用于生产气凝胶材料的系统和方法技术方案

一般性地描述了用于生产气凝胶材料的系统和方法。在某些情况下，所述方法不需要超临界干燥作为制造过程的一部分。在一些情况下，可以协同地使用材料、溶剂和/或处理步骤的某些组合，以便能够制造大的(例如，米级)，基本上无裂纹的和/或机械强度高的气凝胶材料。

Systems and methods used in the production of aerogels

The systems and methods used in the production of aerogels are described in general. In some cases, the method described does not require supercritical drying as part of the manufacturing process. In some cases, some combinations of materials, solvents and / or processing steps can be used cooperatively, so that large (e.g., rice grade) aerogels with no crack and / or high mechanical strength can be produced.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于生产气凝胶材料的系统和方法相关申请本申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2015年2月5日提交的题为“SystemsandMethodsforProducingAerogelMaterials”的美国临时申请第62/112,241号的优先权，其为了所有目的通过引用整体并入本文。
技术介绍
1.
本文所述的方面涉及用于生产气凝胶材料的系统和方法。2.相关技术的讨论气凝胶是由相互连接的纳米结构的多孔三维网络构成的多种类型的低密度固体材料。气凝胶通常表现出多种期望的材料特性，包括高比表面积、低体积密度、高比强度和刚度、低热导率以及低介电常数等。某些气凝胶组合物可以将这些特性中的几种组合到同一材料包中，并且因此对于包括隔热、隔音、轻质结构、冲击阻尼、电极、催化剂和催化剂载体以及传感器的应用可以是有利的。一些气凝胶材料具有使得其适合用作结构材料的机械特性，并且例如可以用作塑料的轻质替代品。
技术实现思路
本公开内容一般性也涉及用于生产气凝胶(例如，不需要超临界干燥作为制造过程的一部分的气凝胶)的系统和方法。在一些情况下，可以协同地使用材料、溶剂和处理步骤的某些组合，以便能够制造大的(例如，米级)、基本上无裂纹的、机械强度高的气凝胶单块(monolith)。在一些情况下，可以制备不通过用二氧化碳进行超临界干燥而制造的气凝胶材料。例如，本文所述的方法可以在大气条件或其他环境条件下生产气凝胶材料。因此，硬质的气凝胶单块可以以不受厚壁压力容器限制的尺寸制备。在一些实施方案中，可以使分散在整个凝胶的孔/通道中的孔流体或溶剂冷冻或凝固，然后通过升华除去。例如，根据本公开内容的某些方面的气凝胶材料可以具有优于常规气凝胶材料的机械特性，在不使用超临界干燥器的情况下制造，并且具有期望的隔热性、声阻尼特性、不燃性和可加工性。本文的方法可以采用各自具有不同优点的多种形式之一。在一些实施方案中，气凝胶材料可以在大约几个小时内由凝胶前体制备。在一些实施方案中，气凝胶材料可以使用更慢的过程成本有效地制备。在一些实施方案中，所产生的气凝胶材料可以具有期望的机械特性、隔热特性、声阻尼特性、不燃性和可加工性。在一个示例性实施方案中，提供了用于制造气凝胶的方法。所述方法包括：用溶剂替换位于凝胶材料的孔内的流体，使在凝胶材料的孔内的溶剂冷冻，以及使溶剂升华以从凝胶材料的孔中除去溶剂，以生产气凝胶材料。在另一个示例性实施方案中，提供了用于制造气凝胶的方法。所述方法包括：提供具有溶剂的凝胶材料，所述溶剂位于所述凝胶材料的孔内；使凝胶材料的孔内的溶剂冷冻；以及在环境条件下使溶剂升华以从凝胶材料的孔中除去溶剂，以生产气凝胶材料。