CN115190841A - 功能化纺织品材料的集合体及其使用方法 - Google Patents

Abstract

描述了堆叠材料层的集合体。所述集合体包括功能层和结构层。功能层包括在天然、合成或金属材料的织造或非织造基材上的无粘合剂陶瓷材料。功能材料层和结构材料层可以被配置为将水分或热从内表面传输到暴露于周围环境的外表面。

Description

功能化纺织品材料的集合体及其使用方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2019年12月12日提交的PCT申请号PCT/US2019/065978的优先权，并要求2020年3月13日提交的美国临时申请号62/989,092、2020年3月13日提交的美国临时申请号62/989,150、2020年6月12日提交的美国临时申请号63/038,642、2020年6月12日提交的美国临时申请号63/038,693以及2020年6月16日提交的美国临时申请号63/039,965的权益，所有这些申请以引用的方式整体并入本文。

技术领域

本发明涉及用在纺织品表面上的陶瓷表面改性材料(特别是，无粘合剂陶瓷，诸如金属氧化物和/或金属氢氧化物陶瓷，或转化涂层)对纺织品表面的功能化；以及相对于单独或未功能化的层提供功能益处的此类材料层的集合体。

背景技术

相对于未功能化的纺织品层，对纺织品表面的功能化在纺织品性能方面提供了期望的益处。可以为单个系统或制品提供多种有益特性的层的集合体是合乎需要的，并且与单独的功能层或未功能化层的集合体相比时可以提供附加的益处。此外，可以通过整合单独的功能层以形成集合体来增强所需的性能特征。

发明内容

提供了功能材料层和结构材料层和/或具有其他有益特性的层的集合体。功能层可以包括在基材(诸如纺织品基材)上的陶瓷材料。

在一个方面，提供了一种包括顶部表面和底部表面的材料集合体，其中所述集合体包括：(a)x个A_t材料层，其包括一种或多种功能特性，其中所述A_t层包括有包括所述顶部表面的最顶层；(b)y个A_b材料层，其包括一种或多种功能特性，其中所述A_b层包括有包括所述底部表面的最底层；和(c)在x个A_t层与y个A_b层之间的z个B绝热、结构或其他功能有益的材料层，其中x、y和z是相同或不同的层数，其中所述A_t层和/或所述A_b层可以各自包括在基材上的陶瓷材料，诸如无粘合剂陶瓷，例如无粘合剂多孔陶瓷材料，并且其中每个A_t层和/或每个A_b层上的所述陶瓷材料是相同或不同的。在一个实施方案中，至少一个A_t层包括在基材上的陶瓷材料，诸如无粘合剂陶瓷，例如无粘合剂多孔陶瓷材料。在另一个实施方案中，至少一个A_b层包括在基材上的陶瓷材料，诸如无粘合剂陶瓷，例如无粘合剂多孔陶瓷材料。在另一个实施方案中，至少一个A_t层和至少一个A_b层各自包括在基材上的陶瓷材料，诸如无粘合剂陶瓷，例如无粘合剂多孔陶瓷材料。在一些实施方案中，顶部表面和/或底部表面包括陶瓷材料，诸如无粘合剂陶瓷，例如无粘合剂多孔陶瓷材料。在一些实施方案中，A_b层和/或A_t层包括多种功能(例如，美观和/或性能相关)特性。

在另一方面，提供了一种包括顶部表面和底部表面的材料集合体，其中所述集合体包括：(a)x个A材料层，其包括一种或多种功能特性，其中所述A层包括有包括顶部表面的最顶层，其中A层各自包括在基材上的陶瓷材料，诸如无粘合剂陶瓷，例如无粘合剂多孔陶瓷材料；和(b)z个B绝热、结构或其他功能有益的材料层，其中B层包括有包括底部表面的最底层，并且其中x和z是相同或不同的层数。在一些实施方案中，所述集合体不包括A_b层。

在另一方面，提供了一种包括顶部表面和底部表面的材料集合体，其中所述集合体包括：(a)x个A_t材料层，其包括一种或多种功能特性，其中所述A_t层包括有包括所述顶部表面的最顶层；和(b)y个A_b材料层，其包括一种或多种功能特性，其中所述A_b层包括有包括所述底部表面的最底层，其中所述A_t层和所述A_b层各自包括在基材上的陶瓷材料，诸如无粘合剂陶瓷，例如无粘合剂多孔陶瓷材料，其中所述A_t层上的所述陶瓷材料与所述A_b层上的所述陶瓷材料不同，并且其中x和y是相同或不同的。在一些实施方案中，所述集合体不包括B层。在一个实施方案中，至少一个A_t层包括在基材上的陶瓷材料，诸如无粘合剂陶瓷，例如无粘合剂多孔陶瓷材料。在另一个实施方案中，至少一个A_b层包括在基材上的陶瓷材料，诸如无粘合剂陶瓷，例如无粘合剂多孔陶瓷材料。在另一个实施方案中，至少一个A_t层和至少一个A_b层各自包括在基材上的陶瓷材料，诸如无粘合剂陶瓷，例如无粘合剂多孔陶瓷材料。在一些实施方案中，顶部表面和/或底部表面包括陶瓷材料，诸如无粘合剂陶瓷，例如无粘合剂多孔陶瓷材料。在一些实施方案中，A_b层和/或A_t层包括多种功能(例如，美观和/或性能相关)特性。

在一些实施方案中，所述陶瓷材料主要是结晶的。在一些实施方案中，所述陶瓷材料包括金属氧化物、金属氧化物的水合物、金属氢氧化物和/或金属氢氧化物的水合物。在一些实施方案中，所述陶瓷材料包括金属氢氧化物，并且金属氢氧化物的至少一部分包括层状双氢氧化物。在一些实施方案中，所述陶瓷是结构化陶瓷，诸如纳米结构化陶瓷。

在一些实施方案中，所述陶瓷材料包括混合金属氧化物、混合金属氧化物的水合物、混合金属氢氧化物和/或混合金属氢氧化物的水合物。在一些实施方案中，所述陶瓷材料包括混合金属氢氧化物，并且所述金属氢氧化物的至少一部分包括层状双氢氧化物。

在一些实施方案中，所述陶瓷材料包括混合金属氧化物、混合金属氧化物的水合物、混合金属氢氧化物和/或混合金属氢氧化物的水合物的化学转化。在一些实施方案中，所述陶瓷材料包括混合金属氢氧化物，并且所述金属氢氧化物的至少一部分包括层状双氢氧化物，其中插层离子已被交换(例如，最初产生的层状双氢氧化物中的插层金属离子已被交换为不同的插层离子)。

在一些实施方案中，用于至少一个A_t层和/或至少一个A_b层的所述基材包括织造、非织造或针织的合成或天然纺织品、或金属网、金属筛或金属布。在一些实施方案中，用于至少一个A_t层和/或至少一个A_b层的所述基材包括合成或天然材料膜或聚合物。

在一些实施方案中，每个A_t层和/或A_b层包括选自以下的一种或多种功能特性：冰或冷凝物管理、防冰、防霜、超疏水性、超亲水性、对微生物生长的抑制或抵抗、耐腐蚀性、电磁调制、热调制、阻燃性、透气性、动态抗风、颜色、吸收性、阻隔性、维护特性(例如，色牢度、抗降解性(例如，在洗涤过程中)、易清洁性、抗皱性、抗臭性)、美观特性(例如，颜色反射率、饰面(例如，哑光、乳光)、颜色深度(例如，颜色随观察角度的变化))、气味控制、耐磨性、机械特性(例如，刚度、拉伸强度(例如，抗撕裂性)、抗冲击性)、表面摩擦、手感、耐久性或其组合。

在一些实施方案中，x和/或y大于1，并且每个A_t层和/或A_b层包括至少一种与其他A_t层和/或A_b层不同的功能特性。在一些实施方案中，每个A_t层包括至少一种与其他A_t层不同的功能特性。在其他实施方案中，每个A_b层包括至少一种与其他A_b层不同的功能特性。在其他实施方案中，A_t层包括与A_b层不同的功能特性。

在一些实施方案中，包括所述顶部表面的所述最顶层(最顶部A_t层)和包括所述底部表面的所述最底层(最底部A_b层)具有相同的功能特性。在一些实施方案中，包括所述顶部表面的所述最顶层(最顶部A_t层)和包括所述底部表面的所述最底层(最底部A_b层)具有不同的功能特性。

在一些实施方案中，每个B层包括一种或多种选自以下的结构特性：热阻、电阻、结构支撑、机械填充、美观、舒适、保护性、耐久性、维护特性(例如，快干性、易折叠性、色牢度、抗降解性(例如，在洗涤过程中)、易清洁性、抗皱性)、流体输送特征或其组合。在一些实施方案中，一个或多个B层包含例如选自玻璃纤维、疏松陶瓷和其他无机材料的陶瓷材料。

