多壁聚合物片材、制造方法和使用它的制品 【技术领域】
本公开内容一般地涉及聚合物片材，更具体地涉及多壁聚合物片材。
背景技术
在自然采光结构体(例如温室、泳池框架(pool enclosures)、暖房、体育场、日光浴室等等)的建造中，玻璃在许多应用中用作透明结构部件，例如窗、饰面和屋顶。然而，聚合物片由于若干显著的益处在许多应用中取代玻璃。
聚合物片的一种益处在于它与玻璃相比显示出优异的抗冲击性。在遇到由破坏行为、冰雹、收缩/膨胀等等导致的偶然破裂的应用中，这又减少维护成本。聚合物片的另一益处是与玻璃相比重量显著减轻。这使得聚合物片比玻璃更容易安装而且降低安装它们的结构体的承重要求。
除了这些益处以外，聚合物片最显著的优点之一是它提供比玻璃改善的隔热性能。该特性显著影响聚合物片的整个市场接受性，因为消费者期望效率提高的结构部件以减少供暖和/或制冷成本。
虽然聚合物片相对玻璃具有许多优点，但是持续需要提高的隔热性能和/或结构特性而不增加重量和/或厚度。
概述
本文公开多壁片材、其制造方法和用途。
一种实施方案中，多壁片材包含：包括外层的不相交的聚合物壁和横断层(transverse layer)。该横断层与壁相交以形成单元。该多壁片材具有不均匀的单元密度。
另一实施方案中，多壁片材可以包含：包括外层的不相交的聚合物壁和横断层和/或分隔物(divider)。该横断层和/或分隔物从一个聚合物壁延伸到另一个聚合物壁以形成单元。该多壁片材具有不均匀的单元密度。
另一实施方案中，多壁片材包含：包括外层的不相交的聚合物壁和横断层。该横断层与壁相交以形成单元。该多壁片材在其不同的部分具有不同数目的内层、横断层和/或分隔物。
一种实施方案中，自然采光结构体可以包含：建筑结构体和包含多壁片材的屋顶。该多壁片材可以包含包括外层的不相交的聚合物壁和横断层。该横断层与壁相交形成单元。该多壁片材可以具有不均匀的单元密度。
一种实施方案中，所述多壁片材可以通过挤出形成。
上述和其它特征由下列附图和详细说明作为例子。
附图简要说明
现在参照附图，它们是示例性的实施方案，其中同样的元件编号相同。
图1为具有单元尺寸梯度的9层多壁片材示例性实施方案的截面侧视图。
图2为具有单元尺寸梯度和“V”形分隔物的9层多壁片材另一示例性实施方案的截面侧视图。
图3为在多壁片材末端具有不同单元尺寸而且具有X形分隔物的5层多壁片材示例性实施方案的截面侧视图。
图4为具有正弦曲线形分隔物的6层多壁片材示例性实施方案的截面侧视图。
图5为在壁和分隔物上具有微型特征的3层多壁片材示例性实施方案的截面侧视图。
图6和7为说明不同微型特征几何形状的图5的部分24的示例性分解图。
图8-12为说明在实施例中分别用于试样1-5的多壁片材的多壁片材构造的截面侧视图。
图13和14为说明在实施例中分别用于试样6和7的多壁片材的7层多壁片材构造的截面侧视图。
图15为描绘图8-12的多壁片材的载荷-挠曲曲线的图。
图16为具有单元尺寸梯度的5层多壁片材示例性实施方案的截面侧视图。
图17和18为具有包含2层的部分以及包含不同数目的横断层和不同数目和形状的分隔物的部分、而且包括单元尺寸梯度的5层多壁片材示例性实施方案的截面侧视图。
详述
本文公开的是能够提供改善的隔热性能和/或结构性能而不增加厚度或密度地聚合物片。尽管消费者寻求更大的隔热性能，但是他们不乐意接受更高的密度和/或厚度，和/或降低的结构整体性。消费者期望改进而不牺牲任何当前的性能。本文公开的多壁片材在固定的密度和厚度下具有提高的隔热性能(例如提高大于或等于20％)，同时还提高结构性能(例如提高大于或等于约100％)。在本发明多壁片材的实施方案中，该片材具有减小的单元尺寸和壁厚度和/或从片材中心(或中部)向片材顶部和/或底部减小和/或从片材中心向片材一端或两端减小的单元尺寸梯度。
