本发明专利技术提供了用于各种用途的增强的气凝胶单块及其纤维增强的复合物。还提供了组合物和制备该单块和复合物的方法。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本文中描述的专利技术涉及制造填充了溶剂、纳米结构化的凝胶结构以及纤维增强的凝胶复合物。在所有流动相溶剂用例如超临界流体萃取(超临界溶剂萃取)的方法萃取之后，这些材料变成纳米多孔气凝胶结构。提供了涉及该复合物和气凝胶结构的配方和制造方法，以及根据它们的改善的机械性能的使用方法。
技术介绍
基于它们的结构，气凝胶描述了一类材料，即，低密度的、开孔结构的、大表面积(通常为900m2/g或更大)的、以及次纳米规模孔径的材料。在制造过程中普遍使用超临界和亚临界流体萃取技术以从易碎的单元中萃取液体，而不会导致它们崩塌。因为气凝胶这一命名描述了一类结构而不是具体的材料，已知有各种不同的气凝胶组合物，包括无机、有机、以及无机/有机杂化物(hybrid)组合物(N.Husing和U Schubert，Angew.Chem.Int.Ed.1998，37，22-45)。无机气凝胶通常基于金属醇盐，包括材料如二氧化硅、各种碳化物、以及氧化铝。有机气凝胶包括，但不限于聚氨酯(urethane)气凝胶、间苯二酚甲醛气凝胶、以及聚酰亚胺气凝胶。有机/无机杂化物气凝胶主要是有机改性的二氧化硅气凝胶。在该优选的实施方式中的有机成分是分散在二氧化硅网络中的或者化学地结合到其上的。分散的或弱结合的有机材料已经显示出较易通过所述制造方法从所述凝胶结构中洗去。共价地结合到无机结构上的有机材料将显著减少或消除洗去的量。低密度气凝胶材料(0.01-0.3g/cc)一般被认为是最好的固体绝热体，明显优于最好的硬质泡沫(例如，聚异氰脲酸酯、聚氨酯等)。例如，在37.8℃以及一个大气压的压力下，气凝胶材料通常具有小于15mW/m-K的导热率(参见J.Fricke和T.Tillotson，薄固体膜，297(1997)212-223)。气凝胶主要通过将传导最小化(使用低密度的、曲折的路径来使热量传导通过固体纳米结构)、对流最小化(使用非常小的孔径以将对流最小化)和辐射最小化(IR吸收或散射掺杂剂容易地分散在整个气凝胶基质中)，来用作绝热体。根据配方，它们从低温温度到550℃或更高的温度都能很好地起作用。在更高的温度下，气凝胶结构具有收缩和烧结的趋势，损失许多原始孔体积和表面积。气凝胶材料还显示许多其它有趣的声、光、机械和化学性能，从而可使它们用于消费和工业市场。已经开发出低密度的绝缘材料来解决应用中的许多隔热问题，在这些应用中，芯线绝缘承受了巨大的压力。例如，使聚合材料与中空玻璃微球混合以形成复合泡沫塑料，它们通常是非常硬的、耐压的材料。复合材料熟知为用于水下油气管和辅助设备的绝缘体。复合泡沫塑料材料熟知为用于水下油气管和辅助设备的绝缘体。复合材料是较刚性的，具有较Aspen Aerogels股份有限公司制造的挠性气凝胶复合物(纤维增强的气凝胶基质)更高的导热率。气凝胶可由凝胶前体形成。各种层，包括挠性纤维增强的气凝胶，可容易地结合并成形以得到预成形物，在沿一根或多根轴经受机械压力时，该预成形物沿这些轴中的任一根给出强抗压体。以这种方式受压的气凝胶体显示出比复合泡沫塑料好得多的绝热性。用以改善这些材料的物理性能的方法如使密度最优化、改善热阻率、以及使含尘量最小化，将促进这些材料在各种工业和用途(包括作为外部绝缘的水下油气管)中大规模的使用。当由低密度陶瓷或具有夹杂的溶剂(凝胶溶剂)的交联的聚合物基质材料组成时，二氧化硅气凝胶通常是易碎的。它们必须极小心地处理或加工。虽然聚合的二氧化硅链的扩散和随后的固体网络的生长在二氧化硅凝胶化点之后在二氧化硅凝胶结构中明显放慢，但是在凝胶化之后保持原始的凝胶液体(母液)一段时间在现有技术中已知为获得具有最好的热性能和机械性能的气凝胶的关键。凝胶“老化”而不扰乱的这段时间称为“脱水收缩”。脱水收缩的条件(时间、温度、pH、固体浓度)对于气凝胶产品的品质非常重要。