在本文中的集合体的一些实施方案中，至少一个A层(例如，至少一个A_t层和/或A_b层)包括施加到或沉积在赋予或增强一种或多种功能特性的陶瓷材料上的功能材料(例如，表面功能顶涂层材料)。在一些实施方案中，由这些功能材料赋予的至少一种功能特性的量值比由直接沉积在不包括所述陶瓷材料的相同基材上的相同表面功能顶涂层材料赋予的相同功能特性大。在本文中的集合体的一些实施方案中，至少一个A层(例如，至少一个A_t层和/或A_b层)包括功能材料(例如，表面功能顶涂层材料)，并且所述陶瓷材料和所述功能材料协同地赋予一种或多种功能特性，其量值比由独立地沉积在相同纺织品表面上的陶瓷材料或顶涂层材料赋予的相同功能特性大。

在一些实施方案中，功能层赋予疏水特性。例如，赋予组合物疏水特性的功能层可以包括含氟聚合物、弹性体、塑料或具有头基和尾基的分子，例如，其中头基包括硅烷基、膦酸酯基、膦酸基、羧酸基、乙烯基、醇基、氢氧根(hydroxide group)、巯基、硫醇基和/或铵基(例如，季铵基)，并且其中尾基包括烃基、碳氟基、乙烯基、苯基、环氧基、丙烯酸基、丙烯酸酯基、羟基、羧酸基、硫醇基和/或季铵基。

在本文中的集合体的一些实施方案中，至少一个A层(例如，至少一个A_t层和/或至少一个A_b层)上的所述无粘合剂陶瓷材料是部分填充的多孔结构。例如，所述陶瓷材料的孔可以填充有第二陶瓷材料或具有头基和尾基的分子。

在本文中的集合体的一些实施方案中，至少一个A层(例如，至少一个A_t层和/或至少一个A_b层)可以承受大于约1kPa的静水压力。

在本文中的集合体的一些实施方案中，至少一个A层(例如，至少一个A_t层和/或至少一个A_b层)包括大于未用陶瓷材料(以及在一些实施方案中任选的功能层)改性的相同基材的蒸气透过率的约80％的湿气透过率。

在本文中的集合体的一些实施方案中，至少一个A层(例如，至少一个A_t层和/或至少一个A_b层)包括大于约150度的卧滴水接触角。

在本文中的集合体的一些实施方案中，至少一个A层(例如，至少一个A_t层和/或A_b层)改善了美观、穿着舒适性、耐久性或所需特性的维护。(参见，例如，Venkatraman，P.，“Fabric Properties and Their Characteristics，Materials and Technology forSportswear and Performance Apparel，”2015，CRC Press，ISBN 9781482220513。)

在一些实施方案中，所述集合体被结合到机能性外套服装(performanceouterwear apparel)、医用绷带、医用石膏、手术服、过滤或分离介质、包装材料、医院床上用品、吸收性纺织品、防护罩、防护服装、建筑纺织品或土工纺织品中。

在一些实施方案中，提供了一种管道绝热或管道保护材料，其包括如本文所述的集合体，其中一个或多个A_t层包括疏水或超疏水功能特性，其中一个或多个B层包括绝热、保护(例如，在操作条件下或在使用环境中防止管道腐蚀和/或磨损，和/或防止对靠近管道的个人造成伤害)或结构特性，并且其中一个或多个A_b层包括亲水或超亲水功能特性。例如，所述管道绝热或管道保护材料可以围绕管道，其中所述最底部的A_b层与管道接触，并且其中所述最顶部的A_t层与周围环境接触。一个或多个A_t层和/或A_b层可以包括陶瓷涂覆的织造材料。例如，织造材料可以选自不锈钢合金织造材料、碳钢合金织造材料、铝合金织造材料和纺织品。在一些实施方案中，至少一个B层可以包括选自以下的材料：玻璃纤维、碳化硅(例如，金刚砂)、陶瓷纤维绝热材料、硅酮或硅酮泡沫、矿棉、玄武岩、泡沫玻璃、聚酰亚胺、硅酸钙或二氧化硅。还提供了由本文所述的绝热、保护或性能材料围绕的管道、管道区段或反应器(诸如生物反应器、吸附床、催化反应器或蒸馏塔)区段。

在一些实施方案中，提供了包括如本文所述的集合体的纺织品材料，其中一个或多个A_t层包括疏水或超疏水功能特性，其中一个或多个B层包括绝热、保护或结构特性，并且其中一个或多个A_b层包括亲水或超亲水功能特性。在一些实施方案中，一个或多个A_t层和/或A_b层的基材包括织造材料。例如，织造材料可以选自纺织品、聚酰胺、聚酯、纤维素材料、棉、羊毛、聚合物膜、不锈钢合金织造材料和铝合金织造材料。在一些实施方案中，一个或多个A_t层和/或A_b层的所述基材包括尼龙或聚对苯二甲酸乙二酯(PET)。在一些实施方案中，一个或多个B层包含选自以下的材料：聚酯、抓绒、羊毛、羽毛、羽绒和其他主要的有机材料。

附图说明

图1示出了用于医用绷带的材料层的集合体的示例性实施方案。

图2示出了用于机能性外套服装的材料层的集合体的示例性实施方案。

图3示出了用于管道绝热的材料层的集合体的示例性实施方案。

图4示出了用于医用石膏的材料层的集合体的示例性实施方案。

图5示出了用于医用/外科服装的材料层的集合体的示例性实施方案。

具体实施方式

描述了堆叠材料层的集合体以及其使用方法和使用应用。本文所述的集合体包括一个或多个功能(“A”)层和任选地一个或多个结构或整体性质(“B”)层。功能层包括在基材材料上的结构化陶瓷，其可提供所需的功能特性并且/或者其可通过施加或沉积额外的表面化学顶涂层材料来进一步功能化，以提供用于特定使用应用的所需特性。基材表面的至少一部分经历化学转化以提供结构化(例如，纳米结构化)陶瓷材料，并且任选的后续工艺提供陶瓷的另外的功能化。层可以被布置用于以定向方式赋予功能特性，诸如蒸气或热能在朝向环境暴露表面的方向上的移动。层可以被布置用于以组合方式赋予功能特性，诸如提供机械和热保护的耐磨层和绝热层。

A层包括在基材表面上的结构化陶瓷和任选地表面功能性顶涂层，以向基材提供一种或多种功能特性。陶瓷(例如多孔陶瓷(例如，金属氧化物和/或金属氢氧化物))表面改性组合物沉积在纺织品或织物基材表面上。所述组合物作为在基材表面上的无粘合剂表面改性材料(例如，表面固定陶瓷材料)提供。在一些实施方案中，陶瓷材料包括金属氧化物和/或氢氧化物陶瓷，例如，单一金属或混合金属氧化物和/或氢氧化物陶瓷。在一些实施方案中，陶瓷材料包括金属氧化物和金属氢氧化物陶瓷，其中金属氧化物和金属氢氧化物包含相同或不同的单一金属或混合金属。在一些实施方案中，陶瓷材料包括金属氧化物和/或金属氢氧化物陶瓷，其中基材被水或其他化合物水合，导致表面能发生变化且可能导致陶瓷的金属氧化物与金属氢氧化物组合物的比率发生变化。在一些实施方案中，陶瓷材料包括金属氢氧化物，其中金属氢氧化物的至少一部分是层状双氢氧化物的形式，例如至少约5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％或95％的金属氢氧化物是层状双氢氧化物。在一些实施方案中，层状双氢氧化物的插层离子可能已被交换以赋予额外的益处。在本文所述的组合物的一些实施方案中，“金属氧化物”或“金属氢氧化物”可以分别为金属氧化物或金属氢氧化物的水合物的形式，或者金属氧化物或金属氢氧化物的一部分可以分别为金属氧化物或金属氢氧化物的水合物的形式。

混合金属氧化物或混合金属氢氧化物可分别包括例如多于一种金属的氧化物或氢氧化物，金属诸如但不限于铁、钴、镍、铜、锰、铬、钛、钒、锆、钼、钽、锌、铅、锡、钨、铈、镨、钐、钆、镧、镁、铝或钙。

本文中的表面改性材料(例如，无粘合剂多孔陶瓷材料)在没有粘合剂的情况下沉积到基材上(例如，通过与基材表面上的金属反应所产生)。在一些实施方案中，如本文所述的表面改性材料被固定在基材上。

在一些实施方案中，结构化陶瓷材料是纳米结构化陶瓷材料。

在一些实施方案中，结构化陶瓷材料经历额外的化学转化过程，产生改性的结构化(例如，纳米结构化)陶瓷材料。

PCT申请号PCT/US19/65978中提供了无粘合剂陶瓷表面改性材料的非限制性实例，其以引用的方式整体并入本文。

定义

本文提供的数值范围包括限定范围的数值。

除非上下文另外明确指出，否则“一个”、“一种”和“所述”包括复数指称。

如在说明书和权利要求书中使用的短语“和/或”应当理解为意指所结合的元素中的“两者之一或两者”，即，在一些情况下结合存在并且在其他情况下分开存在的元素。除非有明确相反的说明，否则无论与具体识别的那些元素相关还是无关，由“和/或”分句具体定义的元素之外的其他元素可任选地存在。因此，作为非限制性实例，当与诸如“包含”的开放式语言结合使用时，对“A和/或B”的提及在一个实施方案中可以指代在没有B的情况下的A(任选地包含除了B之外的元素)；在另一个实施方案中可以指代在没有A的情况下的B(任选地包含除了A之外的元素)；在又一实施方案中可以指代A和B两者(任选地包含其他元素)；等。

