本发明涉及一种方法以及一种含有不可燃的不连续相（如粒子或加强纤维）的不可燃复合结构，其中的不连续相材料灌封在不可燃的连续相中（如无机可固化的液体基质）。 复合结构包含有灌封在连续相（如可硬化的液体连接基质）中的一种或多种不连续相（如加强纤维），含有由玻璃、炭或其他无机材料不连续相构成的加强纤维的复合结构通常包含有用作连续相的热固性的有机树脂基质，当把温度加热到800°F（427℃）以上时，大多数的热固性有机基质材料都要分解并产生烟雾或放出有毒气体，温度提高到1200°F（649℃）时，玻璃纤维就要熔化。主要由于这些原因，含有用玻璃纤维加强物作为不连续相的复合结构不适于制造可能暴露于火焰之中的构件，也不适于用作在地面上存储或运输易燃液体的管道或罐体。
国家防火协会（NFPA）的标准30涉及到易燃液体的存储和处理，并且要求用钢或其他不可燃的结构材料制作地面上的燃料存储罐、地面上的炼油厂管道等。联邦航空局（FAA）和运输部（DOT）要求飞机客舱和火车座舱都要用暴露在750°F（399℃）以上的火焰温度时不燃烧而且不产生有毒气体地材料来制造。地面上的钢罐要腐蚀，而且常常会由于雷击或在保养、修理被腐蚀的钢罐部分期间不小心而引起失火;木质的住房结构特别易于被火烧毁，而普通塑料和树脂浸渍的玻璃纤维构件在暴露于着火温度下会产生有毒气和有毒烟雾。
普通的用作连续相的复合基质材料一般都是由两种相当昂贵的热固性有机聚合物构成而且在装运、储存和处理时都要特别小心，当这种有机的基质材料构成不饱和聚脂或聚乙烯树脂时，它们通常都含有重量百分比为50%以上的苯乙烯单体，而且必须把它们作为易燃液体来处理。苯乙烯单体产生一种特殊气味要求式作环境经常通风。如果所选用的有机基质材料含有环氧树脂的话，必须特别小心防止胺固化剂接触工作人员的皮肤或吸入人体。另外，上述类型的普通复合基质材料要用专门的溶剂或者其他化学物质来清洗所用的工具和容器。
人们早就认为可溶性硅酸盐不能用作纤维加强复合材料的连续相，其原因之一是可溶性硅酸盐腐蚀玻璃并且要用脱水的方法来固化而不是通过聚合反应或化学反应来固化。固化的可溶性硅酸盐的粘结强度和层间拉剪强度基本上不如大多数的塑料和热固性树脂。而且，除非进行涂复或专门的热处理，否则固化的可溶性硅酸盐会慢慢地溶解于水。另外，如果脱水太快而使可溶性硅酸盐材料固化，如用微波能量固化或暴露于高于150°F（65℃）温度下固化，就会使复合结构变得极脆而报废。
申请人已经发现，如果加入适当的金属氧化物和粘土来改进液体可溶性硅酸盐，那么，这种可溶性硅酸盐就可产生用于构成纤维加强复合结构的连续相基质的普通化学组合物所迫切需要的结构性能和化学性能。
例如：用非渍制编织的和非编织的玻璃纤维绳作为和可固化液体有机粘结基质结合的复合结构的不连续相，这种材料加热到1300°F（704℃）时就会熔化，我发现如果用某种液体可溶性硅酸盐同时浸渍并粘结玻璃纤维丝，即使把温度加热到这种玻璃纷纷的熔点以上，由这种材料构成的复合结构也不会损坏。我还发现如果复合结构的连续相由加入少量某种金属氧化物改进的液体可溶性硅酸盐构成的话，即使这种液体连续相以过快的脱水速度固化，如在高于215°F（102℃）的温度下形成复合物，那么这样形成的复合结构基本上不溶于水。