一种实施方案中，多壁片材包含：包括外层的不相交的聚合物壁和横断层。该横断层与壁相交形成单元。该多壁片材具有不均匀的单元密度。
另一实施方案中，多壁片材可以包含：包括外层的不相交的聚合物壁和横断层和/或分隔物。该横断层和/或分隔物从一个聚合物壁延伸到另一个聚合物壁以形成单元。该多壁片材具有不均匀的单元密度。
另一实施方案中，多壁片材包含：包括外层的不相交的聚合物壁和横断层。该横断层与壁相交以形成单元。该多壁片材在其不同的部分具有不同数目的内层、横断层和/或分隔物。
一种实施方案中，自然采光结构体可以包含建筑结构体和包含多壁片材的屋顶。该多壁片材可以包含包括外层的不相交的聚合物壁和横断层。该横断层与壁相交形成单元。该多壁片材可以具有不均匀的单元密度。
一些实施方案中，片材中部的单元密度是邻近外层的单元密度的约10％-约60％，或者更特别地是邻近外层的单元密度的约15％-约50％，或者再特别地是邻近外层的单元密度的约20％-约40％。该多壁片材可以具有使得单元尺寸朝着多壁片材中心增加的单元尺寸梯度。单元可以具有从片材中部朝向端部减小的尺寸和/或从中部朝向外层减小的尺寸。单元也可以具有小于或等于约2mm的长度和/或宽度。横断层可以具有约0.1mm-约1mm的厚度。另外，聚合物壁和/或横断层可以包含微型特征和/或纳米特征。该多壁片材的刚度可以为大于或等于约4,000N/mm，或者更特别地大于或等于约5,000N/mm，或者再特别地大于或等于6,000N/mm。该多壁片材可以具有在小于或等于约180的标称体积密度时小于或等于约1.2W/m2K的U值，或者更特别地小于或等于约1.0W/m2K的U值。
该多壁片材可以用于多种应用。例如，温室可以包含建筑结构体和包含该多壁片材的屋顶。一种实施方案中，多壁片材包含：大于或等于3个聚合物壁(例如包含第一外层、第二外层和一个或多个内层，其中该聚合物壁可以彼此基本上平行地布置(例如，可以布置它们以至于它们不会相交))和横断层。
多壁片材的层数取决于消费者需求例如结构整体性、总厚度、透光性能和隔热性能。多壁片材的总厚度可以小于或等于约55毫米(mm)或者更厚，或者更特别地约1mm-约45mm，或者再特别地约3mm-约35mm，或者再特别地约3mm-约25mm，更特别地约5-约15mm。该多壁片材具有至少2层，或者更特别地大于或等于3层(例如主层)(例如参见图1-5，壁2)，或者再特别地约3层-约30层，更特别地约4层-约25层，更特别地约5层-约15层。所述层的厚度可以各自为小于或等于约1mm，或者更特别地约0.05mm-约0.9mm，或者再特别地约0.1mm-约0.8mm。
另外，所述片材具有足够数目的横断层以获得期望的结构整体性。除了主层以外可以采用横断层(例如也称为分隔物或肋)(例如参见图1-3，横断层4)。分隔物可以具有不同的几何形状，例如垂直(例如参见图1-3)，交叉(例如X)形(例如参见图3，X形分隔物6)，X的一部分(“V”)形(参见图2)，正弦曲线形(例如参见图4，正弦曲线形分隔物8)，以及任何其它形状和包含这些形状中的至少一种的组合。横断层的厚度可以各自为小于或等于约1mm，或者更特别地约0.05mm-约0.8mm，或者再特别地约0.1mm-约0.6mm。