“粘合剂(binder)”或粘合剂(binding agent)是以机械方式、以化学方式、通过粘附力或通过内聚力将其他材料保持或拉在一起以形成内聚的整体的任何材料或物质。

“无粘合剂”是指不存在粘合剂，特别是指有机粘合剂或树脂(例如，聚合物、胶水、粘附剂、沥青)或无机粘合剂(例如，石灰、水泥、玻璃、石膏等)。

“封端剂”是指减缓晶体生长并允许纳米表面形貌的调节的化合物或剂。

“陶瓷”是指包含有金属、非金属或离子键和共价键的无机化合物的固体材料。

“转化涂层”是指以下表面层，在其中反应物与待处理的表面发生化学反应，从而将基材转化为不同的化合物。这个过程通常不是添加的或沉积。

“织物”是指可以由纤维构成并通过化学、机械、热和/或溶剂处理来粘合在一起的非织造材料。织物可以包括例如毡以及既不是织造也不是针织的其他材料。

“纤维”是指形成纺织品的线或丝。

“亲水”是指对水具有高亲和力的表面。接触角可能非常低和/或不可测量。

“层”是指一片材料、一定量或一定厚度的材料，通常是若干层中的一层，覆盖表面或主体，或者是独立式的，例如，由一个或多个支撑结构支撑。

“层状双氢氧化物”是指一类离子固体，其特征在于具有通用序列[AcB Z AcB]_n的层状结构，其中c代表金属阳离子层，A和B是氢氧根阴离子层，并且Z是其他阴离子和/或中性分子(诸如水)层。层状双氢氧化物还描述于PCT申请号PCT/US2017/052120中，其以引用的方式并入本文。

“纳米结构化”组合物在本文中是指具有在至少一个维度上小于100纳米的特征部的组合物。

流体力学中的“渗透率”是多孔材料允许流体通过它的能力的量度。介质的渗透率与孔隙率有关，还与介质中孔的形状及其连通性水平有关。

“孔径分布”是指通过压汞法(mercury intrusion porosimetry，MIP)和Washburn方程测定的每个孔径或孔径范围的相对丰度。

“孔隙率”是材料中空隙(即“空”)空间的量度，并且是空隙体积占总体积的分数，介于0和1之间，或为介于0％和100％之间的百分比。孔隙率可以通过压汞法测量。

“多孔”是指固体材料内的空间、孔洞或空隙。

“超亲水”是指具有过度亲水性或对水具有吸引力的表面。水在超亲水材料上的接触角等于0度。

“超疏水”是指极难润湿的表面。水滴在超疏水材料(此处是超疏水表面)上的接触角是指接触角＞150°。高度疏水的接触角＞120°。

“每平方米投影基材面积的表面积”是指实际测量的表面积(通常以平方米测量)除以基材的表面积(如果它是原子级光滑的(无表面粗糙度)，也通常以平方米测量)。

“协同”或“协同的”是指两种或更多种物质、材料或剂之间的与它们分开的、单独的效应的总和相比产生更大(正协同)或更小(负协同)的联合效应的相互作用或协作。

“纺织品”是指由天然或人造纤维网络组成的柔性材料。例如，纺织品材料可以通过针织、编织、毡制、簇绒或粘合以连接纤维或纤维组来产生，其中纤维包括所有长度的天然和合成形式，包括金属纤维。纺织品还包括粗绳(rope)和细绳(cord)。

“厚度”是指基材表面与表面改性(例如陶瓷)材料顶部之间的长度。

“顶涂层”是指一种材料或化学处理，其中表面和化学物质相互作用、粘合或分散，通过表面能、微生物抗性、颜色、热特性、电特性或反应性的变化形成改性表面。可以在原子、分子、特征或总体部件长度尺度上实现特性变化。

“可调”是指材料的功能、特征或品质被改变或修改的能力。

“蒸气透过率”是指每单位面积每单位时间在与层的平面正交的方向上穿过层的蒸气质量。

“水柱突破压力(water column breakthrough pressure)”是指水柱底部的层承受的静水压力克服层支持水柱的能力，使得水流过层时的垂直水柱的具体高度。

材料集合体

本文公开了材料层的集合体。所述层通常被配置成堆叠形式，顶部表面在堆叠的顶部且底部表面在堆叠的底部。顶部表面通常与集合体所在或使用的周围环境(例如，空气)接触。底部表面可以接触或接近与集合体一起使用的装置、表面或个体，例如，要保护的装置或表面，或为了在特定使用环境中的个体舒适度。

层的堆叠包括在基材(本文命名为“A”层)上包括陶瓷(例如，无粘合剂陶瓷，诸如无粘合剂多孔陶瓷材料)的材料。A层赋予集合体所需的功能特性。例如，陶瓷材料可以赋予选自以下的一种或多种特性：疏水性、微生物生长抑制、阻燃性、亲水性、抗腐蚀性、冰或冷凝物管理、防冰、防霜、超疏水性、超亲水性、微生物生长抑制、耐腐蚀性、电磁调制、热调制、透气性、动态抗风和/或颜色或其组合。本文中集合体的一些实施方案包括：包括集合体的顶部表面(面向周围环境)的顶部A层；和包括集合体的底部表面(面向与集合体一起使用的设备、表面或个体)的底部A层。如本文所述的无粘合剂多孔陶瓷材料位于顶部表面和底部表面中的每一个上。每个A层上的无粘合剂多孔陶瓷材料可以与集合体中的每个其他A层相同或不同。

层的一些堆叠包括一个或多个包括结构材料和/或绝热材料的“B”层，所述层在堆叠顶部的一个或多个A层(“A_t”层)和堆叠底部的一个或多个A层(“A_b”层)之间。在一些实施方案中，集合体包括一个具有结构材料和/或绝热材料的B层。在其他实施方案中，集合体包括两个或更多个具有结构材料和/或绝热材料的B层，并且每个B层可以由与集合体中的每个其他B层相同或不同的材料或组合物构成。

在一些实施方案中，集合体包括一个A_t层和一个A_b层，并且A_t层可以由与A_b层相同或不同的材料或组合物(例如，相同或不同的基材和/或陶瓷组合物)构成。在一些实施方案中，集合体包括两个或更多个A_t层(即，多个A_t层)和/或两个或更多个A_b层(即，多个A_b层)，并且每个A_t层和/或每个A_b层可以由与每个其他A层(即每个其他A_t和/或A_b层)相同或不同的材料或组合物(例如，相同或不同的基材和/或陶瓷组合物)构成。

在一些实施方案中，集合体的至少一个A层(例如，至少一个A_t和/或A_b层)赋予集合体一种或多种例如选自以下的功能特性：冰或冷凝物管理(抗冰的形成，或适当地引导或放置引导冰或冷凝物以所需方式形成、集中和移动的材料)、抗冰性能或霜冻延迟特性、超疏水性(例如，防止因进水而结垢)、超亲水性(例如，将水从表面吸走以最小化时间或湿度和/或防止与水分相关的损害)、抗微生物调节(抑制、消除或防止微生物生长)、耐腐蚀或防腐蚀、电磁调制(电磁特性的变化，例如漫发射或镜面发射、漫反射或镜面反射、吸附、透射)、热调制、阻燃性、透气性(允许湿气通过材料)、动态抗风性(蒸气透过对施加的风速的非线性响应)、机械保护(耐磨性或抗冲击性)以及颜色和/或其他美观特性或其组合。

在一些实施方案中，包括集合体顶部表面的A_t层和包括集合体底部表面的A_b层赋予不同的功能特性。在一个实施方案中，包括集合体顶部表面的A_t层是疏水的或超疏水的，并且包括集合体底部表面的A_b层是亲水的或超亲水的。在另一个实施方案中，包括集合体顶部表面的A_t层是疏水的或超疏水的，并且包括集合体底部表面的A_b层是抗微生物的。在另一个实施方案中，包括集合体顶部表面的A_t层是疏水的或超疏水的，包括集合体底部表面的A_b层是抗微生物的，并且在包括集合体底部表面的A_b层上方的A_b层是疏水的或超疏水的。

在某些实施方案中，将顶涂层材料沉积或施加到陶瓷材料上，从而向集合体的A层赋予和/或增强本文所述的一种或多种功能特性。在一些实施方案中，由如本文所述施加或沉积在陶瓷上的顶涂层材料赋予的功能相对于施加或沉积在包括陶瓷的相同基材上的相同材料的功能增强。在一些实施方案中，陶瓷材料和顶涂层材料协同地赋予一种或多种功能特性，其量值比由独立地沉积在相同基材表面上的陶瓷材料或顶涂层材料赋予的相同功能特性大。

在一些实施方案中，疏水功能由脂肪酸诸如硬脂酸或Scotchgard^TM(3M)提供。在一些实施方案中，抗微生物功能由SmartShield Antimicrobial Protective Spray(Sylvane)提供。在一些实施方案中，阻燃功能由No Burn 1005 Fabric Fire Protection(No-Burn，Inc.)或含哈龙(halon)化合物提供。在一些实施方案中，亲水功能由聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚氨酯、聚丙烯酸(PAA)、聚环氧乙烷(PEO)或多糖材料提供。