申请人进一步发现低粘度的可溶性硅酸盐很容易浸渍和涂复玻璃或炭纤维丝，而且可以用来制造绕制管状复合构件的纤维，可溶性硅酸盐的热固性树脂便宜、无毒、工具和成形设备能用水简单地清洗干净，而且清除它们时不污染环境，能安全地运输和处理，还能安全而容易地保存多年，这种可溶性硅酸盐还可以用适当的脱水技术来固化。据申请人所知，在此以前还没有人找到切实可行的方法利用所想望的可溶性硅酸盐的性能把它作为复合结构的不可燃的连续相，这种复合结构还包含不可燃的纤维或粒子作为不连续相。
因此，本发明的目的是提供把液体可溶性硅酸盐用作不可燃复合结构的连续相基质材料的经济而有效的方法。
按照本发明的一个方面，一种方法包括下述步骤，把金属氧化物与液体易溶的硅酸盐混合形成不可燃液体连续相;制备不连续相，它至少由不燃的连续的纤维丝或不可燃的无机物粒子构成;用液体连续相浸渍不连续相以形成复合基层结构;以及干燥基层结构以提供固化的不可燃复合结构。
本发明的另一个方面是要保护由上述方法制成的复合结构，如以下所述“复合结构”一词包括纤维丝绕制构件、板材、隔离材料和可刷涂料。
从下面结合附图的描述可以更清楚理解本发明的其他优点和目的。
图1表示适于构成不可燃复合结构的不连续相的多股绞捻纤维绳这种绳是用可固化液体连续相浸渍过的。
图2表示多股绞捻纤维绳，在其中纵向中心有一条可弯曲构件。
图3是表示多层复合管形的不可燃复合结构的局部剖切的等比例视图。
图4是表示一对相邻的管端机械连接于一起的接头结构的剖面图。
图5是表示接头结构沿纵向取向的基质浸渍绞合绳的等比例局部放大图。
图6是表示构成接头结构的沿圆固定向的基质浸渍绞合绳的成形和固化设备的示意图。
实现本发明的最佳方式：
我发现如果某种可溶性硅酸盐和5%（重量比）的粉末状氧化锌混合形成液体组合物并且加热到250°F（120℃）把它脱水，这样所得到的固化材料是很脆的，但是它基本上不溶于水，那么，可以确定这种液体组合物能适用于作膨胀珍珠岩或膨胀蛭石的胶合剂，由此可以制造高温、不燃烧而且防火的复合隔热层。这种隔热材料已经用于防火门或地面上的管道和罐体。
我还发现如果含有玻璃纤维（不连续相）的分层板片或带状物用液体可溶性硅酸盐（连续相）浸渍后，再暴露于吹过其表面的热空气中，它们将被粘结在一起形成多层的不可燃复合结构，这样，进一步可以确定：这种结构可以用来制成用作存放或运输不易燃或易燃液体或气体的纤维绕制管道、压力容器和罐。
申请人还发现，某种流体可溶性硅酸盐具有足够低的粘度，能使它们很容易地浸渍构成紧密编织的玻璃纤维的连续细丝搓合绳或纤维细丝，申请人进一步发现这种硅酸盐在复合结构中作为连续相是有用的，这种类型的复合结构在我的待审批的美国专利申请NO 838.463（1992年2月26日申请）中已披露，名称是“双壁复合管道和耦合结构组件及其制造方法和设备”，在此用作参考。实际上某一种低粘度液体可溶性硅酸盐已经用于在参考的专利申请中描述的可渗透的复合管道环形结构，作为打底涂层的理想的基质材料，它是不可燃的，其燃点超过1000°F（538℃），可溶性硅酸盐也可以配合炭纤维用来制造阻燃温度高于2000°F（1076℃）的不可燃复合结构。
进一步的发现是如果某些液体可溶性硅酸盐基质材料在低于150F（65℃）的温度下慢慢地固化，那么纤维加强的复合结构会保持纤维加强物抗拉强度，如果构成美国专利US 3784，441“复合结构”（1974年1月8日公开）中所述类型的复合结构，使用液体可溶性硅酸盐基质能构成高抗拉强度的电绝缘体，这种绝缘体不会产生发生表面弧光放电的炭通路。