所述壁2和/或横断层4还可以在其一个或多个表面上包含微型特征22(和/或纳米特征)，也称为格栅(参见图5)。这些微型特征可以具有多种尺寸和形状，如图6和7中所示。例如，除了所示的锯齿形截面形状以外，该表面特征可以包含多边形的形态(例如，方波、梯形、锯齿、偏移锯齿、三角形、金字塔形、棱形)、弯曲形态(例如正弦曲线、弧形、凸起、凹陷、圆锥)、多面体(例如任何多面三维几何形状)、不规则形状等等、以及包括前述至少一种的组合，例如引导、漫射和/或偏振光的微型特征。示例性的特征和形成该特征的方法例如涂布和/或挤出在共同转让的2006年4月13日提交的美国专利申请11/403,590中进一步论述。
所述片材的隔热性能可以通过片材的U值确定。具体地说，U值是在片材两面1开氏温度(°K)的温差下穿过1平方米片材的热能的量。可以根据ISO 10292(1994(e))确定U值。根据下式(I)计算U值：
U＝1/he+1/ht+1/hi (I)
其中：he＝外部传热系数
hi＝内部传热系数
ht＝多层玻璃窗(multiple glaze unit)的热导
1ht=ΣN1hs+ΣMdmrm]]>
其中：
hs＝气体空间热导；
N＝空间数；
M＝材料数；
dm＝每一材料的总厚度；
rm＝每一材料的热阻率(玻璃的热阻率为1m·K/W)
hs＝hg+hr
其中：
hr＝辐射热导
hg＝气体热导(传导和对流)
辐射热导hr由下式给出
hr=4σ(1ϵ1+1ϵ2-1)-1•T3m]]>
其中：
σ＝斯蒂芬-玻尔兹曼常数
ε1和ε2＝气体空间的平均绝对温度Tm下的校正热辐射系数气体热导hg由下式给出
hg=Nuλs]]>
其中：
s＝空间宽度，按米(m)计；
λ＝气体热导率，按瓦特每米开尔文[W/(m·K)]计；
Nu＝努塞尔数，由下式给出
Nu＝A(Gr·Pr)n
其中：
A＝常数；
Gr＝格拉斯霍夫数；
Pr＝普朗特数；
n＝指数
Gr=9.81s3ΔTp2Tmμ2]]>
Pr=μcλ]]>
其中：
ΔT＝玻璃窗每一侧的温差，按开尔文(K)计，
p＝气体密度，按千克每立方米(kg/m3)计，
c＝气体比热，按焦耳每千克开尔文[J/(kg·K)]计，
Tm＝气体平均温度，按开尔文(K)计
由于多壁片材的设计，该片材在固定厚度和密度下具有在小于或等于约180的标称体积密度时小于或等于约1.2瓦特每平方米开尔文(W/m2K)的U值，或者更特别地小于或等于约1.0W/m2K，或者再特别地小于或等于约0.75W/m2K，或者更特别地小于或等于约0.50W/m2K，甚至更特别地小于或等于约0.40W/m2K。另外注意到，在约5.0-约6.5千克每平方米(kg/m2)的密度下，将刚度提高到大于或等于约4,000牛顿每毫米(N/mm)，或者更特别地大于或等于约5,000N/mm，或者再特别地大于或等于约6,000N/mm，甚至大于或等于约6,500N/mm时，达到该U值。
一种实施方案中，制备多壁片材的方法包括：形成至少两层壁和其间的横断层，在保持总的密度和厚度的同时提高片材的隔热性能和结构整体性。现在参照图1，示例性多壁片材的局部截面图具有主层2，其包括通过横断层(例如肋)4连接的第一外层(例如顶层)10和第二外层(例如底层)12。顶层10和底层12以及内层14一般相对于彼此平行。横断层4一般布置在顶层10和底层12之间而且与它们垂直。