在某些非限制性实施方案中，顶涂层可包括油漆、油漆粘合剂、疏水性材料、亲水性材料、金属或含金属化合物、颜料和/或着色剂或抗微生物剂。

在一些实施方案中，顶涂层是表面改性顶涂层，其降低表面上的外部或内部流体的粘滞阻力。在一些实施方案中，涂层沉积到表面上，所述涂层包括纳米结构化涂层组合物和表面改性顶涂层，其减少外部或内部流体在表面上的粘滞阻力，并且还包括额外的益处，诸如耐腐蚀性、耐结垢性、自清洁、传热特征、光学特征、化学惰性、其他有用特性或特性的组合。

在一些实施方案中，顶涂层是或含有抗微生物剂。例如，抗微生物剂可以是电荷转移化合物或破坏离子穿过细胞膜的运动的剂，例如季胺。在一些实施方案中，抗微生物剂是β-内酰胺、氨基糖苷、四环素、氯霉素、大环内酯、林可酰胺、磺酰胺、喹诺酮、聚烯、唑或灰黄霉素。

在一些实施方案中，顶涂层是或含有油漆粘合剂。例如，油漆粘合剂可以是醇酸树脂、丙烯酸树脂、乙烯基丙烯酸树脂、乙酸乙烯酯/乙烯(VAE)、聚氨酯、聚酯、三聚氰胺树脂、环氧树脂、硅烷或油。

在一些实施方案中，陶瓷表面改性材料是部分填充的多孔结构。例如，孔可以部分地填充有第二陶瓷材料(例如，不同于基材表面上的陶瓷材料的陶瓷材料)或具有头基和尾基的分子，例如，其中头基包括硅烷基、膦酸酯基、膦酸基、羧酸基、乙烯基、醇基、氢氧根、巯基、硫醇基和/或铵基(例如，季铵基)，并且其中尾基包括烃基、碳氟基、乙烯基、苯基、环氧基、丙烯酸基、丙烯酸酯基、羟基、羧酸基、硫醇基和/或季铵基。

在一些实施方案中，集合体的至少一个B层赋予一种或多种结构特性和/或绝热特性，所述特性选自热阻、电阻、结构支撑、机械填充和流体输送或其组合。在一些实施方案中，集合体的至少一个B层包括陶瓷材料，例如玻璃纤维、疏松陶瓷或其他无机材料。

无粘合剂陶瓷

如本文所述的层状集合体中的“A”层包括基材上的无粘合剂多孔陶瓷材料。这类陶瓷材料的非限制性实例描述于PCT/US19/65978中，其以引用的方式整体并入本文。

用于本文所述的材料层集合体(堆叠)的A层的基材通常是适于集合体的使用应用的柔性材料。在一些实施方案中，基材是织造材料，诸如但不限于不锈钢合金、碳钢合金或铝合金织造材料。在一些实施方案中，基材是纺织品、聚合物(例如，聚酰胺、聚酯)、纤维素材料、天然材料(例如，棉、羊毛)或合成材料(例如，尼龙、PET)。在一些实施方案中，基材包括织造、非织造或针织的合成或天然纤维纺织品。在一些实施方案中，基材包括金属网、金属筛或金属布。在一些实施方案中，基材包括天然或合成聚合物膜或基材(例如，不一定被织成纺织品的薄(膜)或更厚的(基材)聚合物(例如，塑料)材料的涂层)。

在一些实施方案中，无粘合剂陶瓷材料包括：每平方米投影基材面积约1.5m²至100m²、约10m²至约1500m²或约70m²至约1000m²的表面积；每克陶瓷材料约15m²至约1500m²或约50m²至约700m²的表面积；约5nm至约200nm、约2nm至约20nm或约4nm至约11nm的平均孔径；至多约100微米、至多约50微米、至多约25微米、至多约20微米或约0.2微米至约25微米的厚度；约5％至约95％、约10％至约90％、约30％至约70％、约30％至约95％或大于约10％的孔隙率；如通过压汞法测定的约100mm³/g至约7500mm³/g的空隙体积；或其任何组合。

在一些实施方案中，陶瓷材料(例如，金属氧化物、金属氢氧化物和/或其水合物)包含锌、铝、锰、镁、铈、铜、钆、钨、锡、铅、和钴中的一种或多种。在一些实施方案中，陶瓷材料包含过渡金属、II族元素、稀土元素(例如，镧、铈、钆、镨、钪、钇、钐或钕)、铝、锡、锌或铅。

在一些实施方案中，无粘合剂陶瓷表面改性材料包括约0.5或1至约100微米或约0.5至约20微米的厚度或至多约50微米或至多约25微米的厚度。在一些实施方案中，无粘合剂多孔陶瓷材料包括约0.2微米至约25微米的厚度。在一些实施方案中，厚度为至少约0.2、0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24或25微米中的任何一个。在一些实施方案中，厚度为约0.2至约0.5、约0.5至约1、约1至约5、约3至约7、约5至约10、约7至约15、约10至约15、约12至约18、约15至约20、约18至约25、约0.5至约15、约2至约10、约1至约10、约3至约13、约0.5至约15、约0.5至约5、约0.5至约10、或约5至约15微米中的任何一个。

在一些实施方案中，无粘合剂陶瓷表面改性材料包括每平方米投影基材面积约1.1m²至约100m²的表面积。在一些实施方案中，无粘合剂多孔陶瓷材料包括每平方米投影基材面积约10m²至约1500m²的表面积。在一些实施方案中，每平方米投影基材面积的表面积是至少约10、50、100、150、200、250、300、350、400、450、500、550、600、650、700、750、800、850、900、950、1000、1050、1100、1150、1200、1250、1300、1350、1400、1450或1500m²中的任何一个。在一些实施方案中，每平方米投影基材面积的表面积是约10至约100、约50至约250、约150至约500、约250至约750、约500至约1000、约750至约1200、约1000至约1500、约70至约1000、约150至约800、约500至约900、或约500至约1000m²中的任何一个。

在一些实施方案中，无粘合剂陶瓷材料包括每克陶瓷材料约15m²至约1500m²的表面积。在一些实施方案中，每克陶瓷材料的表面积是至少约15、50、100、150、200、250、300、350、400、450、500、550、600、650、700、750、800、850、900、950、1000、1050、1100、1150、1200、1250、1300、1350、1400、1450或1500m²中的任何一个。在一些实施方案中，每克陶瓷材料的表面积是约15至约100、约50至约250、约150至约500、约250至约750、约500至约1000、约750至约1200、约1000至约1500、约50至约700、约75至约600、约150至约650或约250至约700m²中的任何一个。

在一些实施方案中，无粘合剂陶瓷表面改性材料是多孔的并且包括在约2nm至约50nm的范围内的中孔平均孔径。在一些实施方案中，平均孔径在约50nm至约1000nm的范围内。在一些实施方案中，无粘合剂多孔陶瓷材料包括约2nm至约20nm的平均孔径。在一些实施方案中，平均孔径是至少约2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19或20nm中的任何一个。在一些实施方案中，平均孔径是约2至约5、约4至约9、约5至约10、约7至约12、约9至约15、约12至约18、约15至约20、约4至约11、约5至约9、约4至约8或约7至约11nm中的任何一个。

在一些实施方案中，无粘合剂陶瓷表面改性材料是多孔的，孔隙率为约5％至约95％。在一些实施方案中，孔隙率可以是至少约或大于约5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％或95％中的任何一个。在一些实施方案中，孔隙率为约10％至约90％、约30％至约90％、约40％至约80％或约50％至约70％。

在一些实施方案中，无粘合剂多孔表面改性材料是多孔的，渗透率为约1至10,000毫达西。在一些实施方案中，渗透率可以是至少约1、10、100、500、1000、5000或10,000毫达西中的任一个。在一些实施方案中，渗透率为约1至约100、约50至约250、约100至约500、约250至约750、约500至约1000、约750至约2000、约1000至约2500、约2000至约5000、约3000至约7500、约5000至约10,000、约1至约1000、约1000至约5000或约5000至约10,000毫达西。

在一些实施方案中，无粘合剂陶瓷材料是多孔的并且包括如通过压汞法测定的约100mm³/g至约7500mm³/g的空隙体积。在一些实施方案中，空隙体积是至少约100、200、300、400、500、600、700、800、900、1000、1500、2000、2500、3000、3500、4000、4500、5000、5500、6000、6500、7000或7500mm³/g中的任何一个。在一些实施方案中，空隙体积是约100至约500、约200至约1000、约400至约800、约500至约1000、约800至约1500、约1000至约2000、约1500至约3000、约2000至约5000、约3000至约7500、约250至约5000、约350至约4000、约400至约3000、约250至约1000、约250至约2500、约2500至约5000或约500至约4000mm³/g中的任何一个。