在又一个示例性实施方案中，提供了用于制造气凝胶的方法。气凝胶的至少一个尺寸可大于或等于约30cm，第二尺寸可大于或等于约1cm，压缩模量可大于或等于约500kPa，压缩屈服强度可大于或等于约20kPa和/或尺寸可在恰好除去凝胶的孔流体之前的其凝胶前体尺寸的约20％的范围内。所述方法可以包括提供具有溶剂的凝胶材料，使溶剂冷冻，以及在大致大气压力下使溶剂升华以生产气凝胶材料。在另一个示例性实施方案中，提供了用于制造气凝胶的方法。气凝胶的至少一个尺寸可大于或等于约4cm，第二尺寸可大于或等于约0.5cm，压缩模量可大于或等于约500kPa，压缩屈服强度可大于或等于约20kPa和/或尺寸可在恰好除去凝胶的孔流体之前的其凝胶前体尺寸的约20％的范围内。所述方法可以包括提供具有溶剂的凝胶材料，使溶剂冷冻，以及在大致大气压力下使溶剂升华以生产气凝胶材料。在一个示例性实施方案中，提供了用于制造气凝胶的方法。所述方法包括通过将凝胶材料冷却至第一温度来使溶剂的位于凝胶材料的中孔(mesopore)内的第一部分冷冻，所述第一温度低于溶剂的凝固点；通过升华从凝胶材料的中孔中除去溶剂的第一部分；通过将凝胶材料冷却至低于第一温度的第二温度来使溶剂的位于凝胶材料的微孔(micropore)内的第二部分冷冻；以及通过升华从凝胶材料的微孔中除去溶剂的第二部分，以生产气凝胶材料。在结合附图考虑时，根据本公开内容的以下详细描述，本公开内容的优点、新颖特征和目的将变得显而易见，附图是示意性的，而不旨在按比例绘制。为了清楚起见，并未在每幅附图中对每个组件进行标记，并且在不必进行说明就可使本领域普通技术人员理解本公开内容的情况下，也未对本公开内容的每个实施方案的每个组件进行标记。附图说明现在将参照附图通过举例的方式描述本公开内容的多个实施方案，其中：图1描绘了根据一些实施方案的在干燥期间的凝胶的示意图；图2描绘了根据一些实施方案的用于干燥凝胶的系统的示意图；图3描绘了根据一些实施方案的在凝胶周围流动的气体；图4描绘了根据一些实施方案的用于干燥凝胶的系统的示意图；图5描绘了根据一些实施方案的用于干燥凝胶的系统的示意图；图6是示出根据一些实施方案的从凝胶中除去的孔流体百分比根据凝胶厚度-标准化时间而变的图；图7描绘了根据一些实施方案的孔流体的除去；图8是示出根据一些实施方案的叔丁醇的熔化温度根据限制其的孔的直径而变的图，如通过Gibbs-Thomson效应所预测的；图9是示出根据一些实施方案的包含污染物溶质丙酮或水的叔丁醇的熔点根据污染物体积百分比而变的图；图10是示出根据一些实施方案的在大气压力下以二氧化碳进行升华干燥期间的质量通量根据时间而变的图；图11是示出根据一些实施方案的在大气压力下以二氧化碳进行升华干燥期间的质量通量根据凝胶中剩余的质量百分比而变的图；图12是示出根据一些实施方案的叔丁醇的密度相对于温度的图，这说明了与经脱气的无空气叔丁醇在冷冻期间经历的连续密度变化相比，在未脱气的空气饱和的叔丁醇冷冻期间出现密度的不连续性；图13是描绘根据一些实施方案的叔丁醇的密度相对于温度的图，这示出了未脱气的无空气叔丁醇在其冷冻时经历的密度不连续性可以通过以下过程来避免：首先将溶剂加热到密度等于未脱气的无空气叔丁醇在冷冻之后的密度时的温度，然后使其经受快速冷冻过程；图14描绘了根据一些实施方案的用于干燥凝胶的系统的示意图；以及图15描绘了根据一些实施方案的在冷冻干燥的准备中用于连续交换凝胶的溶剂的系统的示意图。具体实施方式本专利技术人已经意识到，能够生产作为相对大的单块式(例如，大的、长的和/或宽的板)的气凝胶材料将是有利的。在一些实施方案中，这样的气凝胶材料可以在不需要超临界干燥步骤的情况下制造。因此，由于超临界干燥通常涉及由厚壁压力容器提供的条件，所以对于根据本公开内容的某些实施方案，不需要使用这样的压力壁。在一些实施方案中，凝胶可以包括多孔骨架和分散在整个孔中的溶剂。骨架可以包含任何合适的材料，包括例如聚脲、聚氨酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚合物交联的无机气凝胶前体、酸催化的间苯二酚-甲醛材料、多糖等。