的全部39個實施例)并入本申請以做參照。
本發(fā)明中的防火系統(tǒng)，或多層防火系統(tǒng)通常包括兩層或多層不同的材料，優(yōu)選其中的至少一層包括上述來自于堿金屬硅酸鹽的無機聚合物基體，作為選擇但理想的是在其中包含纖維增強材料。其它的一層或多層包含下面的任何一種至少一層絕熱材料，至少一層膨脹材料，至少一層泡沫材料，至少一層反射材料，或一層增強層，或在上面各層中存在的增強材料。此外，一層單獨的含氣的瓦楞層可以單獨存在，或在上述各層的任一層內。而另一個防火系統(tǒng)則包含兩層或多層的堿金屬硅酸鹽聚合物樹脂。
具有良好防火性能的絕熱材料包括文獻及本領域已知的耐高溫材料，如各種各樣的硅酸鹽化合物、氧化鋁化合物或它們的化合物如硅酸鋁、(耐火陶瓷纖維)。通常這些化合物由于重量輕以纖維的形式存在。這些化合物纖維有很多的用途，而它們的固實層也可以采用。其它合適的絕熱材料包括文獻和本領域已知的各種各樣的礦物質和化合物，通常包括氧化鋁、二氧化硅、鋁酸鹽、硅酸鹽及其它金屬氧化物包括鈣、鎂及類似金屬的氧化物含量高的(重量％至少大約30％，或大約50％，或大約70％)礦物質和化合物。還有其它的絕熱化合物，包括各種各樣的耐火類材料如碳化硅、碳-碳及其類似物。文獻中和本領域已知的陶瓷材料也可以使用，如由各種各樣的粘土制造的陶瓷材料，如瓷磚、赤陶土及其類似物，陶瓷、搪瓷、石灰、石膏和石膏制品，及類似物。
膨脹材料層通常為在加熱時可以變?yōu)閾]發(fā)性物質，如水的任何材料，在加熱時該材料將支持晶胞的形成。片狀石墨是特別優(yōu)選的材料。其它化合物包括各種各樣的堿金屬硅酸鹽如鈉、鉀或鋰的硅酸鹽或堿土硅酸鹽如鈣或鎂的硅酸鹽。蛭石是另一種可用的膨脹材料。
反射層當然由反射光從而將熱量從系統(tǒng)的無火一側向外輻射的材料構成。該層可以是厚層但優(yōu)選薄層并由耐高溫材料制成。合適的反射材料通常反射照射在其上太陽光的至少大約50％，或至少大約65％，理想的狀況為至少大約80％或至少大約90％。這樣的材料包括聚脂膜如Mylar、鋁箔或鋁片及其類似物。耐高溫的反射面通常包括高反射性的金屬和合金，如鈦、鉻、鎳及其類似物，不銹鋼及其類似物。反射面通常為薄片狀并存在于所述層板或多層防火系統(tǒng)的內部或外部。
增強材料在上面已經描述過，在此不再重復。雖然增強材料通常采用纖維的形式，或為連續(xù)纖維或為不連續(xù)纖維、紡織布或無紡布，但也可以采用薄片的形式，或多孔薄片的形式、帶狀及類似形狀，因而形成單個或分開的層。理想的情況是，如上所述，增強材料通常采用纖維的形式以增強本發(fā)明中的無機樹脂復合材料層。然而，上述的各種各樣的增強材料，無論是薄片形式或是多孔薄片形式，或其它的形式如纖維，都可以用來增強上述各層的任一層，如絕熱層、膨脹層、泡沫層、甚至反射層，以賦予這些層強度和結構整體性。
瓦楞層通常有大量的一定范圍的氣相區(qū)如空氣區(qū)作為在除反射層表面以外的上述層內的防火介質。因此，上述各種各樣的絕熱材料、膨脹材料和增強材料在其內部可以有小空氣袋或其它氣袋。作為選擇，瓦楞層可以為分布于絕熱層之間的氣相(或空氣)層。
蜂窩或泡沫材料，如可以用于本發(fā)明的泡沫組合物通常是不可燃的，并在熱管理、防火和其它高溫應用場合是有用的。本發(fā)明可以抵抗800℃以上高溫的能力使得它可以被用于有機泡沫材料和/或其衍生物無法滿足要求的應用場合。無機蜂窩材料，如由碳、玻璃或陶瓷材料制成的發(fā)泡組合物，可以抵抗類似的高溫，但其成本高，因而限制了該材料在大規(guī)模熱管理需求方面和/或一些對成本敏感場合的用途。為本發(fā)明而準備的蜂窩材料可以根據(jù)需要被模塑成復合體和簡單的形狀和/或采用傳統(tǒng)的加工設備制造成特定的形狀。蜂窩材料，如泡沫材料可以是結構的(整體的)或非結構的，在制備時可以采用也可以不采用起泡劑。合成的泡沫材料可以采用本發(fā)明和合適的填料如微球、微氣球和/或微膠囊進行制備。
在制備各種各樣的防火隔板或多層復合材料系統(tǒng)時，通常一層或多層外面的層板由對火焰和燒穿有良好抵抗性能的材料制成，如來自于堿金屬硅酸鹽的無機聚合物基體，或一個或多個無機基體材料如氧化物基體水泥、耐火材料、鋁的氧化物及類似物。多層防火系統(tǒng)優(yōu)選可以包括一個位于一個或多個外面層板和一個或多個芯之間的中間層。芯可以為一個要保護的基板如低熔點的金屬或可燃材料如木料或其它有機材料。另一種情況是，在一些需要美觀的場合，如在一個防火門中，其外部有修飾用材料如木料、飾面板、塑料面板等，可以包括中間層或芯如絕熱層、堿金屬硅酸鹽層以防火及防止熱穿透。
上述各種各樣的用于形成種類不同隔板的層的結合可以被稱作為雜合隔板或雜合系統(tǒng)，它可以通過層壓等的方法，將防火的無機薄板連接到有機的復合材料芯上。防火復合材料作為防火隔板，氧的隔斷物和較小程度的絕熱物。不象典型的被動式絕熱，防火復合材料的作用主要不是作為絕熱材料來阻止熱量對有機樹脂進行分解，而是防火的無機樹脂作為火焰和氧氣的隔斷物。
一個系統(tǒng)集或多層復合材料可以采用以任何順序排列的一層或多層來自于和非硅酸鹽網(wǎng)絡形成物和/或反應性玻璃、水和選擇性的一種或多種第二網(wǎng)絡改性劑反應的堿金屬硅酸鹽的無機聚合物基體、下述任一種層的至少一層，絕熱層、膨脹材料層、泡沫層、反射層、增強層或瓦楞層；優(yōu)選有一層或多層包含有增強材料，如纖維等的上述任一種層。本發(fā)明中的防火層板或系統(tǒng)的層數(shù)可以有很大的差別，如通常從大約2層到大約10層，典型地或優(yōu)選地從大約2層到大約3層，或大約4層、或大約5層、或大約7層。
包含增強材料的堿金屬硅酸鹽樹脂或它們的復合材料可以許多方式進行應用來獲得用于提高防火性或獲得能夠防止火焰穿透、氧氣穿透、絕熱(程度等級小于鋼)，并在暴露于火焰的過程中和暴露于火焰后保持強度(強度的保持水平取決于暴露于火焰的溫度和時間)的系統(tǒng)。例如，從0.02英寸薄到較厚的結構層板的堿金屬硅酸鹽樹脂可以用作在有機復合材料或木料上的防火隔板以提高系統(tǒng)的防火性能。通過加入各種各樣的高溫絕熱材料可以進一步優(yōu)化這些性能以適應要求更高的防火場合。堿金屬硅酸鹽樹脂層或其復合材料和絕熱層的結合專注于解決高溫絕熱材料本身的缺點。一種薄的非結構層(0.020”)可以提高耐久性、減少常規(guī)的傳熱并作為氧的阻斷物。這些系統(tǒng)從而可以用來對基板如木料、鋼或復合材料基板的被動防火。多層堿金屬硅酸鹽樹脂層或它們的復合材料和絕熱層可以被設計形成性能更好的防火系統(tǒng)，不僅僅在防火方面，在物理、機械和熱性能方面也是如此。這些在大多數(shù)防火系統(tǒng)設計里面都是重要的考慮因素。在內部的堿金屬硅酸鹽樹脂層或它們的復合材料層上加入反射層將通過減少熱輻射進一步提高系統(tǒng)的性能。采用能夠單獨保持結構整體性的較厚的堿金屬硅酸鹽樹脂或復合材料或和一個不可燃的絕熱芯一起，可以用作承受負載的結構，這種結構是完全不可燃的。能夠作為結構性夾層板構造芯的堅固而不可燃的絕熱材料是不常見的，較好性能的絕熱材料價格昂貴，難于使用。各種各樣的泡沫材料提供和堿金屬硅酸鹽樹脂面板有良好連接性能的絕熱芯，并且具有良好性能。