陶瓷沉积层被设计成赋予如本文所述的材料集合体层一种或多种功能特征和/或可被设计成为功能化顶涂层提供结合表面。

陶瓷材料的制备方法

如本文所述的陶瓷表面改性材料，诸如无粘合剂陶瓷多孔表面改性材料，可以通过以下方法制备，所述方法包括将清洁的基材(例如，纺织品基材)用含有一种或多种金属盐的水溶液浸泡或使它们接触一段时间，以在基材上获得所需厚度的多孔涂层组合物。所述溶液还可以含有螯合剂或络合物形成剂。pH、温度和沉积时间(例如，约5分钟至约300分钟)适合于要制备的表面改性材料所需的厚度、形貌和表面孔隙率。可以通过添加酸性或碱性材料来将溶液的pH调节在1至12的范围内，以调节表面改性的特征(例如，所需的晶体结构和/或表面孔隙率)。金属盐可以包括例如镁、铝、铈、铁、钴、钆、锰、钨、锌、钒、钛和/或锡的盐。盐可以是金属阳离子与例如硫酸根、硝酸根、氯离子或乙酸根的阴离子的盐。在其他实施方案中，钠阳离子盐与金属阴离子一起使用，诸如像锡酸钠。在一些实施方案中，金属盐在水溶液中的浓度为约1mM至约5M。在一些实施方案中，螯合剂或络合物形成剂，诸如像柠檬酸、尿素、二胺、三胺或四胺、硫代甘油、油酸或其他脂肪酸、多元醇、吐温80或其他表面活性剂，以约1mM至约5M的浓度被包括在内。pH控制化学品和缓冲剂可任选地被包括在内。

在一些实施方案中，通过洗涤和冲洗以及各种金属清洁溶液或针对特定基材描述的清洁溶液来清洁基材以去除松散和轻微粘附的碎屑。对于成功去除松散和轻微粘附的碎屑来说，各种工艺条件都是可接受的。

在一些实施方案中，使用基于碱性的清洁溶液处理基材以皂化和去除基材上的脂肪和油。一个实例是使用在水溶液中的苛性钠，pH为大约11或更高。其他实施方案可以使用替代的脱脂手段，诸如基于蒸气或溶剂的方法或专有清洁剂。对于成功去除表面脂肪和油来说，各种工艺条件都是可接受的。

在一些实施方案中，使用通过对基材材料的碱性蚀刻来处理表面的已知方法进一步制备基材以匀化表面。此工艺生成表面氧化物和表面氢氧化物、反应产物和金属间化合物材料，其中一些不溶于蚀刻溶液并且必须通过冲洗、机械手段或通过工业中称为除挂灰(desmutting)的工艺从基材上去除。除挂灰或脱氧溶液通常包括酸溶液，诸如铬酸、硫酸、硝酸或磷酸或其中的组合。可以使用硫酸铁溶液。除挂灰溶液通过溶解或机械去除物(例如，含硅颗粒)去除反应产物、氧化物、氢氧化物和金属间化合物材料。许多专有的表面预加工材料可供使用。其他表面预加工选择，诸如酸蚀刻、电抛光、超声处理或去除基材氧化物、氢氧化物、反应产物和金属间化合物的其他表面精加工处理制备方法也可以成功使用。对于基材的成功表面预加工和脏污的去除来说，各种工艺条件都是可接受的。

在其他实施方案中，用于后续处理的替代表面预加工包括暴露于强氧化剂(诸如过硫酸盐、次氯酸盐、高锰酸盐、氧化性酸、UV/臭氧或氧等离子体)以活化基材。

在一些实施方案中，使用一个或多个处理步骤来处理基材，其中基材与处理浴反应以形成纳米结构化材料。本文所述的溶液是水基的并且包括水溶液中的约1mM至约5M的金属盐和/或浓度为约1mM至约5M的螯合剂或络合物形成剂，诸如多元醇、聚醚、尿素、仲胺和高级胺、二胺、三胺或四胺。工艺条件(不包括不同储罐深度的静水压力)范围为65至200kPa，并且跨越这些溶液的液相平衡的温度的范围为-20℃至190℃，这取决于浓度和组成。

在一些实施方案中，将基材从溶液中取出并在约100℃至约1000℃的温度下加热约0小时至约5小时的时间。在一些实施方案中，将基材从溶液中取出并在约100℃至约1000℃的温度下加热约0小时至约24小时的时间以从基材和金属氧化物表面改性材料中去除基本上所有的水。可使用受控气氛炉(atmospheric furnace)处理进一步改变表面条件。

任选地，将基材浸泡到能够与陶瓷表面化学结合的具有适当溶剂的功能分子的稀溶液(例如，小于约2％，或约0.001％至约2％)中，使得孔被功能化但保持打开。

在一些实施方案中，所述方法包括用一种、两种或更多种材料部分填充孔。例如，所述方法包括(a)取具有表面固定多孔陶瓷表面的基材，将其浸泡到能够与陶瓷表面化学结合的功能分子的稀溶液中，使得孔被功能化但保持打开，和/或(b)将基材浸泡到另一溶液中，以如上所述在孔内和表面上沉积更多陶瓷，并如前所述加热以驱除水；以及任选地重复(a)或(b)或(a)和(b)以在各种功能分子和/或金属氧化物的孔内堆叠多个层。可以采用引入第一或第二材料的其他非限制性方法，诸如喷涂、倾倒、滴落或气相沉积。

在一些实施方案中，所述方法包括用一种或多种材料完全填充孔。例如，所述方法包括取具有表面固定多孔陶瓷表面的基材，以及将其浸泡到能够与陶瓷表面化学结合的功能分子的更浓的溶液中(例如，约1％至约20％)，使得孔中填充了物质；和/或将基材浸泡到如上所述的另一种金属盐溶液中并如上所述驱除水以完全填充孔。可以采用引入孔填充材料的其他非限制性方法，诸如喷涂、倾倒、滴落、雾化或气相沉积。

示例性实施方案

下文提供如本文所述的材料集合体的示例性实施方案。材料的组合和使用应用是作为示例提供的，且不是限制性的。

医用绷带

如本文所述的集合体可被配置用于医用绷带。绷带被设计成通过具有超疏水特性的外层、从伤口去除水分的吸附层、为伤口提供保护的填充层以及帮助保持伤口干燥的亲水内层来保持清洁并避免外部水分。每一层还可以用抗微生物特性或愈合剂、软膏或其他材料进行功能化。

如图1所示，这类集合体的实例包括：包括在合成基材材料₍例如尼龙或PET)上的超疏水陶瓷的A_t层；和包括在天然基材材料(棉)上的超亲水陶瓷的A_b层。A_t和A_b层之间的B层提供吸收、结构和填充特性。

机能性外套服装

如本文所述的集合体可被配置用于服装，诸如机能性外套服装。可以提供内层，其横向地芯吸水分并通过此层到达周围顶层、绝热层和具有高湿气透过率且还排斥水和油例如以促进清洁度的外层。

如图2所示，这类集合体的实例包括：包括在合成基材(例如尼龙或PET)上的超疏水陶瓷的A_t层；和包括在合成基材(例如，尼龙或PET)上的超疏水陶瓷的A_b层。A_t层和A_b层之间的B层提供绝热特性。

管道绝热

如本文所述的集合体可被配置用于管道绝热或管道保护。所述集合体被设计为高温绝热夹套，具有围绕管道并与管道接触的疏水“环境侧”衬里和亲水“热侧”衬里。例如，环境侧衬里可以由具有陶瓷(例如，纳米结构化)表面和疏水功能的金属网(例如，不锈钢网)构成，所述疏水功能通过防止水分进入绝热材料来保持绝热性能。热侧衬里可以由具有陶瓷(例如，纳米结构化)表面的金属网构成，所述表面表现出毛细作用以芯吸水分并促进蒸发。通过将金属网层与阻隔层结合，此系统的技术和商业优势以原价的一小部分提供了与现有绝热夹套材料相同的优势。所述系统还可以能够在比现有的基于聚四氟乙烯的解决方案更高的温度下运行，并且所述系统与金属箔相比，外部防水但透气。

如图3所示，这类集合体的实例包括：包括在金属网基材上的超疏水陶瓷的A_t层；和包括在金属网基材上的超亲水陶瓷的A_b层。A_t层和A_b层之间的B层提供绝热特性。

医用石膏

作为对上述医用绷带应用的扩展，如本文所述的集合体可被配置用作医用石膏。可以将额外的抗微生物层提供在层堆叠的底部，以防止感染和/或防止导致微生物侵入的清洁困难相关的气味。还可以加上额外的层。

如图4所示，这类集合体的实例包括：包括在合成基材材料(例如尼龙或PET)上的超疏水陶瓷的A_t层；和包括集合体底部表面并且包括在合成基材材料(例如尼龙或PET)上的抗微生物陶瓷的A_b层。包括集合体底部表面的A_b层上方A_b层包括在合成基材材料(例如，尼龙或PET)上的超亲水陶瓷。A_t和A_b层之间的B层提供结构和填充特性。

医疗/外科服装

如本文所述的集合体可被配置用于医疗/外科用具或服装。所述集合体被设计为透气(高水分透过率)和抗微生物并且防溅(防水)的，在不牺牲舒适性的情况下提供阻隔特性。

如图5所示，这类集合体的实例包括：包括在合成基材材料(例如尼龙或PET)上的超疏水陶瓷的A_t层；和包括在合成(例如尼龙或PET)或天然(例如棉)基材材料上的抗微生物陶瓷的A_b层。

