陶瓷泡沫制造技术

提供陶瓷泡沫

【技术实现步骤摘要】
陶瓷泡沫、其制造方法及其用途
[0001]相关申请的交叉参考
[0002]本申请要求于
2019
年1月
12
日提交的美国临时申请第
62/791,778
号和
2019
年6月
14
日提交的美国临时申请第
62/861,892
号的权益，所述申请的公开内容通过引用全文纳入本文
。

技术介绍

[0003]寻求轻质而力学强度高的超隔绝
(
热隔绝和声音隔绝
)
是节能建筑和许多其他行业的关键，而具有可规模缩放性的低成本制造对于大规模
、
实用且节能的应用是不可或缺的
。
[0004]建筑的
HVAC(
供暖
、
通风和空气调节
)
占全球能源消耗的
40
％
。
现有建筑和未来建筑的
HVAC
可以通过安装改进的隔热体来改善，从而减少
CO2排放
。
减少建筑热耗的经济方法是安装较厚的隔绝材料层
。
然而，其占据更多的空间，因此生活空间会减少
。
氧化硅气凝胶仅需传统安装的隔绝材料厚度的一半即可达到相同的隔热性能
。
氧化硅气凝胶在环境温度
、
压力和相对湿度下呈现出已知固体的最低热导率，约
0.015W/m
·
K。
这种低热导率由其低密度和制造期间所产生孔隙的组合造成
。
在建筑行业中，对于建筑改造以及薄立面隔绝
、
侧包厢和屋顶阳台施工，节约空间是使用高性能隔绝材料的最重要原因之一
。
大规模使用氧化硅气凝胶作为建筑中标准隔绝材料的主要缺点是其生产成本
。
[0005]超隔绝材料需要热传递的严格调节
。
在这种情况下，氧化硅气凝胶是最有效的隔热材料之一，其甚至可以达到低于静止空气的超低热导率
。
陶瓷气凝胶的超隔绝由多孔材料的几何形态导致，包括高孔隙体积
、
优化的空隙尺寸和具有边界和缺陷的多孔固体壁，其中，气体空隙的受限热传导和声子散射下低固体分数的热传输耗散路径有助于其良好的隔热性能
。
尽管具有超隔绝性能，但大规模氧化硅气凝胶应用受到了限制，因为其通过超临界干燥
(
避免了干燥过程期间毛细管诱导的结构降解
)
制造，成本高且耗时长
。
此外，气凝胶的机械稳定性差，阻碍了其整体式应用
。
虽然添加剂
(
如碳纳米线和聚合物纤维
)
用于与气凝胶共混以提高机械稳定性，但在不影响隔绝性能的情况下获得机械强度仍是相当具有挑战性的
。
[0006]受人体皮肤结构的启发，具有孔径梯度的气凝胶类泡沫材料最近因其不对称结构而引起了人们的兴趣，这种结构不仅可以提供优异的隔绝性能，而且为开发新功能提供了基础
。
此外，具有孔梯度结构的该气凝胶类泡沫材料在优化致密材料或具有均匀孔径的多孔材料的力学性能方面显示出良好的前景
。
具有相同孔隙率的梯度孔隙聚乳酸泡沫比均匀泡沫的吸声能力提高约
20
％
。
具有可调空隙分数
、
孔径和质量密度的受控中空纳米结构
/
微结构的氧化硅泡沫在超隔绝材料的发展中发挥了作用
。
[0007]轻质气凝胶材料对于隔热
/
热隔绝
(thermal insulation)
是理想的
。
然而，其低机械完整性和高制造成本阻碍了其在节能建筑隔热材料大规模采用的发展
。
此外，对于热管理来说，获得更好的隔音和耐热特性可能很重要
。
[0008]由于氧化硅气凝胶具有非常大的面容比
(surface
‑
to
‑
volume ratio)(
约2×
109m
‑1)
和比表面积
(
约
900m2/g)
，其内部表面化学过程在其热性质和化学性质中起着重要作用
。
传统的超临界干燥产生的表面单纯由羟基
(
‑
OH)
覆盖
(
～5‑
OH/nm2)
，具有强氢结合能力
(
亲水性
)。
因此，其从潮湿空气中吸收水分，从而使其质量增加
20
％
。
此外，纳米级孔隙内的水分凝结发挥出了足够强的毛细力，使氧化硅骨架断裂，并使气凝胶整体坍塌
。
此外，在相对较高的温度下，氧化硅气凝胶热导率的辐射分量的是显著的
。
[0009]氧化硅气凝胶通常通过溶胶
‑
凝胶工艺结合超临界提取来制备，以保持结构完整性和高孔隙率
。
超临界提取的常规气凝胶制备遇到了很多限制，包括能耗高
、
环境足迹大