如果把可溶性硅酸盐液体暴露于空气中，它就会脱水而固化，我发现如果把少量的粘度大约为10厘沲的道氏硅酮200（Dow Silicone 200）液体加到液体可溶性硅酸盐中，液体可溶性硅酸盐的储存期限和有用的“罐储期限”可以增加几个月，硅酮液的这种油状膜浮在主要由液体可溶性硅酸盐的液体基质混合物的表面，提供一种不透气的阻挡层，这个空气阻挡层阻止脱水以及形成固化的硅酸盐膜或皮，这种膜会改变液体可溶性硅酸盐的粘度以及纤维湿润和浸渍性能。
把硅酸盐基的基质用于加强的复合结构的许多优点包括：形成具有熔点高于玻璃纤维熔点2倍的不可燃复合;把液体基质的成本降低到任何普通的热固性树脂的成本以下：提供完全无毒的工作环境;简化了任何废弃的液体基质材料的处理方法;提供一种无味、无污染和环境安全的不易燃基质材料;能迅速而简单地只用水就可以清洗基质涂复设备和基质处理装置;使用单一成分的基质系统而无需混料;以及提供一种在温热干燥空气中或在室温下就固化的基质。
按照本发明最广泛的一个方面，制造不可燃复合结构的方法由下述步骤组成：把金属氧化物与液体可溶性硅酸盐混合以形成不可燃的液体连续相;制备不连续相，它至少由不可燃的连续的纤维丝或不可燃的无机物粒子构成;用液体连续相浸渍并湿润不连续相，以便形成复合基层结构;以及把复合基层结构干燥而固化连续相，从而形成固化的不可燃复合结构。混料步骤最好包括把大约为连续相重量的1.0%到5.0%的金属氧化物加到液体可溶性硅酸盐中，加料步骤可以包含把粉末的金红石品位的二氧化钛、氧化锌粉末，和/或氧化铁粉末加到液体可溶性硅酸盐中。液体可溶性硅酸盐最好具有约60到400厘泊的粘度，大约40.0到42.2度（玻氏度）的比重以及大约11.3的pH值。
在氧化物粉末混入液体连续相之前可以先把适量的粉末状高岭土（例如液体可溶性硅酸盐重量的5.0%和40.0）和一种或多种金属氧化物粉末来混合，以便提供一种具有要求粘度和搅溶性的可刷涂的不可燃复合结构或涂料。这种可刷涂的涂料可以配合氧化铁或其他金属氧化物成彩色的，高岭土（Al2O3＊2H2O）是大多数粘土中的主要成分，有些粘土含有石灰、碱、有机物质和其它杂质。在把粘土与液体可溶性硅酸盐混合时，粘土并不溶解，但它们悬浮在胶体状溶液中。当液体可溶性硅酸盐固化时，含有粘土的混合物变硬，并且由于粘土呈现双向胶体的特性，所以这种混合物呈现出相当高的抗压强度。
上述的制备步骤最好包括制备由玻璃纤维或炭纤维的不连续相，其体积大约为复合结构的30%到70%。如果用玻璃纤维，最好用直径为3到25μm的E玻璃制成，并且做成为单位重量的长度值为大约50-675码/磅的绳。
为了加速连续相脱水和固化，干燥步骤最好是把复合基层结构暴露于大约65°F（18℃）到150°F（66℃）的温度下，暴露步骤可以把热风吹到复合基层结构上，直到把它固化为止。
如上所建议的，这种方法也可以把具有比液体可溶性硅酸盐的比重低的抗固化剂加到液体可溶性硅酸盐中，按照这种优选的方法，加入步骤包括把硅酮液体以足以在液体连续相的表面上形成薄的不透气的硅酮油膜的量加入到液体中，优选的硅酮液体是道氏200聚二甲基硅氧酮液体，它具有大约10-100厘沲的粘度。
