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。无裂纹的和/或机械强度高的气凝胶材料。无裂纹的和/或机械强度高的气凝胶材料。

【技术实现步骤摘要】
用于生产气凝胶材料的系统和方法
[0001]相关申请
[0002]本申请是申请日为2016年2月5日、申请号为201680016775.5、专利技术名称为“用于生产气凝胶材料的系统和方法”之申请的分案申请。
[0003]母案申请根据35 U.S.C.
§
119(e)要求于2015年2月5日提交的题为“Systems and Methods for Producing Aerogel Materials”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。


[0004]本文所述的方面涉及用于生产气凝胶材料的系统和方法。

技术介绍

[0005]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。
[0006]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

[0007]本公开内容一般性地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)。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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
[0017]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：
[0018]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；
[0019]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；
[0020]图3描绘了根据一些实施方案的在凝胶周围流动的气体；
[0021]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；
[0022]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；
[0023]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；
[0024]图7描绘了根据一些实施方案的孔流体的除去；
[0025]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；
[0026]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；
[0027]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；
[0028]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；
[0029]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；
[0030]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；
[0031]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
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一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...

【专利技术属性】
技术研发人员：斯蒂芬，
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：