防火系統(tǒng)的設計基于防火要求、為系統(tǒng)撥付的款項、機械要求和市場要求、成本。一些防火隔板可以為簡單的0.02英寸厚的堿金屬硅酸鹽樹脂層或它們的復合材料層，用于防止火焰穿透(堿金屬硅酸鹽樹脂層/碳層-兩層用于機艙的防火)。其它系統(tǒng)可以包括多層以在長時間內隔熱、防止火焰穿透并保持一個低的冷側溫度(一種VSV材料)，即具有增強金屬篩網(wǎng)和外部玻璃層的一種堿金屬硅酸鹽樹脂層被用作陶瓷覆蓋物的覆蓋層以減少常規(guī)熱傳導并使系統(tǒng)更加耐用。也是在防火門芯中的一個VSV多層系統(tǒng)可以被用來形成一個包封，使膨脹材料膨脹入其內，減少常規(guī)的熱傳導并賦予強度以抵抗住消防射流試驗。防火隔板以各種方式的機制發(fā)揮作用，減少火焰穿透、阻止氧氣滲透燃燒基礎可燃材料并減少燃燒所需要的熱量。防火系統(tǒng)根據(jù)熱傳導、材料的燃燒性、在著火中和著火后的強度保持情況、材料、在外界環(huán)境條件下系統(tǒng)的物理和熱性能情況可能變得非常復雜。一個堿金屬硅酸鹽樹脂層或它的復合材料在防火隔板中可以單獨使用或作為包括絕熱和/或反射面的系統(tǒng)的一部分使用。90分鐘級別的木制防火門采用一個VSV系統(tǒng)(即遮面板/篩網(wǎng)/遮面板多層系統(tǒng))和一種膨脹材料結合來保護冷側木制面板在ASTM E-119火焰暴露情況下90分鐘，然后通過消防射流試驗。所述門的芯防火隔板在暴露于火焰前僅有5/8英寸厚，是目前市場上可獲得的最薄的90分鐘級別的防火門芯。另一個防火隔板系統(tǒng)為一種簡單得多的系統(tǒng)，它是兩層的堿金屬硅酸鹽樹脂/碳增強復合材料，用于噴氣式飛機駕駛員機艙的防火。這種應用場合除了有防火要求，還需要防震和耐化學品。
堿金屬硅酸鹽樹脂復合材料的特性在于材料、不可燃性、低的熱傳導、高溫性能、低溫加工性能和成本低。這些特性的結合提供了一種具有廣泛用途的獨一無二的材料。與之具有競爭性的材料的確存在，但卻不具有所述堿金屬硅酸鹽樹脂復合材料所提供的所有屬性。
層板，或包含由本發(fā)明中的防火無機樹脂制成的至少一層的多層防火系統(tǒng)，可以在一定的時間內實現(xiàn)有機基板、層板等防火。無機樹脂系統(tǒng)的特性在于它不依靠將有機層板和熱源隔開，而是樹脂作為禁火三角形名稱不同角的火/氧的阻隔物。作為火/氧的阻隔物，這些防火的無機層板不能防止材料分解，只是防止其燃燒。因此，只要注意采用使芯材料絕熱的方法，就可以實現(xiàn)采用一種雜合層板來提高有機層板的性能。
雖然下面給出了各種各樣采用本發(fā)明的物品和最終用途，重要的多層、防火系統(tǒng)包括一堿金屬硅酸鹽樹脂復合材料本身、一個VSV系統(tǒng)和防火門。復合材料本身被用于幾乎所有的場合，并包括由堿金屬硅酸鹽、一個或多個非硅酸鹽網(wǎng)絡形成物、和/或一種反應性玻璃和選擇性的一個或多個第二網(wǎng)絡連接單元制備的改性無機聚合物基體，在此都稱作堿金屬硅酸鹽樹脂。一個重要的方面是，所述樹脂在其內包括通常以增強纖維形式存在的增強材料，如碳纖維。為了獲得合適的厚度和結構整體性，可采用兩層堿金屬硅酸鹽樹脂復合材料并緊捱在一起布置，所述的兩層堿金屬硅酸鹽樹脂復合材料被熔合在一起，或粘接在一起，或以任何方式連接起來。
VSV系統(tǒng)通常包括增強成分如篩網(wǎng)、多孔薄板等，它們被嵌入堿金屬硅酸鹽樹脂以生成復合材料。在一層或多層復合材料的每一側，采用一薄的玻璃絕熱層。這種多層系統(tǒng)在一些場合得到了應用，如應用于船體的內部。
防火門的具體實施方式

通常采用其中含有纖維的堿金屬硅酸鹽樹脂復合材料，一般在其兩面都帶有一膨脹層，它們安置于本質板內，以形成一扇木料防火門。根據(jù)需要保護的程度，還可以使用另外的無機堿金屬硅酸鹽樹脂復合材料層和膨脹層。
本發(fā)明的各種層板或多層系統(tǒng)統(tǒng)具有廣泛的用途，如用于加固的導彈發(fā)射井、船艦甲板、航空母艦的防爆擋板和擋熱板、防火墻、熱氣體過濾器、防護涂層、配電盤和配電箱(具有和不具有抗電磁干擾)、發(fā)動機罩，或者需要有效防火和防熱、防腐蝕、在使用周期中降低成本和減輕設備重量的任何應用中。另外，該技術可應用于增強飛機制動裝置中的絕熱鑲嵌件。每一個活塞中的絕熱器能將液壓系統(tǒng)和磨擦頭進行絕熱。
與常規(guī)的樹脂相比，這些常規(guī)的樹脂有些在450℃以下就會發(fā)生分解，而本發(fā)明的基體粘合劑的熱穩(wěn)定性要高得多，且與金屬材料不同，本發(fā)明的復合材料有出色的絕緣性能這將保護液壓系統(tǒng)并降低重量和/或相關成本。與陶瓷材料相比，由于加入了增強纖維，本發(fā)明的組合物更加堅固，但基于所用材料和工藝，卻比陶瓷基體復合材料便宜。
本發(fā)明的防火系統(tǒng)也可用于要求良好熱穩(wěn)定性和物理穩(wěn)定性的場合，比如采用陶瓷材料的場合。此類應用包括在航空航天、海運、大規(guī)模運輸、結構及建筑上的用途，從要求簡單的防火和/或隔熱到復雜的防火，包括高溫和耐用保護、對輸水管道、電纜托架、輸電線路、輸油和輸氣管道進行隔熱防火保護、對鋼結構支柱、橫梁和中空的托梁進行隔熱防火保護，和小艇、輪船、飛機、公共汽車、纜車、電車的艙壁和其他表面進行隔熱防火保護，以及其他類似的用途。這些用途能在高達1700°F的高溫下提供60或90分鐘甚至更長時間的保護，且以重量較輕的結構實現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明的構思，表1為根據(jù)本發(fā)明可以采用的各種不同類型的防火系統(tǒng)的舉例說明。