在一些情况下，溶剂或孔流体可以与另一种溶剂交换多次以达到合适水平的纯度。然后可以在很小或没有毛细管力的情况下使溶剂适当地冷冻和升华，产生气凝胶。即，不是通过蒸发由液态除去溶剂，而是使溶剂由固态(已经冷冻)升华，从而使通过蒸发可能另外导致的毛细管力最小化。对于一些情况，这样的毛细管力在溶剂除去期间可能是不期望的，部分是因为毛细管力可能导致整体气凝胶单块的收缩、破裂和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于制造气凝胶材料的方法，包括：用溶剂替换位于凝胶材料的孔内的流体，使在所述凝胶材料的所述孔内的所述溶剂冷冻，以及使所述溶剂升华以从所述凝胶材料的所述孔中除去所述溶剂，以生产气凝胶材料。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.02.05 US 62/112,2411.一种用于制造气凝胶材料的方法，包括：用溶剂替换位于凝胶材料的孔内的流体，使在所述凝胶材料的所述孔内的所述溶剂冷冻，以及使所述溶剂升华以从所述凝胶材料的所述孔中除去所述溶剂，以生产气凝胶材料。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述凝胶的所述孔包括中孔和微孔。3.根据权利要求2所述的方法，包括用所述溶剂替换位于所述凝胶材料的中孔内的所述流体，使在所述凝胶材料的所述中孔内的所述溶剂冷冻，以及使所述溶剂升华以从所述凝胶材料的所述中孔中除去所述溶剂。4.根据权利要求3所述的方法，包括在使所述溶剂升华以从所述凝胶材料的所述中孔中除去所述溶剂的步骤之后，使所述溶剂升华以从所述凝胶材料的所述微孔中除去所述溶剂。5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述凝胶材料的所述孔包括大孔。6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述气凝胶材料的压缩模量大于约1MPa。7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中所述气凝胶材料的压缩模量大于约10MPa。8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中所述气凝胶材料的压缩模量大于约100MPa。9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中所述气凝胶材料的压缩模量最大至约500MPa。10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中所述气凝胶材料的压缩屈服强度大于约40kPa。11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中所述气凝胶材料的压缩屈服强度大于约1MPa。12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中所述气凝胶材料的压缩屈服强度大于约10MPa。13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中所述气凝胶材料的压缩屈服强度大于约100MPa。14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其中所述气凝胶材料的压缩屈服强度最大至约10MPa。15.根据权利要求1至14中任一项所述的方法，其中所述气凝胶材料的压缩极限强度小于约600MPa。16.根据权利要求1至15中任一项所述的方法，其中所述气凝胶材料的压缩极限强度大于约600MPa。17.根据权利要求1至16中任一项所述的方法，其中所述气凝胶材料包含聚脲、聚异氰酸酯、聚异氰脲酸酯、聚酰亚胺、聚酰胺、聚芳酰胺和聚氨酯中的至少一者。18.根据权利要求1至17中任一项所述的方法，其中所述气凝胶材料包含一种或更多种有机聚合物和一种或更多种无机材料的混杂物。19.根据权利要求1至18中任一项所述的方法，其中所述气凝胶材料包含有机聚合物和二氧化硅的混杂物。20.