气凝胶的快速生产方法技术

一种更快速地生产气凝胶产品的方法，采用通过将超临界ＣＯ↓［２］而不是液体的ＣＯ↓［２］注入已预加热和预加压到基本为超临界条件或之上的反应器中与湿凝胶内的溶剂进行快速溶剂交换的方式。优选对超临界ＣＯ↓［２］采用压力脉冲以加强溶剂交换。该快速溶剂交换过程之后是降压过程，任选带有气体交换。优选使用压力波来加速降压过程。本方法大大减少了形成气凝胶产品所需的时间。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

技术介绍
本专利技术涉及一种用于制备气凝胶产品如熔珠、复合材料或整料的改进方法，其中，进行溶剂交换和干燥的时间大大减少。湿凝胶形成后，通常先用液态CO2提取用于生成湿凝胶的任何溶剂，后用超临界CO2提取法制备气凝胶产品。更具体地说，就是在诸如乙醇或乙酸乙酯等溶剂中采用溶胶-凝胶法制备湿凝胶。把湿凝胶放入合适的模子里，然后陈化，通常是过夜。如本申请的代理人在制备样品量的气凝胶产品，并公开在例如Coronado等人的美国专利5,395,805中那样，必须除去溶剂而生成所需的气凝胶整料。为除去溶剂，把湿溶胶迅速放入装满液态二氧化碳的提取器，并维持温度和压力处在临界条件以下，进行一个相当长的溶剂交换过程。溶剂交换一旦完成，密封提取器，并将其加热到二氧化碳临界点之上。经过一个短的热稳定期后，将提取器缓慢降压的同时对其加热，以便在压力降到1个大气压时，维持凝胶内部温度足够高，以避免冷凝CO2。进行这些步骤需要的时间在很大程度上取决于提取器的实际大小，它决定了可生产出的气凝胶整料块的实际尺寸的最大值。例如，制备5块5″×9″×1″(12.7cm×22.9cm×2.5cm)的高质量无裂纹气凝胶整料面板，就需要40L的提取器，生产上述整料面板所需的提取时间大约40h。计时是从把湿凝胶快速放入提取器约5～20min开始的。提取器填满液态CO2后，需要花约30小时用液态CO2取代凝胶中的溶剂。溶剂交换步骤之所以需要如此之长的时间，是因为其必须依靠溶剂和液态二氧化碳的扩散和溶质在液态二氧化碳中的溶解性。该步骤如下进行一面从提取器顶部加入CO2，一面从底部将其排出，直到用于制备凝胶的溶剂约100％地被提取。然后用大约2～2.5h加热提取器到CO2的临界点(7378kPa和31.06℃)以上。之所以需要花如此之长的时间，是因为加热速度必须以足够低的速率进行，以避免破坏产生的气凝胶。接着是约1/2h的热稳定期。最后，降压通常要花6h。总之，在40L的提取器中通常需要花40h的提取时间来生产一批5″×9″(12.7cm×22.9cm)无缺陷的1″(2.5cm)厚的气凝胶面板。气凝胶干燥所用的时间长短也取决于孔径分布、孔的曲率和所制备的气凝胶制品的厚度，因为其厚度，即最小尺度决定了干燥期间传热和传质所需的距离。溶剂交换和降压步骤所需的时间大约与其厚度的平方成比例地变化。相当简单地，人们发现该时间段对气凝胶制品太长，以致于与可选替代品例如其它类绝缘物质相比，没有成本竞争力。而且，该时间很大程度上取决于提取器实际尺寸，提取器越大，对于单批相同尺寸和形状的凝胶制品就需要更长的运行时间，以致于对大型气凝胶整料的大规模生产，其初期资金投入就太高。除了需干燥的湿凝胶的实际尺寸和形状，溶剂交换步骤还取决于必须提取出的溶剂总量。加热步骤需要加热提取器壁，然后经液态二氧化碳到达凝胶，同时要避免产生过陡温度梯度而导致对静态湿凝胶的热冲击或破坏。降压进行很缓慢以提供足够数量的热量，也经由提取器壁，加热CO2中间层，随后使热传遍气凝胶的全部体积和提取器，以使热和流体动力学引起的对气凝胶的破坏的可能性最小。本专利技术是集中研究减少一旦将湿凝胶放入用于超临界干燥的提取器之后用于制备气凝胶制品的处理时间的结果。本专利技术的一个目的是大大减少用于超临界干燥湿凝胶来形成气凝胶制品所需的时间。本专利技术进一步的目的是快速生产气凝胶制品，同时避免在气凝胶中产生表面张力导致的破坏。本专利技术更进一步的目的是生产气溶胶制品，同时维持湿溶胶中的温度在空间上充分均一，以避免在凝胶中产生热诱导应力破裂。本专利技术更进一步的目的是生产气溶胶制品，同时维持湿凝胶周围流体的温度和压力与气凝胶中的流体基本相同。这些和其它更进一步的目的从本专利技术下面的详细描述将会明显体现出来。更具体地说，本专利技术涉及在工艺温度下制备和/或填装凝胶，以消除在填装后达到上述工艺温度所需的提取时间。更具体地说，本专利技术涉及在工艺温度下维持提取器壁的温度，以消除加热绝热性很好的提取器的固体物质的时间。更具体地说，本专利技术涉及使用气态CO2将装有湿凝胶的提取器预加压，用于无闪蒸地快速注入超临界CO2，而不引起任何对凝胶结构的流动诱导破坏。更具体地说，本专利技术涉及使用CO2将装有湿凝胶的提取器预加压，CO2温度为约超临界提取工艺温度和凝胶温度，在预加压期间不导致任何由温度梯度引起的凝胶结构破坏。更具体地说，本专利技术涉及在将超临界CO2注入提取器之前使用气态CO2注入提取器中作为取代大量游离溶剂的方法。更具体地说，本专利技术涉及在将超临界CO2注入提取器之前使用超临界CO2注入提取器中来取代大量溶剂。更具体地说，本专利技术涉及超临界CO2注入的使用，其在减压期间作为与在提取器中的超临界CO2进行直接热交换的方式来防止超临界CO2的冷凝。通过减压到刚好低于临界压力之下将超临界CO2从凝胶中除去，这就排除了在凝胶中残留的大多数溶剂。更具体地说，本专利技术涉及不反应性不冷凝气体的使用，其在减压期间作为与气态CO2进行直接热交换并与凝胶中的气态CO2进行气体交换的方式来防止CO2冷凝。同通过提取器壁间接供热的传统的缓慢降压方式相比，这种方式显著缩短了降压持续的时间。更具体地说，本专利技术涉及使用液体泵，然后通过热交换器提高导管中CO2的温度和压力到超临界条件以进料到提取器中。更具体地说，本专利技术涉及使用液体泵，然后通过热交换器提高提取器中CO2的温度和压力到超临界条件。更具体地说，本专利技术涉及使用连续流动超临界CO2提取，其正要进行溶剂交换和提取。更具体地说，本专利技术涉及使用不反应性不冷凝的气体，以在减压期间移除大多数气态CO2，使在减压期间防止剩余CO2冷凝所需的加热总量显著减少。使用不反应性不冷凝的气体也能够在减压期间用不反应性不冷凝的气体直接加热气凝胶。更具体地说，本专利技术涉及在减压期间使用不反应性不冷凝气体作为直接加热介质。该气体吸收热能，传给需要热能的凝胶片，以显著减少降压时间。更具体地说，本专利技术涉及气凝胶干燥方法，其持续时间对设备的规模和尺寸基本上不敏感。更具体地说，本专利技术涉及使用压力波动来加强湿凝胶的溶剂交换步骤，诸如由水玻璃和酸催化剂制得的湿凝胶的水/乙醇交换。更具体地说，本专利技术涉及使用压力波动来加强超临界流体/溶剂交换过程，因为高频波动提高了在超临界流体相和溶剂之间的界面上的有效质、热扩散，而低频波动增加了穿过凝胶结构的有效质、热传递速率。更具体地说，本专利技术涉及使用压力波动以减少降压所需的时间，并通过使用增加穿过凝胶结构的有效质、热传递速率的低压波动仍然避免了进入流体的超临界流体的冷凝。专利技术详述本专利技术涉及一种制备任何气凝胶产品的改进方法，包括熔珠、复合材料或整料。此处使用的“气凝胶”不仅包括(除非上下文需要狭义)传统的气凝胶，也包括具有微孔或纳米孔晶格结构的相似结构，如干凝胶、硅凝胶、沸石或水玻璃，溶剂就是从这种结构的孔除去的。术语“熔珠”是指普通的球形气凝胶体，其具有的直径一般在几十毫米至约1厘米之间。术语“整料”是指具有一个最小维数，即其厚度的单个气凝胶体，而其它两维大于其厚度，或者是具有某一直径的圆柱体。厚度或直径一般为几毫米至十几厘米，术语“复合材料”指与凝胶中有其它物质生成的气凝胶，如有玻璃纤维。术语“溶剂”指用于生产凝胶的液体分散介质，根据本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种改进的用第二种流体交换凝胶中的第一种流体的效率的方法，其包括在交换期间对凝胶、第一种流体和第二种流体应用具有至少一种频率的压力脉冲。