图1和图2说明在本发明的方法在工业生产中的应用所提供的绞合成的用以形成不连续相的多股纤维绳10，其中具有用液体基质11（连续相）按浸渍和湿润步骤浸渍的单独的纤维丝12。图3-6表示把经过浸渍的绞合绳13设置在成形表面上而形成第一层14的方法图6表示干燥步骤最好包括把经浸渍的绞合绳13的至少一个表面15暴露于大约150°F（66℃）的固化温度，一种方法是用热风吹风机16把热空气吹到复合结构的表面15上来加速液体连续相11的脱水和固化以便形成把绞合绳13粘结在一起的基质。
这种方法进一步包括重复上述的编织、浸渍和湿润步骤以便形成经浸渍的绞合绳13的第二层18，并把第二层18铺设在第一层14上以形成多层复合结构19，如图3和4所表示的那样。如这些图所示，铺设步骤可以把第二层18与第一层14交叉设置，以使第一、二层的绞合绳成两个方向取向。铺设步骤最好把第一层和第二层的纤维绳10取向至少近于相互垂直。
本发明的液体复合物提供一种安全、防火、无毒、无味和低粘度的无机连续相复合物基质，它主要可以用来提高普通纤维玻璃和其它类型合适材料的耐温性。施加这种复合物无需通风，也不用刷子、辊子或喷涂设备。这种复合物可以用作纤维绕制基质用来制作防火复合管道和罐体结构。如果与连续的或编织加强纤维配合使用，它可以模压、Pultruded或用作卧置基体。如果与膨胀珍珠岩或蛭石配合，它可以用作不可燃的复合隔热层的连续粘接基质;如果配用精细碾碎的粘土、岩石或沙，它可以用作可刷涂的防火不燃的复合涂料的可固化液体基质。
本发明的液体复合物可以用精通的塑料容器运输和储存，在运输和储存温度低于150°F时最低的储存期限是5年，它可以用来制造无烟防火飞机客舱复合结构和室内房屋构件和家具，如果把它们暴露于火焰之中也不生烟或有毒气体。本发明的不可燃的复合物材料不受苯乙烯单体。石油液体、未固化的聚脂和环氧类塑料、及亚甲基氯化物之类的无极性溶剂的作用。除了某些人造发泡材料隔热之外，如果预料本发明的不可燃复合物可能会长期与水、酸、碱或食品接触的话，应该把它们不透水的防火涂层或构件密封起来。
使用复合物作为基质的复合结构的其他方面的工业应用包括：高抗拉强度的不易碎复合电气绝缘子，在电弧通过结构外表面时，这种绝缘子不产生炭通路;能承受至少2000°F（1093℃）而保持结构性能不变的防火隔离结构容器;容纳熔化的金属的铸模;以及不可燃炭纤维复合物，如：用于枪筒、灰浆和火箭炮火箭发射管、导弹助推器外壳、固体燃料火箭喷口等等。
例Ⅰ：
参考图1-6，各种不可燃复合结构都包含有由玻璃加强纤维10构成的不连续相，然后用可固化的液体基质11构成的连续相浸渍该不连续相，连续相由下列比例的成分组成（按重量分配）：
20.0份液体可溶性硅酸盐，其粘度为100厘泊，密度为1.37克/厘米3（40.0玻氏度）以及pH值为11.3.（商品名称：“PQ可溶性硅酸盐”，产品名称“硅酸钠溶液E”，PQ公司工业化学分部生产）;
1.0份粉末状金红石品位氧化钛（商品名称：“氧化钛”）;以及
0.02份聚二甲基硅氧烷，其粘度为10厘沲，（商品名称：“Dow Corning20.0液体”，由Dow Corning公司制造）。
用液体基质浸渍玻璃加强纤维的步骤之后是固化，把复合结构的表面暴露于相对湿度低于80%而温度大约75°F的环境空气中使复合结构固化。接着，用厚度为0.020到0.080寸（0.5-2.0mm）的编织玻璃纤维布制造复合结构板。