根据权利要求1至19中任一项所述的方法，其中所述凝胶材料包含二氧化硅颗粒、二氧化硅凝胶颗粒和二氧化硅气凝胶颗粒中的至少一者。21.根据权利要求1至20中任一项所述的方法，其中所述气凝胶材料包含至少一种芳香族单体。22.根据权利要求1至21中任一项所述的方法，其中所述气凝胶材料包含至少一种脂肪族单体。23.根据权利要求1至22中任一项所述的方法，其中所述气凝胶材料包含纳米多孔氧化物，其中所述纳米多孔氧化物的内部轮廓表面共形地涂覆有聚合物。24.根据权利要求23所述的方法，其中所述聚合物与所述氧化物共价结合。25.根据权利要求23至24中任一项所述的方法，其中所述聚合物包括聚异氰酸酯。26.根据权利要求23至25中任一项所述的方法，其中所述聚合物包括环氧化物。27.根据权利要求23至26中任一项所述的方法，其中所述氧化物包括二氧化硅。28.根据权利要求23至27中任一项所述的方法，其中所述氧化物包括钒氧化物。29.根据权利要求23至28中任一项所述的方法，其中所述氧化物包括金属氧化物和类金属氧化物中的至少一者。30.根据权利要求1所述的方法，其中所述气凝胶材料包含可碳化聚合物。31.根据权利要求1所述的方法，其中所述气凝胶材料包含酚聚合物、间苯二酚-甲醛聚合物、蜜胺-甲醛聚合物、甲阶酚醛树脂、酚醛清漆、聚苯并嗪中的至少一者。32.根据权利要求1至31中任一项所述的方法，其中所述气凝胶材料包含间苯二酚-蜜胺-甲醛聚合物和脲-甲醛聚合物中的至少一者。33.根据权利要求1所述的方法，其中所述溶剂包含醇。34.根据权利要求33至33中任一项所述的方法，其中所述醇具有小于约1.5％的杂质。35.根据权利要求33至34中任一项所述的方法，其中所述醇具有小于约1.0％的杂质。36.根据权利要求33至35中任一项所述的方法，其中所述醇具有小于约0.5％的杂质。37.根据权利要求33至36中任一项所述的方法，其中所述醇具有小于约0.1％的杂质。38.根据权利要求33至37中任一项所述的方法，其中所述醇具有小于约0.05％的杂质。39.根据权利要求33至38中任一项所述的方法，其中所述醇具有小于约0.01％的杂质。40.根据权利要求33所述的方法，其中所述醇包括甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、仲丁醇、叔丁醇、戊醇、环己醇、2-甲氧基乙醇和戊基醇中的至少一者。41.根据权利要求1所述的方法，其中所述溶剂包含水。42.根据权利要求1所述的方法，其中所述溶剂包含丙酮、二甲基亚砜、乙腈、N-甲基吡咯烷酮和N，N’-二甲基甲酰胺中的至少一者。43.根据权利要求1所述的方法，其中使所述溶剂升华在环境条件下进行。44.根据权利要求1至43中任一项所述的方法，其中使所述溶剂升华在不向所述凝胶材料施加真空的情况下进行。45.根据权利要求43至44中任一项所述的方法，其中在环境条件下使所述溶剂升华包括提供气体流。46.根据权利要求45所述的方法，其中所述气体流过所述凝胶的至少一侧。47.根据权利要求45至46中任一项所述的方法，其中所述气体在所述凝胶周围流动。48.根据权利要求45至47中任一项所述的方法，其中在环境条件下使所述溶剂升华包括提供氮气流。49.根据权利要求45至48中任一项所述的方法，其中在环境条件下使所述溶剂升华包括提供空气流。50.根据权利要求45至49中任一项所述的方法，其中在环境条件下使所述溶剂升华包括提供二氧化碳流。51.根据权利要求45至50中任一项所述的方法，其中在环境条件下使所述溶剂升华包括提供干燥气体流。52.根据权利要求45至51中任一项所述的方法，其中在环境条件下使所述溶剂升华包括以大于约3SLM的流量提供气体流。53.根据权利要求45至52中任一项所述的方法，其中在环境条件下使所述溶剂升华包括以大于约10SLM的流量提供气体流。54.根据权利要求45至53中任一项所述的方法，其中在环境条件下使所述溶剂升华包括以大于约100SLM的流量提供气体流。55.根据权利要求45至54中任一项所述的方法，其中在环境条件下使所述溶剂升华包括以大于约1000SLM每m2暴露的凝胶表面的流量提供气体流。56.