下面的表1用于說明本發(fā)明的各種用途，但不應認為是窮盡性的或是對本發(fā)明用途的限制。
表1

其它適合的層板或系統(tǒng)的例子包括表2中的例子1到例子8，其中的材料類型“復合材料”為包括堿金屬硅酸鹽樹脂和增強材料的無機聚合物復合材料。
表2

材料編碼

從表1和表2可以明顯看到，許多不同種類的層板或結構可由至少一層包括堿金屬硅酸鹽材料的無機聚合物層和其它層構成，該其它層如絕熱層、膨脹層、泡沫層、瓦楞層、強化材料層及類似物層的任意至少一層。
依據(jù)最終的配方和所選擇的加工條件，在高約900℃和更高的溫度下，所得到的復合材料表現(xiàn)出尺寸穩(wěn)定性，并且在防火、防煙和毒性方面具有極佳的性能。使用本發(fā)明的無機樹脂組合物制成的復合材料重量輕且具有良好的絕熱性能。由于固化該復合材料所需要的溫度和壓力低，所以能夠相對便宜地制成各種不同的型材。
該無機樹脂組合物可用作防火粘合劑、塊狀模塑材料、片狀模塑組合物、膠粘劑、涂料、純樹脂組合物、蜂窩材料如泡沫組合物，或防火復合材料。作為復合材料材料，無機樹脂組合物在固化時可經發(fā)泡制成具有一定形狀的物體。作為一種復合材料的另一種情況是，該組合物用來浸漬織物，浸漬的織物可以與其他的相似的浸漬過的織物組合在一起形成疊層，接著定型和固化，形成有一定形狀的復合材料或物體，類似于疏松材料，但具有由織物所帶來的強度增強的優(yōu)點。本發(fā)明的組合物用于要求良好的熱穩(wěn)定性和物理穩(wěn)定性的場合，比如使用陶瓷復合材料的場合。
如果使用單向纖維，這種新型防火無機樹脂具有能與有機樹脂復合材料媲美的機械性能。采用樹脂系統(tǒng)統(tǒng)的編織物復合材料問題會多一些，因為難以浸漬纖維束。然而人們相信，具有有機物結構部件的無機系統(tǒng)統(tǒng)的FST(火、煙、毒性)性能會有所改善。
人們對玻璃、不銹鋼和碳增強的防火無機樹脂復合材料的熱性能進行了評估，所述的熱性能包括導熱性、熱膨脹性和比熱。對新型防火無機復合材料，采用這些方法評估的熱性能，在溫度從室溫到800℃范圍內表現(xiàn)出一致性，而這種一致性對有機樹脂系統(tǒng)是不可能實現(xiàn)的。
也可以采用標準的層壓技術將所述的復合材料制成多層結構，如根據(jù)需要的系統(tǒng)的性質，可采用無機高溫粘合或高強度有機粘合技術。而且，通過連接或層壓，將無機防火復合材料或薄板與有機層或復合材料材料芯粘合在一起，能制造出有機-無機雜合材料。防火復合材料或薄板用作防火物、氧氣隔離物，和較低程度的隔熱物。與被動絕熱不同，所述的防火復合材料主要不是通過阻止熱量造成有機樹脂的分解而發(fā)生作用，而是無機樹脂防火復合材料用作火焰和氧氣的隔離物。此外，防火復合材料能提高有機-無機混合復合材料的強度。
由無機防火樹脂制成的復合材料能在一定的時間段內為有機復合材料和層板提供防火保護。無機樹脂系統(tǒng)的特性在于它不依靠將有機層板和熱源隔開，而是樹脂作為禁火三角形名稱不同角的火/氧的阻隔物。作為火/氧的阻隔物，這些防火的無機層板不能防止材料分解，只是防止其燃燒。因此，只要注意采用使芯材料絕熱的方法，就可以實現(xiàn)采用一種混合層板來提高有機層板的性能。
防火復合材料可以單獨使用或者與其他芯材一起使用，比如與木料一起制成防火門。所述的防火復合材料能單獨用作隔離物，也能夠制成帶有空氣空間，如可以將瓦楞材料、蜂窩材料或是空心球加入到無機樹脂組合物中，以加強防火性能，提高絕熱效果，或在不加入芯材的情況下增強其結構性能。而且，該防火復合材料能和單芯或者多芯結構一起使用，以提高各種性能。所述的防火復合材料能和任何需要提高防火性能的基材一起使用或連接在一起使用，如再將其與其他不具有耐火性能的基質材料進一步進行層壓處理，以增強整體復合材料的性能。該多層結構中還可以加入結構支持物，如(但不限于)金屬絲網(wǎng)、金屬篩網(wǎng)和玻璃篩網(wǎng)等。雖然通過在防火門中的應用來說明其優(yōu)點，但是實際上本發(fā)明能在任何防火隔板的結構中采用。既然所述的無機樹脂防火復合材料被設計成能夠通過消防射流試驗，如防火門，并且保留芯的保護層而不至于過重，那么芯現(xiàn)在能夠滿足運行性能的要求，在以前沒有該無機防火復合材料時，是不可能做到的。防火復合材料的重量與其強度比對于制作防火隔板很重要。如上所述，重量輕的較薄的防火隔板，如果能達到60分鐘和90分鐘防火等級，可將其應用于更多的建筑中。
本發(fā)明的多層材料或防火系統(tǒng)根據(jù)兩種主要類型的方法進行試驗。第一種方法是可燃性試驗，用來測量被試驗材料的禁火三角形的燃料部分。可燃性試驗方法在美國材料試驗協(xié)會(ASTM)、美國國家消防協(xié)會(NFPA)、國際海事組織(IMO)、國際標準化組織(ISO)、美國保險商試驗室(UL)的標準中描述，或是在其他試驗燃燒所需時間、火焰?zhèn)鞑ニ俣取崃酷尫藕涂杀３中?煙)的標準規(guī)程中描述。這些試驗用來確定材料的FST性能上的特點。經過改性具有良好防火性能的有機復合材料，在具有該性能的同時，會犧牲系統(tǒng)中的其它性能。
第二種方法是將被試驗的材料暴露于可能產生實際火陷的近似時間-燃燒溫度曲線。在此類試驗中，被試驗材料暴露在該曲線中一定時間，然后根據(jù)暴露材料的表現(xiàn)對其進行評估。常常使用的兩種曲線是ASTM E-119曲線和UL-1709曲線。ASTM E-119曲線的目的是跟蹤建筑物火災的溫度變化情況，用來評估大多數(shù)的建筑結構產品。ASTM E-1119曲線是為了模擬真實的建筑物大火，并依據(jù)各種失效標準對大火中一定部分的耐受能力進行判定。在一定情形下，基于一定厚度，木料部件在E-119曲線的試驗條件下，能耐受20分鐘或更長時間。為了增強防火性能，可以將木料夾入兩層防火絕熱層中間，或在兩層木料之間使用防火層/絕熱層。在試樣經受一定的表面溫度后，分別在30、45、60和90分鐘時進行測量。UL-1709跟蹤燃料火的溫度情況，用于航空航天和軍工產品的試驗。在工字梁的評估中，失效判定標準是結構完全破壞的發(fā)生。
圖1說明根據(jù)本發(fā)明制得的多層板的一個例子。如圖所示，多層板組件1可以是，例如一扇門或一片隔板。多層板1由一層膨脹材料2制成，在膨脹材料層的兩邊，各層壓有一層堿金屬硅酸鹽樹脂3，并有外表層4，外表層可以是木料或者其他材料，用來提供所需要的外觀。而且，如圖2所示，可以通過在多層板1的外層連接或層壓具有一定形狀的金屬前面5和后面6以獲得額外的護面。圖3和圖4說明兩種常用的提高木材防火能力的防火組件。如圖3所示，防火層7層壓在兩層木結構8和9中間。圖4中，防火層7用在木結構10的表面。