例Ⅱ：
用类似于图6所示的过程制造一个不燃的管状结构，不固定的连续玻璃纤维绳10从绳盒20中拉出来，穿过导环21，然后把干燥的绳22穿过导向器23进入装满液体基质11的涂料槽24，绳22在涂料槽中浸渍。液体基质和上述例Ⅰ中所述的一致，然后，绳22在涂料浸渍棒25下面通过，再从条带成形杆26上面通过条带刮辊27，最后在条带宽度控制棒28下面把条带导入成形表面并铺设在成形表面上。在被铺设于成形表面上之前，先把条带30移动通过热风吹风机16，以使条带的上、下两个表面15简短地暴露于热空气17之中，吹风机产生的热风温度接近于450°F（196.7℃）。
为了保证条带的液体基质不沸腾或不被脱水太快，条带的表面温度不允许超过大约150°F（65.6℃），条带的厚度大约为0.020寸（0.5mm）用10层条带制成厚度为0.2寸的复合圆筒结构。可以发现，用热风机16来干燥固化液体基质复合结构，多层的复合层迭件可以立刻变硬，足以在制好后立刻就能从圆柱成形表面上取下来。
例Ⅲ
用膨胀珍珠岩作为不连续相来制造不可燃的复合合成发泡结构，用下列配比（重量）的混合物作为连续相：
20.0份液体可溶性硅酸盐，其粘度为100厘泊，密度是1.37克/厘米3（40.0玻氏度），pH值为11.3（商品名称：“PQ可溶性硅酸盐”。产品名称：“硅酸盐溶液E”由PQ公司的工业化学分部制造）;和
1.0份粉末氧化锌。
被推荐用作不可燃合成发泡隔热材料的最好形式的膨胀珍珠岩是本例中所用的定名为“原生农业级未涂复的“珍珠岩把干燥的珍珠岩加入到液体基质中，并用混料机混合直到它具有像揉好的面包生面团那样的粘性。然后，把混合物铸入模具并置于炉中加热到275°F（135℃）。在加热到至少250°F（121℃）的热空气中2小时之后，复合基质就已经固化了，并形成不可燃的合成发泡材料，把它浸没在水中多日它也不会溶解或解体。
这种复合不可燃的隔热材料可以用来制造层顶盖板、包围炉体、蒸汽输送管道以及用来隔音和玻璃纤维烟道及空调管路系统的防火。如果置于胶木板或玻璃纤维板之间，这种隔离材料可以用来制造防火墙和防火门。
例Ⅳ
用粘土颗粒作为不连续相并按下面的配方配制连续相的混合物，来制造白色可刷涂的不可燃复合结构或涂复材料：（重量配比）
14.0份液体可溶性硅酸盐，粘度为100厘泊，密度是1.37克/厘米3（40.0玻氏度），pH值是11.3（商品名称：“PQ可溶性硅酸盐”产品名称：“硅酸钠溶液E”PQ公司工业化学分部制造）;
1.0份金红石品位的氧化钛粉末（商品名称：“氧化钛”）;和
0.02份聚二甲基硅氧烷，粘度10厘沲（商品名称：“Dow Corning 200液体”Dow Corning公司制造）。
复合涂料的不连续相部分由200μm粒度的高岭土组成（商品名称“Thiele RC 32”John K.Bice公司制造）。4份（重量配比）干的不连续相加入到15.02份液体连续相中并充分混合，然后把得到的白色涂料刷涂到各种清洁的木材表面，形成白色基底涂层，它可以防止木材表面由丁烷喷枪产生2000°F的火焰引起燃烧。这种不可燃的复合基底涂层可以看出是鼓起来的，因此可以改善木材表面的隔火性能。还可以发现这种复合基底涂料是可涂复的而且可以和多种室内和室外用的醇酸涂料兼容。