多壁片材包含由相邻的横断层4和主层2限定的多个单元16，每一片材包含多个单元16。一些实施方案中，该单元可以具有小于或等于约2mm的长度“l”。该单元可以具有小于或等于约2mm的宽度“w”。例如，该单元的长度“l”可以为小于或等于约100微米(μm)，或者更特别地小于或等于约50μm，或者再特别地小于或等于约10μm，更特别地小于或等于约2μm。该单元的宽度“w”可以为小于或等于约100微米(μm)，或者更特别地小于或等于约50μm，或者再特别地小于或等于约10μm，更特别地小于或等于约2μm。例如，单元可以具有1μm×1μm或4μm×1μm的尺寸(l×w)。如图1和2所示，单元可以具有尺寸梯度。该尺寸梯度可以朝着第一外层10和/或第二外层12和/或第一末端18和/或第二末端20减小。换句话说，整个片材中单元密度(每单位面积的单元数)可以是不均匀的；例如，可以朝着片材外部区域(例如从中部朝着第一外层10和/或第二外层12和/或第一末端18和/或第二末端20)增大，连同任选的为了抗挠刚度和/或扭转刚度而采用的分隔物(例如对角肋料(X形、V形等等))。一些实施方案中，片材中部的单元密度可以是邻近外层的单元密度的约10％-约60％，或者更特别地是邻近外层的单元密度的约15％-约50％，或者再特别地是邻近外层的单元密度的约20％-约40％。例如，对于约2mm×2mm的单元尺寸以及对于10mm2片材，邻近外层的单元密度可以是6而中部的单元密度可以是3。对于约2μm×2μm的单元密度以及对于10mm2片材，邻近外层的单元密度可以是2.5×106，而中部的单元密度可以是400,000。
所述片材，例如每层壁和横断层独立地包含相同或不同的聚合物层材料。示例性的聚合物层材料包括热塑性塑料，包括聚烯烃(例如聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸亚烷基酯(例如聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯))、聚碳酸酯、丙烯酸类树脂、聚缩醛、苯乙烯类(例如抗冲改性聚苯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、苯乙烯-丙烯腈)、聚(甲基)丙烯酸酯(例如聚丙烯酸丁酯、聚甲基丙烯酸甲酯)、聚醚酰亚胺、聚氨酯、聚苯硫醚、聚氯乙烯、聚砜、聚醚酮、聚醚醚酮、聚醚酮酮等等、以及包含前述至少一种的组合。示例性的热塑性共混物包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯/尼龙、聚碳酸酯/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯/聚氯乙烯、聚苯醚/聚苯乙烯、聚苯醚/尼龙、聚砜/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚碳酸酯/热塑性聚氨酯、聚碳酸酯/聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯/聚对苯二甲酸丁二醇酯、热塑性弹性体合金、尼龙/弹性体、聚酯/弹性体、聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚对苯二甲酸丁二醇酯、缩醛/弹性体、苯乙烯-马来酸酐/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚醚醚酮/聚醚砜、聚乙烯/尼龙、聚乙烯/聚缩醛等等。然而，在所示的特定实施方案中，预想采用聚碳酸酯材料，例如商品名为的那些，它们可从General Electric Company，GE Plastics，Pittsfield，MA购得。