圖5說明一種無機-有機雜合多層板11，其中有機復合材料芯12粘合或是被防火多層板13所覆蓋。舉例來說，芯12可以是環(huán)氧樹脂或酚類復合材料材料或多層板，而防火多層板13可以采用經堿金屬硅酸鹽樹脂浸漬的無紡玻璃纖維墊。根據(jù)性能需要或期望得到的結構，所述墊可以是單層，也可以是一層以上的多層板。
圖6和圖7說明了體現(xiàn)本發(fā)明構思的另一種結構，其中的結構，如工字梁15有防火層套。例如，防火層套為本發(fā)明的堿金屬硅酸鹽樹脂浸漬的無紡玻璃纖維墊，它被放置并被模塑到工字梁上，制成如圖7所示的防火工字梁17。
為進一步理解本發(fā)明，制備了大量復合材料多層結構，并對它們作為防火材料的性能進行評估。芯由防火無機樹脂制成，它具有能夠作為耐火和火后結構構件的雙重能力。這種新的芯系統(tǒng)的絕熱特性比鋼材要好得多(熱導率為2.5BTU(英制熱單位)in/hr ft2 F對325 BTU in/hr ft2 F)。為了具有足夠的絕熱性能以滿足E-119冷端試驗規(guī)范，芯結構中加入了膨脹材料。受試驗板結構中的膨脹材料既起絕熱物的作用，又起到散熱器的作用。在耐火試驗中，該材料發(fā)生膨脹，結果使其冷端的溫度保持在木材的著火點以下。冷端的木料層因此結構不遭破壞，從而能經受住消防射流試驗。膨脹材料的缺點是，當火焰持續(xù)時間延長，其絕熱效果降低至一定程度，冷端材料會發(fā)生分解。因此冷端的木料不再能夠經受住消防射流試驗。
受評估的防火多層板由預先浸漬入不銹鋼墊中的無機樹脂(堿金屬硅酸鹽樹脂)構成，它在27℃至66℃的溫度下壓模成型。。該鋼墊由方向分別為0°和90°的兩層組成，將之連接在一起形成一單網(wǎng)層。該鋼墊的孔隙使制成的產品中有體積百分比為80％的樹脂。得到的層板厚度為0.102cm，密度為2.5gms/cm3(無機層A)。另外的防火層板包括浸漬入玻璃織物的防火無機樹脂，厚度為0.064cm，密度為1.90gms/cm3(無機層B)；以及浸漬入玻璃纖維墊的防火無機樹脂，厚度為0.089cm，密度為2.3gms/cm3(無機層C)。
本試驗中所評估的系統(tǒng)主要由中間夾著防火隔板的兩層木料組成。被試驗的防火隔板有單個部件系統(tǒng)和帶夾層的系統(tǒng)。為優(yōu)化整個系統(tǒng)的防火性能，被試驗的防火隔板作了各種各樣的變化。各種結構有不同等級的絕熱和防火隔板層，以便評估這兩個變量對系統(tǒng)性能的影響。所用的膨脹材料0.318cm厚，在加熱時其膨脹比為4比1。所有的試樣厚度約為4.45cm。盡管也可以使用高密度纖維板(HDF)，評估中所采用的木材是中密度纖維板(MDF)。木料的厚度范圍從厚處的3/4英寸到薄處的1/4英寸，以通過加工增加門的式樣。包括芯在內，門的整體厚度是13/4英寸，允許加工掉1英寸，即兩邊各加工掉1/2英寸。90分鐘防火等級的門，芯的厚度約為1/4英寸。用來進行評估的試樣如下第一爐內有1、用作對照試樣的木板；2、木料層/防火層“A”/木料層結構的夾層試樣；3、木料層/膨脹材料層/木料層結構的夾層試樣；和4、木料層/防火層“A”/膨脹材料層/防火層“A”/木料層結構的夾層試樣。
第二爐爐內有5、木料層/防火層“A”/膨脹材料層/防火層“A”/木料層結構的試樣；6、木料層/防火層“B”/膨脹材料層/防火層“B”/木料層結構的試樣；7、木料層/防火層“C”/膨脹材料層/防火層“C”/膨脹材料層/防火層“C”/木料層結構的試樣。
長61cm、寬61cm的受試板的耐火試驗在西南研究所進行。使用最初確定的E-119時間-燃燒溫度曲線，觀察到從燃燒的木料中散發(fā)的熱量要超過原始曲線。為了得到更多有用的數(shù)據(jù)，試驗溫度與UL-1709曲線進行了比較，該曲線更加接近于所觀察到的情況(圖8)。本項試驗中，采用的表面溫度為232℃。
使用熱電偶對受試板的內部溫度和冷面溫度進行多點監(jiān)測。每一爐對四個受試板進行一次試驗。在每個受試板失效后試驗過程結束。火焰穿透試樣這一時間點表明受試板已失效。試驗的結果總結在圖9和圖10中。
在第一爐試驗中觀察到，無芯的木料試樣在25分鐘45秒后失效，內有防火層芯的試樣在29分鐘后失效，帶膨脹材料芯的試樣在32分鐘45秒后失效，防火層/膨脹材料/防火層夾層結構在39分鐘后失效。
防火無機芯在著火過程中起火焰和氣體隔離物的作用，在火焰熄滅后起結構材料的作用。作為結構部件，芯能夠容忍木料部件在耐火試驗中分解，而仍能經受住消防射流試驗。無機防火芯也能在暴露于火的后期階段固定膨脹材料，并且降低著火過程中水蒸氣釋放的速率。膨脹材料與無機防火層形成的多層結構所產生的協(xié)同作用，相比每種材料而言，會帶來顯著優(yōu)點。而且，膨脹材料在起限制作用的無機層之間膨脹，而不是象沒有限制層時那樣向所有的方向延伸。
無機防火芯與絕熱材料一起使用，在暴露于火后要求保持結構強度的應用場合，能在長達90分鐘的時間內滿足E-119試驗規(guī)范的要求。第二爐試驗中所觀察到的試樣的試驗結果表明了無機樹脂/玻璃纖維芯相對于無機/不銹鋼纖維芯的性能。試驗表明玻璃纖維復合層板比含有不銹鋼篩網(wǎng)的復合層板早失效約12分鐘。人們認為，玻璃/防火層相比不銹鋼增強的試樣具有較低的熱性能和在溫度升高的情況下強度喪失是造成它們性能差異的原因。具有三層防火層和兩層膨脹層的試樣與防火層/膨脹材料層/防火層結構相比，失效時間能延長50分鐘。數(shù)據(jù)表明，厚度為0.040″的防火層能延長可燃性木料的失效時間。將木材絕熱并不是造成性能改善的原因。相反，人們認為，防火層發(fā)揮了氧氣隔離物的作用并減慢燃燒速度才產生了這一結果。防火層/膨脹材料層/防火層芯的組合得到了人們基于單獨采用防火層或單獨采用膨脹材料層的數(shù)據(jù)預期的結果。使用膨脹材料芯時所看到的性能提高，應是它具有的使木料絕熱的能力發(fā)揮了作用。因此，防火層和膨脹材料的組合的結果正如預期的一樣。試樣失效時間增加20分鐘表明芯中的多層膨脹材料和防火層產生了協(xié)同作用。