、
加工时间长和材料成本高
。
然而，超临界干燥所涉及的复杂加工和高压力限制了其大规模生产用于建筑隔绝的可规模缩放性
。
最常见的气凝胶合成方法包括使用低表面张力超临界流体
(
例如
CO2或
CH4)
通过临界点干燥从凝胶提取液体
。
然而，超临界提取需要昂贵的高压设备，并且是一个危险且耗时的过程
。
替代性方法包括有机溶剂升华，因为溶剂升华需要高真空和冷冻干燥需要相对较低温度的能源密集型要求，有机溶剂升华难以扩大规模
。
常规常压干燥工艺作为一种能耗较低的替代方法，用低表面张力有机溶剂
(
如己烷
、
庚烷和辛烷等
)
替代了用于凝胶形成的原始溶剂
。
此外，其通常会导致产生盐酸，这进一步需要有机溶剂来去除
。
因此，由于使用了大量的有机溶剂，目前的
APD
方法仍然是一个耗时且昂贵的过程
。
所有这些都限制了大规模气凝胶生产用于建筑隔绝
(insulation)。
根据
2014
年的艾利爱德市场研究
(Allied market research)
报告，气凝胶市场的快速增长表明了人们对氧化硅气凝胶隔绝材料
(18.5
美元
/
英尺2‑
英寸
)
的兴趣：
2004
年，气凝胶隔绝材料的销售额约为
2500
万美元，但到
2013
年已增至5亿本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种用于形成陶瓷气凝胶的方法，所述方法包括：使如下物质进行接触：陶瓷前体；成孔气体形成添加剂，所述成孔气体形成添加剂选自：脲以及碳酸氢钠的组合；催化剂；以及表面活性剂，其中，接触导致形成惰性气体和具有孔梯度结构的陶瓷气凝胶
。2.
如权利要求1所述的方法，其中，陶瓷前体选自氧化硅前体
、
氧化铝前体
、
过渡金属氧化物前体
、
以及它们的组合
。3.
如权利要求2所述的方法，其中，氧化硅前体选自：四烷氧基硅烷
、
烷基三烷氧基硅烷
、
偏硅酸钠
、
和其组合；其中，氧化铝前体选自：烷醇铝
、
三
(
β
‑
羟基
)
乙胺缩合氢氧化铝或三
(
杂氮铝三环基氧基异丙基
)
胺及其组合；并且
/
或者其中，过渡金属氧化物前体选自过渡金属醇盐
。4.
如权利要求3所述的方法，其中，氧化硅前体选自：正硅酸四甲酯
、
正硅酸四乙酯
、
甲基三甲氧基硅烷
、
偏硅酸钠及其组合
。5.
如权利要求3所述的方法，其中，过渡金属氧化物前体选自：具有式
M(OR)
x
的过渡金属醇盐，其中，
M
是选自
Al、Ti、Zr、W、Cr、Mo
的过渡金属，
R
为烷基，并且
x
选自
1、2、3、4
或
5。6.
如权利要求1所述的方法，其中，催化剂是选自如下物质的碱性催化剂：氨
、
氟化铵
、
氢氧化铵及其组合
。7.
如权利要求1所述的方法，其中，催化剂是酸性催化剂，所述酸性催化剂选自：质子酸
、
氢卤酸及其组合
。8.
如权利要求7所述的方法，其中，催化剂是质子酸
。9.
如权利要求1所述的方法，其中，表面活性剂选自：十六烷基三甲基溴化铵和十二烷基硫酸钠
。10.
如权利要求1所述的方法，其中，使陶瓷前体
、
成孔气体形成添加剂
、
和表面活性剂发生接触，然后使催化剂与陶瓷前体
、
成孔气体形成添加剂和表面活性剂发生接触；其中，接触包括将如下物质混合：陶瓷前体，其可以配制在溶剂中；成孔气体形成添加剂，其可以配置在水中；催化剂，其可以配制在水中；或者其中，接触在室温至
70℃
的温度下进行，并且
/
或者进行1分钟至
96
小时
。11.
如权利要求1所述的方法，其中，基于陶瓷前体
、
催化剂
、
成孔气体形成添加剂和表面活性剂的总重量，陶瓷前体的含量为2至
10
重量％；基于陶瓷前体
、
催化剂
、
成孔气体形成添加剂和表面活性剂的总重量，成孔气体形成添加剂的含量为
0.4
至2重量％；基于陶瓷前体
、
催化剂
、
成孔气体形成剂和表面活性剂的总重量，催化剂的含量为1至2重...

【专利技术属性】
技术研发人员：任申强，杨睿哲，柴秉伯，胡峰，
申请(专利权)人：纽约州立大学研究基金会，
类型：发明
国别省市：