添加剂可以用于改进聚合物材料的表现、性能或加工。示例性的添加剂包括抗氧化剂，例如有机亚磷酸酯，例如亚磷酸三(壬基苯基)酯、亚磷酸三(2，4-二叔丁基苯基)酯、二亚磷酸双(2，4-二叔丁基苯基)季戊四醇酯或二亚磷酸二硬脂基季戊四醇酯，烷基化的一元酚、多元酚和多元酚与二烯烃的烷基化反应产物，例如四[亚甲基(3，5-二叔丁基-4-羟基氢化肉桂酸酯)]甲烷，3，5-二叔丁基-4-羟基氢化肉桂酸酯十八烷基，2，4-二叔丁基苯基亚磷酸酯，对甲酚和二环戊二烯的丁基化反应产物，烷基化氢醌，羟基化硫代二苯醚，亚烷基双酚，苄基化合物，β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)-丙酸与一元醇或多元醇的酯，β-(5-叔丁基-4-羟基-3-甲基苯基)-丙酸与一元醇或多元醇的酯；硫代烷基或硫代酰基化合物的酯，例如二硬脂基硫代丙酸酯、二月桂基硫代丙酸酯、二(十三烷基)硫代二丙酸酯，β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)-丙酸的酰胺；填料和增强剂，例如硅酸盐、纤维、玻璃纤维(包括连续和切短纤维)、云母以及其它添加剂例如脱模剂、UV吸收剂、稳定剂例如光稳定剂及其它、润滑剂、增塑剂、颜料、染料、着色剂、抗静电剂、发泡剂、阻燃剂、抗冲改性剂等等。
可以选择特定聚合物以提供期望的透光性。例如，聚合物可以提供大于或等于约70％的可见光透射，或者更特别地大于或等于约80％，甚至更特别地大于或等于约85％，如按照ISO 9050所测定。考虑300纳米(nm)-2,500nm的太阳光谱。通过如ISO 9050中规定的那样对于该波长积分在数值上预测透光性。
可以用挤出工艺形成所述多壁片材。
下列实施例只是示例性的，并不意图限制本文公开的多壁片材。
实施例
实施例1：U值
如图8-12所示的多壁片材可以在数值上预测密度、刚度、U值和透光性。所有这些多壁片材都可以由聚碳酸酯形成。图8的多壁片材试样1具有1.0mm厚的外壁，0.1mm厚的内壁和横断分隔物，17层，2mm×2mm的单元尺寸和16×20的单元数。图9的多壁片材试样2具有1.0mm厚的外壁(外层)，0.1mm厚的内壁和垂直的横断分隔物，9层，3.2mm×2mm的单元尺寸和8×20的单元数。图10的多壁片材试样3具有1.0mm厚的外壁(外层)，0.1mm厚的内壁以及垂直和X形横断分隔物，11层，3.2mm×2mm的单元尺寸和10×20的单元数。图11的多壁片材试样4具有0.8mm厚外壁，0.1mm厚内壁以及垂直和X形横断分隔物，11层，4mm×2mm的单元尺寸和10×20的单元数。图12的多壁片材试样5具有1.0mm厚外壁，0.2mm厚内壁和X形横断分隔物，以及0.45mm厚垂直横断分隔物，5层，5×2的单元数。
1Lt Trans.＝透光性(τ)其中T＝0.88和R＝0.12是LEXAN片材典型的透射和反射系数。
2Lt Trans.＝透光性(τ)其中T＝0.96和R＝0.04是所提出的纳米结构化的或抗反射涂布的壁的透光(T)和反射(R)。
不受理论限制地，认为间隙数目提高U值对流传热部分的阻力，其中减小到2mm以下的单元尺寸使对流传热部分显著减少。另外，具有在空间上分布的密度的单元尺寸提高片材刚度。这种单元数目上的增加减小透光性，这可以用透光涂层和/或结构提高。
如同从表中可以看出的那样，试样1-4表现出显著的刚度提高(例如刚度比提高大于80％，同时刚度大于或等于约5,000N/mm，或者更特别地大于或等于约6,000N/mm，甚至更特别地大于或等于约6,200N/mm)。在保持小于或等于0.750W/m2K、甚至小于或等于0.500W/m2K的U值的同时实现结构整体性和透光性的提高。
通过模拟典型的单轴压缩或拉伸试验在数值上计算刚度。这提供多壁片材拉伸和压缩性能方面的信息。抗挠刚度是拉伸或压缩刚度的派生性能。
实施例2：刚度