厚度為0.953cm由多層的防火層和多層的膨脹材料層組成的芯，嵌入厚度為4.45cm經加工的木板中，能滿足ASTM E-119試驗90分鐘等級的要求。由防火無機樹脂制成的防火多層板的特性在于它不依靠將有機層板和熱源隔開，而是樹脂作為禁火三角形名稱不同角的火/氧的阻隔物。作為火/氧的阻隔物，這些防火的無機層板不能防止材料分解，只是防止其燃燒。因為將木板的冷端隔熱對取得ASTM E-119的評級很重要，所以通過使用膨脹層增強隔熱性能。而且，膨脹材料在起限制作用的無機層之間膨脹，而不是象沒有限制層時那樣向所有的方向延伸。
在又一個例子中，對雜合復合材料多層板進行了評估。所用的材料包括由Electric Boat Corporation(EBC)提供的有機復合材料和豪富公司(GoodrichCorporation)提供的無機復合材料。所述的無機復合材料是在熱管理應用場合為滿足MIL-STD-2031而研制的。該雜合平板層板由夾在兩層無機樹脂復合材料中間的有機樹脂復合材料構成。環(huán)氧樹脂復合材料系統(tǒng)的可燃性試驗用具有不同厚度的無機防火多層板進行，下文將作進一步討論。
除平板雜合結構外，還制作并且評估了工字梁雜合試樣，對潛艇中使用的真實的格柵的性能作模擬。工字梁雜合試樣的制法是將無機樹脂復合材料固化在有機樹脂復合材料工字梁刮擦后的表面，有機樹脂復合材料為環(huán)氧樹脂復合材料或酚類復合材料。兩種有機樹脂復合材料工字梁由拉擠成型方法制成，并帶有編織物增強材料。無機復合材料為浸漬碳纖維的軟套，并套在工字梁上，將其完全覆蓋。所述軟套為能夠被浸漬的編織物，然后將之拉到工字梁上以覆蓋其表面。無機防火層的厚度約為0.07cm。增強劑被插入工字梁中，以確保在固化時在工字梁內部有足夠的壓力。然后將雜合復合材料工字梁用真空袋包裝并在高壓釜中固化。
第一組評估的試樣由各種不同厚度的平板無機多層板組成，并對由它們保護的如圖5所示的環(huán)氧樹脂或者酚類復合材料多層板能力進行評估。評估中所用的增強材料類型是被無機樹脂浸漬的玻璃和碳。試驗評估了厚度和增強材料類型對防火性能的影響。選用的試驗規(guī)程是ASTM 1354的錐比色法(conecalorimetry)，它用于測定著火時間、熱釋放率、高峰熱釋放率和發(fā)煙量。試驗在熱通量測量值為75kW/m2和100kW/m2條件下進行。
平板雜合復合材料系統(tǒng)的可燃性試驗針對各種不同厚度、由無機防火樹脂保護的碳/環(huán)氧樹脂或玻璃/環(huán)氧樹脂復合材料進行。所有的試樣具有相同厚度的可燃性材料。酚類復合材料的可燃性試驗僅對一種兩層無機樹脂玻璃復合材料多層板進行。如表2和表3所示，所有試驗中的性能都非常好。
表3熱通量為75kW/m2時ASTM1354數(shù)據(jù)系統(tǒng)環(huán)氧樹脂薄板芯和無機薄板面板

表4熱通量為75kW/m2和100kW/m2時ASTM1354數(shù)據(jù)系統(tǒng)酚類薄板芯和兩層碳無機薄板

第二個試驗規(guī)程評估采用雜合多層板工字梁的耐火極限。所述工字梁由被無機復合材料保護的環(huán)氧樹脂或者酚類復合材料芯構成(如圖6和圖7所示)。本試驗采用準確的規(guī)程以對多層板對雜合工字梁的耐久性的影響作出最佳評價。采用E-119時間-燃燒溫度曲線和類似于MIL-G-18015B的試驗規(guī)程，本試驗模擬在負荷下的真實的火災場景。在耐火試驗中，工字梁橫跨在爐內，20磅的負荷垂直于橫梁的長度方向懸掛在它下面。隨著試驗的進行，工字梁最終燃燒、斷裂。
從圖11可見，對于防火無機增強雜合工字梁，試驗結果表明它在耐熱性和結構失效時間方面有顯著的提高。而且，在防火樹脂工字梁試驗中沒有觀察到煙的產生。
在所有防火無機樹脂的性能試驗中得到相同的結果不可燃性能。原因是樹脂在設計上不是作為一種燃料的來源。提供有用數(shù)據(jù)的是作為雜合層板一部分的可燃芯與不可燃的夾層面板之間的作用。平板和雜合工字梁絕大部分如預期的一樣發(fā)揮作用。
觀察到的雜合層板的情況是首先，熱量通過無機復合材料傳導到可燃芯。接著將發(fā)生分解。因為面板主要目的不是作為隔熱物，所以有機層可能在極短的時間內會經受其分解溫度的考驗。因此，多層板的面板的主要目的是阻止氧接觸分解氣體，借此防止燃燒發(fā)生。用這種方法，無機防火層消除了禁火三角形中的一個重要參數(shù)氧。盡管通過防火層轉移熱量，無機結構在暴露于火后將保持其部分強度。
從理論上講，工作正常的雜合層板能通過消除氧來增加完全分解有機層所需要的時間，但分解仍會發(fā)生，只是需要更多的時間。雜合層板有較低的峰值熱釋放率。相信這是由于缺少燃燒所需要的氧所致。如果理論認為無機防火樹脂的作用在于作為火焰與氧的隔離物，那么防火層的厚度應當對防火性能影響甚微。有趣的是，數(shù)據(jù)的確顯示出無論是環(huán)氧樹脂還是酚類雜合防火層板的面板的厚度與著火時間和熱釋放率之間存在直接相關性。防火層厚度引起的絕熱性能的提高可能是產生這種趨勢的原因，然而這似乎不可能。另一種可能的解釋可能是防火層的硬化效應。厚度較大的防火層能更好的附著于有機層之上，允許氧隔離物在相對較長的時間內發(fā)揮作用。
采用環(huán)氧樹脂芯制成的平板雜合防火層板都用高溫粘合劑來粘接面板。采用酚類材料芯的雜合防火層板不使用粘合劑，而是在無機樹脂固化時將其連接到芯刮擦過的表面上。兩種連接方法所得到的數(shù)據(jù)都遵循同一趨勢，表明連接方式對混合層板的性能影響甚微。采用環(huán)氧樹脂芯制成的混合防火層板表現(xiàn)出在著火時間上的增加，范圍從一層的增加因子4到八層的增加因子10。作為氧隔離物的無機防火樹脂面板也在5分鐘時引起熱釋放率及其峰值熱釋放率的下降。所有試樣的總放熱量大約一樣。酚類材料芯雜合防火層板由2層碳的面板組成，而且在增加著火時間和降低熱釋放率方面都得到與環(huán)氧樹脂芯雜合防火層板相當?shù)慕Y果。
該評估的第二個階段是確定由環(huán)氧樹脂/玻璃和酚類/玻璃制成的、帶有無機防火層的工字梁的保護效果。評估中所采用的試驗方法是一種使用ASTME-119時間-燃燒溫度曲線的真實的小規(guī)模的耐火試驗。試驗首先對環(huán)氧樹脂/玻璃工字梁進行，在采用E-119時間-燃燒溫度曲線時，它在3分鐘后失效。混合環(huán)氧樹脂工字梁在懸掛20磅負荷、采用E-119時間-燃燒溫度曲線時，在12.5分鐘后失效。酚類工字梁9分鐘后失效，而雜合層覆蓋的該種工字梁19分鐘后失效。理論上，防火層應當能阻止燃燒所用的氧，這樣就能增加混合物工字梁的失效時間。帶有無機防火樹脂保護層的工字梁的失效時間的增加表明，厚度0.03英寸的薄層能帶來防火性能的顯著提高。與平板的失效模式相類似，工字梁因為熱分解效應而最終失效。