其他使用应用

可以采用如本文所述的材料集合体的应用的其他非限制性实例包括以下，各层从集合体的底部表面层到顶部表面层(环境暴露)列出：

·过滤/分离：尺寸排阻(保留)(A)-结构完整性(B)-抗微生物(A)

·包装材料：水分透过(A)-结构完整性(B)-填充(B)-防水(A)

·医院床上用品：填充(B)-水分透过(A)-透气性(A)-吸湿性(A)-抗微生物(A)-

·防护罩：水分透过(A)-透气性(A)-抗微生物(A)-耐化学性(A)-防水(A)

·防护服装：水分透过(A)-透气性(A)-耐化学性(A)-防水(A)-绝热(B)-结构(B)-阻燃

·建筑纺织品：水分透过(A)-透气性(A)-耐化学性(A)-防水(A)-绝热(B)-阻燃(A)-颜色(A)-UV稳定性(A)

·土工纺织品：水分透过(A)-透气性(A)-耐化学性(A)-防水(A)-绝热(B)-结构(B)-环境稳定性(A)

上述制品和使用应用中的层的顺序可以不同于示例的那些，并且在一些实施方案中，所述的多种功能可以组合成单个层。

以下实施例旨在说明而不是限制本发明。

实施例

实施例1.测试层状堆叠性能的方法

采用以下方法来表征如本文所述的材料集合体。

层的接触角使用卧滴法通过在表面上分配10微升液滴来测定。使用位于与表面相同高度的相机从正面捕获液滴的图像。接触角通过测量表面与接触表面处的液-气界面之间的角度来测定。此过程重复三次，并且报告的接触角是三个单独测量值的平均值。

如下测定层堆叠的蒸气透过率。每一层都被切割成相同尺寸并聚集。将填充有已知质量的干燥的干燥剂的容器密封到堆叠底层的底侧。对于由多个层组成的堆叠，将这些层沿其边缘密封在一起，使得蒸气进入堆叠的唯一路径是穿过堆叠的顶层。将堆叠和干燥剂放置在温度和湿度受控的腔室内。每30分钟将样品聚集一次，以确定从腔室穿过层并吸附到干燥剂上的水蒸气的量。一旦干燥剂的质量增加10％，就停止测试，并测定每单位时间每单位面积通过每个堆叠的蒸气透过率。

如下测定水柱突破压力。将内径为12.7mm的竖直管密封到堆叠的顶层。对于由多个层组成的堆叠，将这些层沿其边缘密封在一起，使得水只能分别通过流过顶层和底层进入或离开堆叠。通过沿管的侧边向下分配水来填充管，以免水直接冲击在堆叠的顶层上。递增地分配水，使得水柱的高度每次增加1cm，然后在接下来5秒时间段内不分配水。以这种方式填充柱直到水柱的高度开始降低，表明柱中的水突破穿过材料堆叠。记录每个样品的最大填充高度。

实施例2

如下制备如以下实施例中所述的功能化网状材料。首先将网状基材浸没在丙酮浴中，然后将其浸没在IPA浴中以去除任何残留的油。然后使这些部件风干15分钟。接下来，将网状基材放入含有20-250mM金属硝酸盐或硫酸盐或混合金属硝酸盐或硫酸盐和类似摩尔量的二胺、三胺或四胺的制备浴中，使其在50-85℃的反应温度下反应和沉降。将集合体在浴中保持约5分钟至约3小时的时间。将集合体取出并排干液体并放入烘箱中干燥和/或在50-600℃热处理下煅烧几分钟至几小时。如果需要，可以任选地重复此沉积和煅烧步骤。冷却后，此部分如以下实施例中所述进一步处理和/或测试。

实施例3

不锈钢网层涂覆有由氧化锰构成的陶瓷材料，从而得到表面亲水特性。通过卧滴法测得水接触角小于5度。将所述层放入装有约1cm去离子水的杯子中，并且层状样品的一部分与去离子水接触。2分钟后，测定如通过可见的湿线所观察到的毛细升高为在样品上高于液位约3cm。如PCT申请号PCT/US19/65978(参见例如图1A至1C)中所述测定毛细升高。测定蒸气透过率为130g/h/m²。测试水柱突破压力，并且所述层不能支持任何可测量的水柱高度。

实施例4

不锈钢网层涂覆有由氧化锰构成的陶瓷材料。然后使用十六烷基膦酸在异丙醇中的稀溶液对表面进行功能化，从而得到表面疏水特性。通过卧滴法测得水接触角为151度。将所述层放入装有约1cm去离子水的杯子中。2分钟后，在高于液位的表面上，水没有明显的上升。测定蒸气透过率为145g/h/m²。测定水柱突破压力为25cm水位差。

实施例5

测试没有任何表面预加工的不锈钢网层。通过卧滴法测得水接触角为20度。将所述层放入装有约1cm去离子水的杯子中。2分钟后，在高于液位的表面上，水没有明显的上升。测定蒸气透过率为152g/h/m²。测试水柱突破压力，并且所述层不能支持任何可测量的水柱高度。

实施例6

测试厚度为5.08cm且绝热值为R-6.7的玻璃纤维绝热层。测定蒸气透过率为48g/h/m²。测试水柱突破压力，并且所述层不能支持任何可测量的水柱高度。

实施例7

测试两个层的堆叠。顶层是如实施例3中所述的疏水不锈钢网。底层是如实施例5中所述的玻璃纤维绝热材料。将这两个层通过使用Kapton胶带以使得绝热层不被压缩的方式密封边缘来连接在一起。测定整个堆叠的蒸气透过率为43g/h/m²。测定整个堆叠的水柱突破压力为23cm水位差。

实施例8

测试两个层的堆叠。顶层是如实施例4中所述的没有任何表面预加工的不锈钢网。底层是如实施例5中所述的玻璃纤维绝热材料。将这两个层通过使用Kapton胶带以使得绝热层不被压缩的方式密封边缘来连接在一起。测定整个堆叠的蒸气透过率为49g/h/m²。测试水柱突破压力，并且所述层不能支持任何可测量的水柱高度。

实施例9

测试三个层的堆叠。顶层是如实施例3中所述的疏水不锈钢网。中间层是如实施例5中所述的玻璃纤维绝热材料。底层是如实施例2中所述的亲水不锈钢网。将这三个层通过使用Kapton胶带以使得绝热层不被压缩的方式密封边缘来连接在一起。测定整个堆叠的蒸气透过率为53g/h/m²。测定整个堆叠的水柱突破压力为22cm水位差。

实施例10

测试三个层的堆叠。顶层是如实施例4中所述的没有任何表面改变的不锈钢网。中间层是如实施例5中所述的玻璃纤维绝热材料。底层是如实施例4中所述的没有任何表面改变的不锈钢网。测定整个堆叠的蒸气透过率为55g/h/m²。测试水柱突破压力，并且所述层不能支持任何可测量的水柱高度。

实施例11

铝网层涂覆有由氧化镁构成的陶瓷材料，从而得到表面亲水特性。通过卧滴法测得水接触角小于5度。将所述层放入装有约1cm去离子水的杯子中。2分钟后，测定毛细升高为高于液位约5cm。测定蒸气透过率为150g/h/m²。测试水柱突破压力，并所述层不能支持任何可测量的水柱高度。

实施例12

铝网层涂覆有由氧化镁构成的陶瓷材料。然后使用十六烷基膦酸在异丙醇中的稀溶液对表面进行功能化，从而得到表面疏水特性。通过卧滴法测得水接触角为160度。将所述层放入装有约1cm去离子水的杯子中。2分钟后，在高于液位的表面上，水没有明显的上升。测定蒸气透过率为150g/h/m²。测定水柱突破压力为100cm水位差。

实施例13

测试没有任何表面预加工的铝网层。通过卧滴法测得水接触角为20度。将所述层放入装有约1cm去离子水的杯子中。2分钟后，在高于液位的表面上，水没有明显的上升。测定蒸气透过率为153g/h/m²。测试水柱突破压力，并且所述层不能支持任何可测量的水柱高度。

实施例14

测试两个层的堆叠。顶层是如实施例11中所述的疏水铝网。中间层是如实施例5中所述的玻璃纤维绝热材料。将这两个层通过使用Kapton胶带以使得绝热层不被压缩的方式密封边缘来连接在一起。测定整个堆叠的蒸气透过率为48g/h/m²。测定整个堆叠的水柱突破压力为62cm水位差。

实施例15

测试两个层的堆叠。顶层是如实施例12中所述的没有任何表面预加工的铝网。中间层是如实施例5中所述的玻璃纤维绝热材料。将这两个层通过使用Kapton胶带以使得绝热层不被压缩的方式密封边缘来连接在一起。测定整个堆叠的蒸气透过率为48g/h/m²。测试水柱突破压力，并且所述层不能支持任何可测量的水柱高度。

实施例16

测试三个层的堆叠。顶层是如实施例11中所述的疏水铝网。中间层是如实施例5中所述的玻璃纤维绝热材料。底层是如实施例10中所述的亲水性铝网。将这三个层通过使用Kapton胶带以使得绝热层不被压缩的方式密封边缘来连接在一起。测定整个堆叠的蒸气透过率为48g/h/m²。测定整个堆叠的水柱突破压力为62cm水位差。