【技术特征摘要】
US 1999-10-21 60/160,4641.一种改进的用第二种流体交换凝胶中的第一种流体的效率的方法，其包括在交换期间对凝胶、第一种流体和第二种流体应用具有至少一种频率的压力脉冲。2.权利要求1的方法，其中第一种流体选自液体、气体和超临界流体，而第二种流体选自液体、气体和超临界流体。3.权利要求1的方法，其中第一种流体是用于制备凝胶的溶剂液体，而第二种流体是超临界流体。4.权利要求1的方法，其中凝胶是一种无机凝胶，其是选自硅、铝、铁、铜、锆、铪、镁、钇及其混合物的金属的氧化物。5.权利要求1的方法，其中第一种流体是超临界流体，而第二种流体是非反应性不冷凝气体。6.一种用超临界流体交换湿凝胶中的溶剂液体来制备气凝胶的方法，该方法包括提供装有具有孔结构的湿凝胶的提取器，所述凝胶的孔内包含有溶剂液体；在提取器中提供一种超临界流体，其与含溶剂液体的湿凝胶在接近压力和温度平衡时接触；和对所述超临界流体施加压力脉冲，由此加速超临界二氧化碳和上述溶剂液体的混合。7.权利要求1～6的方法，其包括应用具有两种不同频率的压力脉冲。8.一种在气凝胶制备时用于减少在进行交换的装置中用超临界提取流体交换凝胶内的溶剂液体所需要的时间，其包括在该超临界液体接触溶剂液体之前在凝胶中提供温度低于该超临界流体临界温度不超过10℃的溶剂液体。9.一种制备气凝胶的方法，其包括以下步骤(i)在大气压力下把带孔并在湿凝胶周围和孔中含有溶剂液体的湿凝胶放入提取器，(ii)升高该提取器的温度，(iii)加入温度与该提取器温度基本相同的二氧化碳，(iV)逐渐增加提取器压力，使得所述提取器中形成超...

【专利技术属性】
技术研发人员：K李，R贝加，Z阿蒂帕马科夫，
申请(专利权)人：阿斯彭系统公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]