本發(fā)明的其他實施方式如圖12所示。如圖12中上部的中間部分所示，堿金屬硅酸鹽樹脂能用任何適當種類的材料增強，比如玻璃增強材料、碳增強材料或鋼鐵增強材料，來制造增強型堿金屬硅酸鹽復合材料。該復合材料能用于諸如構成防火結構部件，或者用于各種各樣的基材中，如有機樹脂復合材料、木材、鋼材等，構成結構部件。作為選擇，通過向其中加入不同種類的絕熱材料，如陶瓷、礦石和類似物，堿金屬硅酸鹽復合材料能可形成絕熱系統(tǒng)。作為另一種選擇，通過向堿金屬硅酸鹽復合材料中加入各種不同種類的膨脹材料，如堿金屬硅酸鹽、片狀石墨、蛭石等，可形成膨脹系統(tǒng)。與此相似，各種不同種類的無機泡沫材料，如玻璃或碳，能夠加入堿金屬硅酸鹽復合材料中，形成泡沫系統(tǒng)。這些系統(tǒng)，包括其他沒有示出的系統(tǒng)，能夠形成不同類型的結構，比如簡單的夾層板結構、多層夾層板結構等，以形成采用這些結構的其他系統(tǒng)，然后應用到基材中以形成防火的結構系統(tǒng)。
被保護的基材一般可以是任何種類的材料，通常美觀，但一般燃點或著火溫度低。常用的基材包括木料，如種類繁多的硬木，如楓木、橡木等；或軟木，如各種各樣的松木；也包括夾合板、層壓板等等。
其他基材包括有機樹脂，通常包括種類繁多的聚合物，如聚酯、聚醚、聚烯烴、聚氯乙烯、環(huán)氧樹脂、尼龍、酚醛塑料和類似物。其他基材還包括低熔點金屬，如鋁、黃銅、青銅、甚至于各種類型的鋼材。兩種或兩種以上的堿金屬硅酸鹽復合材料可相互鄰接或被其他層或類似物分隔開。
本發(fā)明令人欣慰的是，防火和/阻火層板或復合材料可由各種各樣的形狀和材料制得。本發(fā)明的防火堿金屬硅酸鹽樹脂有足夠的柔韌性，可用于各種型材，不管是結構物或通過使用木料薄板提供兼具美觀和防火安全性得到改進的組合體。
根據(jù)本發(fā)明的另一種實施方式，各種各樣的上述多層防火系統(tǒng)能通過至少一個緊固裝置或類似物緊固在一起。典型的緊固裝置包括螺栓、卡釘、鉚釘、金屬絲、粘合劑、磁鐵、邊緣通道、螺釘，釘子或它們的組合。
為說明與描述之目的，上文描述了本發(fā)明的具體實施方式

。這些描述與具體實施方式

并不是窮盡性的，或是將本發(fā)明限制于所公開的具體形式之內；而且，顯而易見的是，根據(jù)上面所公開的內容，還存在多種改進和改變方案。這些實施方式經過選擇并加以描述，是為了對本發(fā)明的原理和它的實際用途作出最好的說明，并籍此使本領域的其他技術人員能夠以適合于預定場合的各種各樣改進的實施方式最好地利用本發(fā)明。本發(fā)明的范圍由下述的權利要求加以限定。
盡管根據(jù)專利法的要求，最佳模式和優(yōu)選的實施方式已記載在說明書中，本發(fā)明的范圍并不以此為限，而是由所附的權利要求書的范圍加以限定。
權利要求
1.一種多層防火系統(tǒng)，包括至少一層堿金屬硅酸鹽樹脂組合物，包括一種無機樹脂組合物，包括堿金屬硅酸鹽和/或堿金屬硅酸鹽前體、水和可選的粘土和/或氧化物填料的反應產物；或一種無機樹脂組合物，包括堿金屬硅酸鹽和/或堿金屬硅酸鹽前體、一種或多種酸性含氧陰離子化合物、水、可選的一種或多種包含多價陽離子的化合物，和可選的粘土和/或氧化物填料的反應產物；多價陽離子包括元素周期表的第2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15或16族的多價陽離子或它們的任意組合；或一種無機樹脂組合物，包括堿金屬硅酸鹽和/或堿金屬硅酸鹽前體、反應性玻璃、水、可選的一種或多種酸性含氧陰離子化合物、和可選的粘土和/或氧化物填料的反應產物；和至少一層任意可選的材料，包括絕熱材料、膨脹材料、泡沫材料、反射材料、增強材料、瓦楞材料，上述的任意材料在其中都包含氣體空間，或上述材料的組合。
2.根據(jù)權利要求1的多層防火系統(tǒng)，其中所述的堿金屬硅酸鹽樹脂層內包含增強材料，而且其中所述的增強材料至少包括一個纖維、一個薄板、一個篩網(wǎng)、或一個網(wǎng)狀織物、或它們的組合。
3.根據(jù)權利要求2的多層防火系統(tǒng)，其中所述的樹脂組合物包括非粘土填料，包括纖維、球和粒子，并且其中所述的球包括微球、大球、或空心球和實心球，球的材料包括玻璃、陶瓷、金屬、礦物、有機或無機材料。
4.根據(jù)權利要求2的多層防火系統(tǒng)，其中的增強纖維包括鎳纖維、玻璃纖維、碳纖維、石墨纖維、礦物纖維、氧化碳纖維、氧化石墨纖維、氧化聚丙烯腈纖維、鋼纖維、金屬性纖維、金屬涂覆的碳纖維、金屬涂覆的玻璃纖維、金屬涂覆的石墨纖維、金屬涂覆的陶瓷纖維、鎳涂覆的石墨纖維、鎳涂覆的碳纖維、鎳涂覆的玻璃纖維、石英纖維、陶瓷纖維、碳化硅纖維、不銹鋼纖維、鈦纖維、鎳合金纖維、黃銅涂覆的鋼纖維、聚合物纖維、聚合物涂覆的碳纖維、聚合物涂覆的石墨纖維、聚合物涂覆的玻璃纖維、陶瓷涂覆的碳纖維、陶瓷涂覆的石墨纖維、陶瓷涂覆的玻璃纖維、芳族聚酰胺纖維、玄武纖維、耐堿玻璃纖維、E-玻璃纖維、S-玻璃纖維、聚乙烯纖維、SiC纖維、或BN纖維或它們的組合。
5.根據(jù)權利要求2的多層防火系統(tǒng)，其中所述的增強纖維包括石墨纖維、E-玻璃纖維、S-玻璃纖維、玄武纖維、不銹鋼纖維、鈦纖維、鎳合金纖維、芳族聚酰胺纖維、氧化聚丙烯腈纖維、聚乙烯纖維、SiC纖維、或BN纖維或它們的混合物。
6.根據(jù)權利要求4的多層防火系統(tǒng)，其中所述的堿金屬硅酸鹽包括硅酸鉀溶液、硅酸鈉溶液、結晶硅酸鈉、結晶硅酸鉀、無定形的硅酸鈉、或無定形的硅酸鉀、硅酸鋰和它們的混合物，其中所述的反應性玻璃包括下式中的化合物a(A’2O)xb(GfO)yc(A”O(jiān))z其中A’表示至少一種堿金屬玻璃改性劑，作為融合劑，Gf表示至少一種玻璃形成物，A”表示，可選地，至少一種玻璃網(wǎng)絡改性劑，a表示融合劑存在的數(shù)量，其范圍從1到約5，b表示玻璃形成物存在的數(shù)量，其范圍從1到約10，c表示玻璃網(wǎng)絡改性劑存在的數(shù)量，其范圍從0到約30，x表示融合劑的摩爾分數(shù)，在約0.050和約0.150之間，y表示玻璃形成物的摩爾分數(shù)，在約0.200和約0.950之間，z表示玻璃網(wǎng)絡改性劑的摩爾分數(shù)，在0.000或約0.001和約0.500之間，x+y+z＝1，并且x＜y，其中A’包括鋰、鈉、鉀、銣或銫，其中Gf包括硼、硅、磷、硫、鍺、砷、銻、鋁或釩，其中的A”O(jiān)為至少一種金屬性玻璃改性劑并包括氧化釩、氧化鈦、氧化鋅、氧化鉛、氧化鋁、氧化鋯、氧化鑭、氧化銫、氧化釹、氧化鎂、氧化鈣、氧化鍶、氧化鋇、氧化硅，或它們的混合物；和其中所述的酸性含氧陰離子化合物包括硼酸、磷酸、硫酸、磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉、磷酸氫二鉀、磷酸二氫鉀、磷酸氫銨、磷酸二氫銨、金屬性的和/或非金屬性磷酸鹽，或是包括硼酸鹽、硫酸鹽、鋁酸鹽、釩酸鹽、或鍺酸鹽的化合物，或它們的混合物。