根据权利要求45至55中任一项所述的方法，其中在环境条件下使所述溶剂升华包括以大于约5CFM每英尺2暴露的凝胶表面的流量提供气体流。57.根据权利要求45至56中任一项所述的方法，其中流动气体的温度在包含于所述凝胶材料内的所述溶剂的熔化温度的约1℃的范围内。58.根据权利要求45至57中任一项所述的方法，其中所述流动气体的温度在包含所述凝胶的所述溶剂的熔化温度的约2℃的范围内。59.根据权利要求45至58中任一项所述的方法，其中所述流动气体的温度在包含所述凝胶的所述溶剂的熔化温度的约5℃的范围内。60.根据权利要求45至59中任一项所述的方法，其中所述流动气体的温度在包含所述凝胶的所述溶剂的熔化温度的约10℃的范围内。61.根据权利要求45至60中任一项所述的方法，其中所述流动气体的温度在包含所述凝胶的所述溶剂的熔化温度的约20℃的范围内。62.根据权利要求1所述的方法，其中使所述溶剂升华在真空条件下进行。63.根据权利要求62所述的方法，其中真空压力小于约100托。64.根据权利要求62至63中任一项所述的方法，其中真空压力小于约10托。65.根据权利要求62至64中任一项所述的方法，其中真空压力小于约1托。66.根据权利要求62至65中任一项所述的方法，其中真空压力小于约0.1托。67.根据权利要求62至66中任一项所述的方法，其中真空压力小于约1×10-2托。68.根据权利要求62至67中任一项所述的方法，其中真空压力小于约1×10-3托。69.根据权利要求62至68中任一项所述的方法，其中真空压力小于约1×10-4托。70.根据权利要求62至69中任一项所述的方法，其中真空压力小于约1×10-5托。71.根据权利要求62至70中任一项所述的方法，其中真空压力小于约1×10-6托。72.根据权利要求1所述的方法，其中回收最初包含在所述凝胶内的所述溶剂的至少约50％。73.根据权利要求1至72中任一项所述的方法，其中所述溶剂的至少约90％在24小时内除去。74.根据权利要求1至73中任一项所述的方法，其中所述溶剂的至少约99％在72小时内除去。75.根据权利要求1至74中任一项所述的方法，其中所述溶剂的至少约99％在4小时内除去。76.根据权利要求1至75中任一项所述的方法，其中溶剂除去的速率为至少约80g溶剂/小时/m2暴露的凝胶表面。77.根据权利要求1至76中任一项所述的方法，其中溶剂除去的速率为至少约10g溶剂/小时/m2暴露的凝胶表面。78.根据权利要求1至77中任一项所述的方法，其中溶剂除去的速率为至少约160g溶剂/小时/m2暴露的凝胶表面。79.根据权利要求1至78中任一项所述的方法，其中所述凝胶材料的至少一个尺寸大于约30cm。80.根据权利要求1至79中任一项所述的方法，其中所述凝胶材料的至少一个尺寸大于约1m。81.根据权利要求1至80中任一项所述的方法，其中所述气凝胶材料的至少一个尺寸的长度在原始凝胶前体的相应尺寸的5％的范围内。82.根据权利要求1至81中任一项所述的方法，其中所述气凝胶材料的至少一个尺寸的长度在原始凝胶前体的相应尺寸的10％的范围内。83.根据权利要求1至82中任一项所述的方法，其中所述气凝胶材料的至少一个尺寸的长度在原始凝胶前体的相应尺寸的20％的范围内。84.根据权利要求1至83中任一项所述的方法，其中所述气凝胶材料的至少一个尺寸的长度在原始凝胶前体的相应尺寸的50％的范围内。85.根据权利要求1至84中任一项所述的方法，其中所述气凝胶材料的体积在原始凝胶前体的体积的35％的范围内。86.根据权利要求1至85中任一项所述的方法，其中所述气凝胶的BET氮吸附表面积大于约100m2/g。87.根据权利要求1至86中任一项所述的方法，其中所述气凝胶的BET氮吸附表面积大于约50m2/g。88.根据权利要求1至87中任一项所述的方法，其中所述气凝胶的BET氮吸附表面积大于约20m2/g。89.根据权利要求1至88中任一项所述的方法，其中所述气凝胶的BET氮吸附表面积大于约...

【专利技术属性】
技术研发人员：斯蒂芬·A·施泰纳三世，贾斯廷·S·格里芬，本亚明·H·温施，约翰·N·施奈德，
申请(专利权)人：气凝胶科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US