实施例17

测试三个层的堆叠。顶层是如实施例12中所述的没有任何表面改变的铝网。中间层是如实施例5中所述的玻璃纤维绝热材料。底层是如实施例12中所述的没有任何表面改变的铝网。将这三个层通过使用Kapton胶带以使得绝热层不被压缩的方式密封边缘来连接在一起。测定整个堆叠的蒸气透过率为47g/h/m²。测试水柱突破压力，并且所述层不能支持任何可测量的水柱高度。

实施例18

测试厚度为0.005cm的聚酯膜防潮层。测定蒸气透过率为1g/h/m²。测定水柱突破压力为大于200cm水位差。

实施例19

测试两个层的堆叠。顶层是如实施例16中所述的聚酯膜。底层是如实施例4中所述的玻璃纤维绝热材料。测定蒸气透过率为1g/h/m²。测定水柱突破压力为大于200cm水位差。

实施例20

40d(40旦尼尔)织造聚酰胺纺织品层涂覆有由氧化镁构成的陶瓷材料，从而得到表面亲水特性。通过卧滴法测得水接触角小于5度。测定蒸气透过率为175g/h/m²。测试水柱突破压力，并且所述层不能支持任何可测量的水柱高度。

实施例21

40d织造聚酰胺纺织品层涂覆有由氧化镁构成的陶瓷材料。然后使用十六烷基膦酸在异丙醇中的稀溶液对表面进行功能化，从而得到表面疏水特性。测定蒸气透过率为170g/h/m²。测定水柱突破压力为55cm水位差。

实施例22

测试没有任何表面预加工的40d织造聚酰胺纺织品层。测定蒸气透过率为170g/h/m²。测试水柱突破压力，并且所述层不能支持任何可测量的水柱高度。

实施例23

测试厚度为1.1cm且绝热值为R-1.6的Thinsulate G80层。测定蒸气透过率为100g/h/m²。测试水柱突破压力，并且所述层不能支持任何可测量的水柱高度。

实施例24

测试两个层的堆叠。顶层是如实施例19中所述的疏水40d织造聚酰胺纺织品。底层是如实施例21中所述的Thinsulate G80。测定整个堆叠的蒸气透过率为100g/h/m²。测定整个堆叠的水柱突破压力为55cm水位差。

实施例25

测试两个层的堆叠。顶层是如实施例20中所述的没有任何表面预加工的40d织造聚酰胺纺织品。底层是如实施例21中所述的Thinsulate G80。测定整个堆叠的蒸气透过率为100g/h/m²。测试水柱突破压力，并且所述层不能支持任何可测量的水柱高度。

实施例26

测试三个层的堆叠。顶层是如实施例19中所述的疏水40d织造聚酰胺纺织品。中间层是如实施例21中所述的Thinsulate G80。底层是如实施例18中所述的亲水40d织造聚酰胺纺织品。测定整个堆叠的蒸气透过率为90g/h/m²。测定整个堆叠的水柱突破压力为50cm水位差。

实施例27

测试三个层的堆叠。顶层是如实施例20中所述的没有任何表面改变的40d织造聚酰胺纺织品。中间层是如实施例21中所述的Thinsulate G80。底层是如实施例20中所述的没有任何表面改变的40d织造聚酰胺纺织品。测定整个堆叠的蒸气透过率为90g/h/m²。测试水柱突破压力，并且所述层不能支持任何可测量的水柱高度。

实施例28

不锈钢网层在酸蚀刻中产生凹坑，然后用无粘合剂结构化氧化锰陶瓷表面改性剂涂覆，将不锈钢网层在25至75mM硝酸锰水溶液和类似量的六亚甲基四胺或尿素中，在约60℃至80℃的温度下沉积约60至240分钟的时间。然后将网在约400℃至600℃的温度下煅烧约1小时，得到表面亲水特性。通过卧滴法测得水接触角小于5度。将所述网放入装有约1cm去离子水的杯子中。2分钟后，测定毛细升高为高于液位约3cm。如PCT申请号PCT/US19/65978(参见例如图1A至1C)中所述测定毛细升高。测定蒸气透过率为130g/h/m²。测试水柱突破压力，并且所述层不能支持任何可测量的水柱高度。

实施例29

铝网层涂覆有由氧化镁构成的陶瓷材料，将铝网层在25至75mM硝酸镁水溶液和类似量的六亚甲基四胺中，在约60℃至80℃温度下沉积约30至90分钟的时间。然后将网在约300℃至600℃的温度下煅烧约1小时，从而得到表面亲水特性。通过卧滴法测得水接触角小于5度。将所述层放入装有约1cm去离子水的杯子中。2分钟后，测定毛细升高为高于液位约5cm。测定蒸气透过率为约150g/h/m²。测试水柱突破压力，所述层不能支持任何可测量的水柱高度。

实施例30

将织造聚酯纺织品和织造尼龙纺织品溅射约250nm的铝。将纺织品切成小块并涂覆3种不同的陶瓷材料：a)基于氧化镁/氢氧化镁的陶瓷，b)和基于氧化锰/氢氧化锰的陶瓷，c)和基于氧化锌/氢氧化物的陶瓷。所有三种陶瓷都含有大量的氧化铝/氢氧化铝。以类似于实施例1中所述方法的方法沉积陶瓷(使用陶瓷中发现的每种相应的阳离子的2+金属硝酸盐或金属硫酸盐)。测试样品的接触角，并且样品显示出小于15度的接触角。然后将陶瓷改性纺织品浸涂到十六烷基膦酸在异丙醇中或十六烷基三乙氧基硅烷在乙醇中的稀释浴(0.1％至1％)中。在硅烷的情况下，有时会使用少量的乙酸催化剂。然后再次测量样品的接触角，并且样品显示出约150至160度的接触角。湿气透过率在未改性织物的测量误差内。

实施例31

通过在室温下，将纺织品在约200-500mM硫酸锌、约50-150mM过硫酸钾和约1.2至1.7摩尔氢氧化铵浸泡约5至60分钟，织造聚酯、聚酰胺和Tencel纺织品涂覆有基于氧化锌的陶瓷。通过用硫酸镍代替硫酸锌同样在聚酯上形成氧化镍沉积物。通过用硫酸锰代替硫酸锌并且用高锰酸盐代替过硫酸盐同样在聚酯上形成氧化锰沉积物。然后将这些样品在约105℃至约140℃的温度下干燥约1至2小时的时间。测试样品的接触角，并且样品显示出小于15度的接触角。然后将陶瓷改性纺织品浸涂到十六烷基膦酸在异丙醇中或十六烷基三乙氧基硅烷在乙醇中的稀释浴(0.1％至1％)中。在硅烷的情况下，有时会使用少量的乙酸催化剂。然后再次测量样品的接触角，并且样品显示出约150至160度的接触角。

实施例32

在约室温至约80℃的温度下，将织造聚酰胺和聚酯纺织品浸没在约5至200mM高锰酸钾和约10至400mM氢氧化铵的水浴中约5分钟至约1小时。高锰酸盐与氢氧化铵的典型比率为约1比2。然后使基材干燥，然后通过在约60℃至80℃的温度下，将基材浸泡在25至150mM金属(Mn、Zn或Mg)硝酸盐和类似量的六亚甲基四胺水性溶液中约5至90分钟的时间，使基材沉积有包含氧化锰/氢氧化锰、氧化锌/氢氧化锌或氧化镁/氢氧化镁的结构化陶瓷层。然后将网在约100℃至250℃的温度下干燥约1小时。测量样品的接触角，并测出其小于约15度。然后将陶瓷改性纺织品浸涂到十六烷基膦酸在异丙醇中或十六烷基三乙氧基硅烷在乙醇中的稀释浴(0.1％至1％)中。在硅烷的情况下，有时会使用少量的乙酸催化剂。然后再次测量样品的接触角，并且样品显示出约150至160度的接触角。

虽然为达到清楚理解的目的，上述发明已通过图解和实施例的方式作了一些详细描述，但是对本领域的技术人员显而易见的是，在不脱离所附权利要求书中划定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行某些改变和修改。因此，描述不应解释为限制本发明的范围。

本文中引用的所有公布、专利和专利申请出于所有目的均以引用的方式整体并入本文，并且其程度如同每个单独的公布、专利或专利申请明确地并单独地表明为以引用的方式并入本文一般。

Claims (43)

1.一种包括顶部表面和底部表面的材料集合体，其包括：

(a)x个A_t材料层，其包括一种或多种功能特性，其中所述A_t层包括有包括所述顶部表面的最顶层；

(b)y个A_b材料层，其包括一种或多种功能特性，其中所述A_b层包括有包括所述底部表面的最底层；和

(c)在x个A层与y个A层之间的z个B绝热或结构材料层，

其中x、y和z是相同或不同的层数，

其中所述A_t层和所述A_b层各自包括在基材上的无粘合剂陶瓷材料，

并且其中每个A_t层和/或每个A_b层上的所述陶瓷材料是相同或不同的。

2.根据权利要求1所述的集合体，其中所述无粘合剂陶瓷材料主要是结晶的。

3.根据权利要求1所述的集合体，其中所述陶瓷材料包括金属氧化物、金属氧化物的水合物、金属氢氧化物和/或金属氢氧化物的水合物。

4.根据权利要求3所述的集合体，其中所述陶瓷材料包括金属氢氧化物，并且其中所述金属氢氧化物的至少一部分包括层状双氢氧化物。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的集合体，其中所述陶瓷是纳米结构化陶瓷。