7.根據(jù)權利要求6的多層防火系統(tǒng)，其中所述的填料包括至少一種氧化物包括硼、鋁、硅、鋅、鎵、鈦、鋯、錳、鐵、鉬、鎢、鉍、鉛、鑭、鈰、釹、釔、鈣、鎂和鋇的氧化物，并且其用量為占組合物總重量的0％或0.01％到約20％，而且其中所述的粘土填料包括高嶺土、煅燒高嶺土、云母、蛭石和/或偏高嶺土，并且其存在量為組合物總重量的0.0％或約0.1％到約20％之間，并且所述的陽離子是堿土金屬或鋅離子。
8.根據(jù)權利要求6的多層防火系統(tǒng)，其中所述的樹脂組合物包含下列物質的反應產物約30％到約85％重量比的至少所述的堿金屬硅酸鹽；約0.01％到約60％重量比的至少所述的反應性玻璃；約0％或0.01％到約20％重量比的至少所述的酸性含氧陰離子化合物；約0％或0.1％到約20％重量比的至少所述的粘土填料；約0％或0.01％到約20％重量比的至少所述的氧化物；和約15％到約60％重量比的所述的水。
9.根據(jù)權利要求6的多層防火系統(tǒng)，其中所述的樹脂組合物包含下列物質的反應產物約30％到約85％重量比的至少所述的堿金屬硅酸鹽；約0.01％到約20％重量比的至少所述的元素周期表第2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15或16族的多價陽離子；約0.01％到約20％重量比的至少所述的酸性含氧陰離子化合物；約0％或0.1％到約20％重量比的至少所述的粘土填料；約0％或0.01％到約20％重量比的至少所述的氧化物；和約15％到約60％重量比的所述的水。
10.根據(jù)權利要求8的多層防火系統(tǒng)，其中所述的樹脂組合物在溫度范圍從約15℃至約1000℃，外部壓力范圍從常壓到約2,0000psi和選擇性地從常壓至約10-3torr的真空條件下通過固化所述樹脂形成。
11.根據(jù)權利要求2的多層防火系統(tǒng)，包括至少一層所述的堿金屬硅酸鹽樹脂組合物，并包含至少一層絕熱層。
12.根據(jù)權利要求4的多層防火系統(tǒng)，包括至少一層所述的堿金屬硅酸鹽樹脂組合物，并包含至少一層絕熱層，并且其中所述的絕熱層包括硅酸鹽化合物、鋁酸鹽化合物、硅酸鋁化合物、陶瓷、包括二氧化硅、硅酸鹽、氧化鋁、或鋁酸鹽的金屬氧化物、耐火材料或它們的混合物。
13.根據(jù)權利要求6的多層防火系統(tǒng)，包括至少一層所述的堿金屬硅酸鹽樹脂組合物，并包含至少一層絕熱層，并且其中所述的絕熱層包括硅酸鹽化合物、鋁酸鹽化合物、硅酸鋁化合物、陶瓷、包括二氧化硅、硅酸鹽、氧化鋁、或鋁酸鹽的金屬氧化物、耐火材料或它們的混合物。
14.根據(jù)權利要求8的多層防火系統(tǒng)，包括至少一層所述的堿金屬硅酸鹽樹脂組合物，并包含至少一層絕熱層，并且其中所述的絕熱層包括硅酸鹽化合物、鋁酸鹽化合物、硅酸鋁化合物、陶瓷、包括二氧化硅、硅酸鹽、氧化鋁、或鋁酸鹽的金屬氧化物、耐火材料或它們的混合物。
15.根據(jù)權利要求11的多層防火系統(tǒng)，包括至少一層膨脹層。
16.根據(jù)權利要求12的多層防火系統(tǒng)，包括至少一層膨脹層。
17.根據(jù)權利要求13的多層防火系統(tǒng)，包括至少一層膨脹層，其中所述的膨脹層包括片狀石墨、堿金屬硅酸鹽、堿土硅酸鹽、蛭石，或它們的混合物。
18.根據(jù)權利要求14的多層防火系統(tǒng)，包括至少一層膨脹層，其中所述的膨脹層包括片狀石墨、堿金屬硅酸鹽、堿土硅酸鹽、蛭石，或它們的混合物。
19.根據(jù)權利要求2的多層防火系統(tǒng)，包括所述的至少一層堿金屬硅酸鹽樹脂組合物，并包含所述的至少一層膨脹層。
20.根據(jù)權利要求5的多層防火系統(tǒng)，包括所述的至少一層堿金屬硅酸鹽樹脂組合物，并包含所述的至少一層膨脹層。
21.根據(jù)權利要求6的多層防火系統(tǒng)，包括所述的至少一層堿金屬硅酸鹽樹脂組合物，并包含所述的至少一層膨脹層，其中所述的膨脹層包括片狀石墨、堿金屬硅酸鹽、堿土硅酸鹽、蛭石，或它們的混合物。
22.根據(jù)權利要求8的多層防火系統(tǒng)，包括所述的至少一層堿金屬硅酸鹽樹脂組合物，并包含所述的至少一層膨脹層，其中所述的膨脹層包括片狀石墨、堿金屬硅酸鹽、堿土硅酸鹽、蛭石，或它們的混合物。
23.根據(jù)權利要求19的多層防火系統(tǒng)，其中所述的系統(tǒng)是一個包括至少一層外部木料層的防火門。
24.根據(jù)權利要求20的多層防火系統(tǒng)，其中所述的系統(tǒng)是一個包括至少一層外部木料層的防火門，并且其中所述的系統(tǒng)包括至少所述的一層膨脹層和至少兩層所述的堿金屬硅酸鹽樹脂層。
25.根據(jù)權利要求21的多層防火系統(tǒng)，其中所述的系統(tǒng)是一個包括至少一層外部木料層的防火門，并且其中所述的系統(tǒng)包括至少兩層所述的膨脹材料層和至少三層所述的堿金屬硅酸鹽樹脂層，并且其中至少一層所述的堿金屬硅酸鹽樹脂層包括一個鋼增強墊。
26.根據(jù)權利要求22的多層防火系統(tǒng)，其中所述的系統(tǒng)是一個包括至少一層外部木料層的防火門，并且其中所述的系統(tǒng)包括至少兩層所述的膨脹材料層和至少三層所述的堿金屬硅酸鹽樹脂層，并且其中至少一層所述的堿金屬硅酸鹽樹脂層包括一個鋼增強墊。
27.根據(jù)權利要求2的多層防火系統(tǒng)，包括至少一層所述的增強層。
28.根據(jù)權利要求5的多層防火系統(tǒng)，包括至少兩層所述的增強層，所述的堿金屬硅酸鹽樹脂層位于所述的兩層增強層之間。
29.根據(jù)權利要求6的多層防火系統(tǒng)，包括至少兩層所述的增強層，所述的堿金屬硅酸鹽樹脂層位于所述的兩層增強層之間，并且其中所述的增強層是玻璃、玻璃纖維、石墨纖維、玄武巖纖維、不銹鋼纖維、鈦纖維、鎳合金纖維、芳族聚酰胺纖維、聚乙烯纖維、氧化聚丙烯腈纖維、SiC纖維、或BN纖維，或它們的混合物。