如图13和14所示的片材可以通过1,200mm跨度和1,200牛顿每平方米(N/m2)载荷的数值模拟评价挠曲性能。试样6，图13，具有84kg/m3的密度和7.764mm的最大挠曲。试样7，图14，具有85kg/m3的密度和4.785mm的最大挠曲。试样7和试样8的比较表明在空间上受控制的片材(试样8)刚性高38％。
此外，如图15所示，实现了刚度的显著提高。如同从图中看出的那样，试样1-4(分别为线1-4)显示出基本上相同的刚度，也就是两倍于试样5(线5)的刚度。
图16-18显示包含不均匀单元密度的其它实施方案。图16中，虽然存在若干内层14，但是分隔物30只是从一个聚合物壁延伸到相邻的聚合物壁从而以非垂直的方式与聚合物壁接合。多个分隔物30位于相邻的横断层4之间。靠近多壁片材的末端32，横断层4比在多壁片材中央部分34更紧密地设置在一起(任选地没有分隔物30)。
分隔物30另外在图17和18的中央部分显示，连同在片材其它部分、即末端部分38和中间部分40中采用的不同构造的分隔物和横断层。在该实施方案中，末端和中间部分38、40仅包括外层10、12(例如2层多壁片材)而没有内层14，然而中央部分包括内层14。图17具有多个空间受控制区域以实现期望的结构整体性和隔热性能。因此，除了具有单元尺寸梯度以外，片材可以在其不同的部分具有不同数目的内层、横断层和/或分隔物。另外，或者可供替代地，不同部分可以具有不同类型的分隔物。例如，图18中，在不同的部分36、40采用延伸跨越超过两层、例如从外层10延伸到外层12的分隔物(单元间分隔物42)和仅仅在相邻层之间延伸的分隔物(单元内分隔物30)。在部分38中，仅采用横断层而没有内层或分隔物。
另外注意到虽然特别地关于自然采光结构体(例如温室、日光浴室和泳池框架)论述本发明的多壁片材，但是该聚合物片材可以设想用于期望聚合物片材具有多壁设计的任何应用中。示例性的应用包括天窗、顶篷、百叶箱(shelters)、窗、照明器材、日光浴床、体育场屋顶等等。
本文公开的范围包括端点在内而且可组合(例如，“至多约25wt％、或者更特别地约5wt％-约20wt％”的范围包括端点和“约5wt％-约25wt％”的范围内的所有中间值，等)。“组合”包括共混物、混合物、合金、反应产物等。此外，术语“第一”、“第二”及其它在本文中不表示任何顺序、数量或重要性，而是用于将一种要素与另一要素区别开来，术语“一个”、“一种”在本文中不表示数量的限制，而是表示存在至少一个所提及的项。与数量相连使用的修饰语“约”包括指出的数值并且具有上下文中规定的含义(例如包括与具体数量的测量有关的误差程度)。本文使用的复数后缀意图包括单个和多个的它修饰的项，由此包括一个或多个该项(例如着色剂包括一种或多种着色剂)。在整个说明书中提及“一种实施方案”、“另一实施方案”、“一个实施方案”等等是指，连同该实施方案描述的特定要素(例如特种、结构和/或特性)包括在本文所述的至少一种实施方案中，而且在其它实施方案中可以存在或可以不存在。另外，应当理解所述的要素可以在不同的实施方案中以任何适合的方式组合。
所有引述的专利、专利申请和其它参考文献都整个通过引用并入本文。然而，如果本申请中的术语与并入的参考文献中的术语相矛盾或抵触的话，本申请的术语优先于来自并入的参考文献的抵触术语。
虽然已经参照优选实施方案描述了本发明，但是本领域技术人员将会理解在不脱离本发明的范围的情况下可以进行各种改变以及等价物可以代替其要素。另外，在不脱离本发明基本范围的情况下可以进行多种改进从而使特定情形或材料适应本发明的教导。因此，希望本发明不限于作为设想用于实施本发明的最佳方式而公开的特定实施方案，而是本发明将会包括落入所附权利要求的范围内的所有实施方案。