6.根据权利要求1所述的集合体，其中用于至少一个A_t层和/或至少一个A_b层的所述基材包括选自以下的材料：织造、非织造或针织的合成或天然纺织品、金属网、金属筛、金属布、合成或天然聚合物材料或膜。

7.根据权利要求6所述的集合体，其中用于至少一个A_t层的所述基材和用于至少一个A_b层的所述基材、或用于至少两个A_t层的所述基材、或用于至少两个A_b层的所述基材包括选自以下的不同材料：织造、非织造或针织的合成或天然纺织品、金属网、金属筛、金属布、合成或天然聚合物材料或膜。

8.根据权利要求1所述的集合体，其中每个A_t层和/或A_b层包括选自以下的一种或多种功能特性：冰或冷凝物管理、防冰、防霜、超疏水性、超亲水性、微生物生长抑制、耐腐蚀性、电磁调制、热调制、阻燃性、透气性、动态抗风、颜色、吸收性、阻隔性、维护特性、美观特性、气味控制、耐磨性、机械特性、表面摩擦、手感、耐久性或其组合。

9.根据权利要求8所述的集合体，其中x和/或y大于1，并且其中每个A_t层和/或A_b层包括与其他A_t层和/或A_b层不同的功能特性。

10.根据权利要求8所述的集合体，其中包括所述顶部表面的所述最顶层和包括所述底部表面的所述最底层包括相同的功能特性。

11.根据权利要求8所述的集合体，其中包括所述顶部表面的所述最顶层和包括所述底部表面的所述最底层包括不同的功能特性。

12.根据权利要求1所述的集合体，其中至少一个A_t层和/或至少一个A_b层包括赋予一种或多种功能特性的顶涂层材料，并且其中由所述顶涂层材料赋予的至少一种功能特性的量值比由直接沉积在不包括所述陶瓷材料的相同基材上的相同顶涂层材料赋予的相同功能特性大。

13.根据权利要求1所述的集合体，其中至少一个A_t层和/或至少一个A_b层包括顶涂层材料，并且其中所述陶瓷材料和所述顶涂层材料协同地赋予一种或多种功能特性，其量值比由独立地沉积在相同基材表面上的所述陶瓷材料或所述顶涂层材料赋予的相同功能特性大。

14.根据权利要求1所述的集合体，其中在至少一个A_t层和/或至少一个A_b层上的所述无粘合剂陶瓷材料是部分填充的多孔结构。

15.根据权利要求14所述的集合体，其中所述陶瓷材料的孔部分地填充有第二陶瓷材料或具有头基和尾基的分子。

16.根据权利要求1所述的集合体，其中每个B层包括选自以下的一种或多种结构特性：热阻、电阻、结构支撑、机械填充和流体输送特征或其组合。

17.根据权利要求1所述的集合体，其中一个或多个B层包括选自以下的陶瓷材料：玻璃纤维、疏松陶瓷和其他无机材料。

18.根据权利要求1至17中任一项所述的集合体，其中所述集合体被结合到机能性外套服装、医用绷带、医用石膏、手术服、过滤或分离介质、包装材料、医院床上用品、吸收性纺织品、防护罩、防护服装、建筑纺织品或土工纺织品中。

19.一种管道绝热或保护材料，其包括如权利要求1所述的集合体，

其中一个或多个A_t层包括疏水或超疏水功能特性，其中一个或多个B层包括绝热、保护或结构特性，并且

其中一个或多个A_b层包括亲水或超亲水功能特性。

20.根据权利要求19所述的管道绝热或保护材料，

其中所述集合体围绕管道，

其中所述最底部的A_b层与所述管道接触，并且

其中所述最顶部的A_t层与周围环境接触。

21.根据权利要求19或20所述的管道绝热或保护材料，其中一个或多个A_t层和/或一个或多个A_b层包括陶瓷涂覆的织造材料。

22.根据权利要求21所述的管道绝热或保护材料，其中所述织造材料选自：不锈钢合金织造材料、碳钢合金织造材料、铝合金织造材料和纺织品。

23.根据权利要求19至22中任一项所述的管道绝热或保护材料，其中至少一个B层包括选自以下的材料：玻璃纤维、碳化硅、陶瓷纤维绝热材料、硅酮或硅酮泡沫、矿棉、玄武岩、泡沫玻璃、聚酰亚胺、硅酸钙和二氧化硅。

24.一种管道，其被根据权利要求19至23中任一项所述的管道绝热或保护材料围绕。

25.一种纺织品材料，其包括如权利要求1所述的集合体，

其中一个或多个A_t层包括疏水或超疏水功能特性，其中一个或多个B层包括绝热、保护或结构特性，并且

其中一个或多个A_b层包括亲水或超亲水功能特性。

26.根据权利要求25所述的纺织品材料，其中一个或多个A_t层和/或一个或多个A_b层的基材包括织造材料。

27.根据权利要求26所述的纺织品材料，其中所述织造材料选自：纺织品、聚酰胺、聚酯、聚合物基材或膜、纤维素材料、棉、羊毛、不锈钢合金织造材料和铝合金织造材料。

28.根据权利要求25所述的纺织品材料，其中一个或多个A_t层和/或一个或多个A_b层的基材包括尼龙或聚对苯二甲酸乙二酯(PET)。

29.根据权利要求25至28中任一项所述的纺织品材料，其中一个或多个B层包括选自以下的材料：聚酯、抓绒、羊毛、羽毛、羽绒和其他主要的有机材料。

30.一种包括顶部表面和底部表面的材料集合体，其包括：

(a)x个A材料层，其包括一种或多种功能特性，其中所述A层包括有包括所述顶部表面的最顶层，

其中所述A层各自包括在基材上的无粘合剂陶瓷材料；和

(b)z个B绝热或结构材料层，

其中所述B层包括有包括所述底部表面的最底层，并且

其中x和z是相同或不同的层数。

31.一种包括顶部表面和底部表面的材料集合体，其包括：

(a)x个A_t材料层，其包括一种或多种功能特性，其中所述A_t层包括有包括所述顶部表面的最顶层；和

(b)y个A_b材料层，其包括一种或多种功能特性，其中所述A_b层包括有包括所述底部表面的最底层，

其中所述A_t层和所述A_b层各自包括在基材上的无粘合剂陶瓷材料，

其中所述A_t层上的所述陶瓷材料与所述A_b层上的所述陶瓷材料不同，

并且其中x和y是相同或不同的。

32.根据权利要求30或31所述的集合体，其中所述陶瓷材料主要是结晶的。

33.根据权利要求30或31所述的集合体，其中所述陶瓷材料包括金属氧化物、金属氧化物的水合物、金属氢氧化物和/或金属氢氧化物的水合物。

34.根据权利要求33所述的集合体，其中所述陶瓷材料包括金属氢氧化物，并且其中所述金属氢氧化物的至少一部分包括层状双氢氧化物。

35.根据权利要求30至34中任一项所述的集合体，其中所述陶瓷是纳米结构化陶瓷。

36.根据权利要求30所述的集合体，其中至少一个A层包括赋予一种或多种功能特性的顶涂层材料，并且其中由所述顶涂层材料赋予的至少一种功能特性的量值比由直接沉积在不包括所述陶瓷材料的相同基材上的相同顶涂层材料赋予的相同功能特性大。

37.根据权利要求30所述的集合体，其中至少一个A层包括顶涂层材料，并且其中所述陶瓷材料和所述顶涂层材料协同地赋予一种或多种功能特性，其量值比由独立地沉积在相同纺织品表面上的所述陶瓷材料或所述顶涂层材料赋予的相同功能特性大。

38.根据权利要求30所述的集合体，其中在至少一个A层上的所述无粘合剂陶瓷材料是部分填充的多孔结构。

39.根据权利要求38所述的集合体，其中所述陶瓷材料的孔部分地填充有第二陶瓷材料或具有头基和尾基的分子。

40.根据权利要求31所述的集合体，其中至少一个A_t层和/或至少一个A_b层包括赋予一种或多种功能特性的顶涂层材料，并且其中由所述顶涂层材料赋予的至少一种功能特性的量值比由直接沉积在不包括所述陶瓷材料的相同基材上的相同顶涂层材料赋予的相同功能特性大。

41.根据权利要求31所述的集合体，其中至少一个A_t层和/或至少一个A_b层包括顶涂层材料，并且其中所述陶瓷材料和所述顶涂层材料协同地赋予一种或多种功能特性，其量值比由独立地沉积在相同纺织品表面上的所述陶瓷材料或所述顶涂层材料赋予的相同功能特性大。

42.根据权利要求31所述的集合体，其中在至少一个A_t层和/或至少一个A_b层上的所述无粘合剂陶瓷材料是部分填充的多孔结构。

43.根据权利要求42所述的集合体，其中所述陶瓷材料的孔部分地填充有第二陶瓷材料或具有头基和尾基的分子。

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