描述在专利和科学文献中的用于通过溶胶-凝胶化学方法形成的单块凝胶和/或纤维增强的复合物凝胶制造的常规方法总是包括分批浇铸。在这里分批浇铸限定为催化一整个体积的溶胶以在整个所述体积中同时引起凝胶。另一种形成单块的和/或纤维增强的复合物凝胶结构的方法描述在公布的美国专利申请文件US20020094426A1中，其中，在凝胶之前，溶胶在连续流中被催化(在纤维增强的复合物的情况下，存在纤维)。凝胶形成技术是本领域技术人员熟知的。例子包括调节稀释的金属氧化物溶胶的pH和/或温度至发生凝胶的点(R.K.Iler，二氧化硅和硅酸盐的胶体化学，1954，第6章；R.K.Iler，二氧化硅化学，1979，第5章；C.J.Brinker和G.W.Scherer，溶胶-凝胶化学，1990，第2-3章)。用于形成无机气凝胶的合适的材料是能形成氧化物的绝大部分金属(例如，硅、铝、钛、锆、铪、钇、钒等)的氧化物。特别优选的是主要由水解的硅酸酯的醇溶液形成的凝胶，因为它们容易利用、成本低、且容易加工。本领域技术人员还已知的是，有机气凝胶可由蜜胺甲醛、间苯二酚甲醛等制得(参见例如，N.Husing和U Schubert，Angew.Chem.Int.Ed.1998，37，22-45)。纤维增强的气凝胶复合物的可利用性打开了许多气凝胶材料的应用领域。可以制造具有气凝胶的绝大多数有用品质的大截面的气凝胶复合物。所述复合物可制造为具有更高的效率、更大的截面、改善的机械性能和更低的价格。真空绝热板是绝热市场中这些高性能产品中的一种。低密度纤维增强的二氧化硅气凝胶在17.5psi的负载下收缩超过40％。需要不同的增强方法来制造更硬的气凝胶复合物材料以承受引入VIP结构中的压力。在过去的20年中，许多研究者都试图通过加入直接结合到二氧化硅网络上的二次聚合相，来改善二氧化硅气凝胶和干凝胶的机械性能以降低在单块凝胶结构形成过程中其断裂的可能性。这导致许多不同类型的无机有机杂化物材料的合成。最著名的例子中的一些如下N.Leventis、C.Sotiriou-Leventis、G.Zhang和A.M.Rawashdeh的纳米通讯(NanoLetters)(2002，2(9)，957-960)，报道了通过二氧化硅水凝胶的硅醇与聚(六亚甲基二异氰酸酯)的交联，二氧化硅气凝胶的强度增加了超过100的系数。但是，所得的材料含有在硅与氧原子之间的可水解的键，-Si-O-C-，不是Si-C键。H.Schmidt，非晶态固体杂志(J.Non-CrystSolid)(73，681，1985)，报道了通过加入聚甲基丙烯酸酯(在下文中称为PMA)来增加二氧化硅干凝胶的拉伸性能。下述作者也进行了PMA/二氧化硅干凝胶的制备和系统结构研究J.H.Harreld、B.Dunn和J.I.Zink，J.Mater.Chem.(1997，7(8)，1511-1517)；Z.H.Huang和K.Y.Qiu，聚合物(38(3)，1997，521-526)；D.L.Qu、A.Adamjee、S.L.Lana和A.B.Seddon，Ceramic，Tran.(1998，10，291-294)；D.Donescu、M.Teodorescu、S.Serban、L.Fusulan、C.Petcu，欧洲聚合物杂志(35(1999)，1679-16本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种有机改性的二氧化硅气凝胶组合物，所述组合物包含丙烯酸酯类低聚物，所述丙烯酸酯类低聚物结合到所述气凝胶的硅酸盐网络中。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：DL欧，GL戈德，CJ斯捷潘尼安，
申请(专利权)人：白杨气凝胶股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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