30.根據(jù)權利要求8的多層防火系統(tǒng)，包括至少兩層所述的增強層，所述的堿金屬硅酸鹽樹脂層位于所述的兩層增強層之間，并且其中所述的增強層是玻璃、玻璃纖維、石墨纖維、玄武巖纖維、不銹鋼纖維、鈦纖維、鎳合金纖維、芳族聚酰胺纖維、聚乙烯纖維、氧化聚丙烯腈纖維、SiC纖維、或BN纖維，或它們的混合物。
31.一種多層防火系統(tǒng)，包括至少兩層堿金屬硅酸鹽樹脂組合物，所述組合物包括堿金屬硅酸鹽和/或堿金屬硅酸鹽前體、一種或多種酸性含氧陰離子化合物、水、可選的一種或多種包含選自元素周期表的第2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15或16族的多價陽離子的化合物，和可選的粘土和/或氧化物填料的反應產物；或它們的混合物；至少一層所述的堿金屬硅酸鹽樹脂層內部包含增強化合物；和至少一層任意可選的材料，包括絕熱材料、膨脹材料、泡沫材料、反射材料、增強材料、瓦楞材料，上述的任意材料在其中都包含氣體空間，或上述材料的任意組合。
32.根據(jù)權利要求31的多層防火系統(tǒng)，其中所述的堿金屬硅酸鹽材料的增強化合物是纖維，或多種不同種類的纖維、薄板、篩網(wǎng)、或網(wǎng)狀織物，或它們的組合。
33.根據(jù)權利要求32的多層防火系統(tǒng)，其中的增強纖維包括鎳纖維、玻璃纖維、碳纖維、石墨纖維、礦物纖維、氧化碳纖維、氧化石墨纖維、氧化聚丙烯腈纖維、鋼纖維、金屬性纖維、鍍金屬碳纖維、鍍金屬玻璃纖維、鍍金屬石墨纖維、鍍金屬陶瓷纖維、鍍鎳石墨纖維、鍍鎳碳纖維、鍍鎳玻璃纖維、石英纖維、陶瓷纖維、金剛砂纖維、不銹鋼纖維、鈦纖維、鎳合金纖維、鍍銅鋼纖維、聚合纖維、聚合物涂覆碳纖維、聚合物涂覆石墨纖維、聚合物涂覆玻璃纖維、陶瓷涂覆碳纖維、陶瓷涂覆石墨纖維、陶瓷涂覆玻璃纖維、芳族聚酰胺纖維、玄武巖纖維、耐堿玻璃纖維、E-玻璃纖維、S-玻璃纖維、玄武巖纖維、聚乙烯纖維、SiC纖維，或BN纖維，或它們的混合物。
34.根據(jù)權利要求33的多層防火系統(tǒng)，其中所述的堿金屬硅酸鹽包括硅酸鉀溶液、硅酸鈉溶液、結晶硅酸鈉、結晶硅酸鉀、硅酸鋰、無定形的硅酸鈉、無定形的硅酸鉀、和它們的混合物，其中所述的反應性玻璃包括下式中的化合物a(A’2O)xb(GfO)yc(A”O(jiān))z其中A’表示至少一種堿金屬玻璃改性劑，作為融合劑，Gf表示至少一種玻璃形成物，A”表示，可選地，至少一種玻璃網(wǎng)絡改性劑，a表示融合劑存在的數(shù)量，其范圍從1到約5，b表示玻璃形成物存在的數(shù)量，其范圍從1到約10，c表示玻璃網(wǎng)絡改性劑存在的數(shù)量，其范圍從0到約30，x表示融合劑的摩爾分數(shù)，在約0.050和約0.150之間，y表示玻璃形成物的摩爾分數(shù)，在約0.200和約0.950之間，z表示玻璃網(wǎng)絡改性劑的摩爾分數(shù)，在約0.000和約0.500之間，x+y+z＝1，并且x＜y，其中A’包括鋰、鈉、鉀、銣或銫，其中Gf包括硼、硅、磷、硫、鍺、砷、銻、鋁或釩，其中的A”O(jiān)為至少一種金屬性玻璃改性劑并包括氧化釩、氧化鈦、氧化鋅、氧化鉛、氧化鋁、氧化鋯、氧化鑭、氧化銫、氧化釹、氧化鎂、氧化鈣、氧化鍶、氧化鋇、氧化硅，或它們的混合物；和其中所述的酸性含氧陰離子化合物包括硼酸、磷酸、硫酸、磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉、磷酸氫二鉀、磷酸二氫鉀、磷酸氫銨、磷酸二氫銨、金屬性和/或非金屬性的磷酸鹽，或是加入硼酸鹽、硫酸鹽、鋁酸鹽、釩酸鹽、或鍺酸鹽的化合物，或它們的混合物。
35.根據(jù)權利要求34的多層防火系統(tǒng)，其中所述的增強纖維包括石墨纖維、E-玻璃纖維、S-玻璃纖維、玄武巖纖維、不銹鋼纖維、鈦纖維、鎳合金纖維、芳族聚酰胺纖維、聚乙烯纖維、氧化聚丙烯腈纖維、SiC纖維、BN纖維，或它們的混合物，和其中所述的陽離子是堿土或鋅的陽離子。
36.根據(jù)權利要求35的多層防火系統(tǒng)，其中所述的樹脂組合物包含下列物質的反應產物約30％到約85％重量比的至少所述的堿金屬硅酸鹽；約0.01％到約60％重量比的至少所述的反應性玻璃；約0.01％到約20％重量比的至少所述的酸性含氧陰離子化合物；約0％或0.1％到約20％重量比的至少所述的粘土填料；約0％或0.01％到約20％重量比的至少所述的氧化物；和約15％到約60％重量比的所述的水。
37.根據(jù)權利要求35的多層防火系統(tǒng)，其中所述的樹脂組合物包含下列物質的反應產物約30％到約85％重量比的至少所述的堿金屬硅酸鹽；約0.01％到約20％重量比的至少所述的元素周期表第2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15或16族的多價陽離子；約0.01％到約20％重量比的至少所述的酸性含氧陰離子化合物；約0％或0.1％到約20％重量比的至少所述的粘土填料；約0％或0.01％到約20％重量比的至少所述的氧化物；和約15％到約60％重量比的所述的水。
38.根據(jù)權利要求31的多層防火系統(tǒng)，其中至少兩層所述的堿金屬硅酸鹽樹脂層相互鄰接；并且包含至少一層所述的可選層。
39.根據(jù)權利要求34的多層防火系統(tǒng)，其中至少兩層所述的堿金屬硅酸鹽樹脂層相互鄰接；并且包含至少一層所述的可選層。
40.根據(jù)權利要求36的多層防火系統(tǒng)，其中至少兩層所述的堿金屬硅酸鹽樹脂層相互鄰接；并且包含至少一層所述的可選層。
41.根據(jù)權利要求1的多層防火系統(tǒng)，包括至少兩層，并由至少一個緊固裝置緊固在一起。
42.根據(jù)權利要求41的多層防火系統(tǒng)，其中所述的緊固裝置包括螺栓、卡釘、鉚釘、金屬絲、粘合劑、磁鐵、邊緣通道、螺釘，釘子或它們的組合。
全文摘要
一種防火系統(tǒng)包括至少一層堿金屬硅酸鹽樹脂組合物和下述任一種層的至少一層絕熱層、膨脹層、泡沫層、瓦楞層、反射層和增強材料層。所述防火系統(tǒng)和基材如木料、聚合物等一起使用時，能夠提供增強的防火性能、隔熱性能、抗氧化性能及類似性能。
文檔編號B32B37/00GK1812943SQ200480015712
公開日2006年8月2日 申請日期2004年6月3日 優(yōu)先權日2003年6月6日
發(fā)明者約翰·W·魯濱遜, 安東尼·M·馬扎尼, 克雷格·L·卡特賴特 申請人:豪富公司