[发明专利]用于制备气凝胶复合材料的设备和方法以及气凝胶复合材料

说明书

本发明涉及用于制备气凝胶复合材料的设备和方法。所述设备的特征在于，所述设备具有反应容器(11)，所述反应容器(11)具有用于容纳多个纤维垫的可取出的支承篮(85)；以及设置多个板用以将所述纤维垫相互间隔开。在移除板之后，在气凝胶绝缘板之间存在间隙，热干燥空气可在干燥期间吹过所述间隙。所述方法具有优点，即待处理的溶剂和试剂的量是最少的，并且也不需要复杂的后处理过程。

发明领域

本发明涉及根据权利要求1和12的前序部分所述用于制备气凝胶复合材料的设备和方法，以及根据权利要求33所述可通过所述方法获得、作为高性能绝缘材料的复合材料。

现有技术

气凝胶具有低密度，具有 50 nm范围内的开孔的大孔隙度，和大的内表面。这制备低热导率。因此，气凝胶也适合用作热绝缘材料。然而，高孔隙度还导致气凝胶的低机械稳定性。

因此，近年来已提出了纤维材料和气凝胶的复合材料。这类复合材料可例如用作绝缘材料。例如，在WO 93/06044中，公开了用于制备气凝胶基质复合材料的方法，其具有以下方法步骤：

-制备气凝胶前体

-将气凝胶前体与纤维混合，

-使含有纤维的气凝胶前体老化以制备凝胶，

-将凝胶浸没在适合于超临界干燥的溶剂中

以及

-在超临界条件下干燥凝胶。

同样可包埋于气凝胶中的合适纤维尤其是玻璃纤维或石棉纤维。然而，所述方法的缺点是，凝胶必须在超临界条件下干燥，为此需要高压釜，在其中通常进行至少一次溶剂交换。这是非常复杂和费时的方法。干燥需要特殊的设备投入(用于临界点干燥的压力反应器；例如在 74巴/ 30℃下的CO₂干燥)。因此，气凝胶的超临界干燥仅适合于小批量和实验室规模。

由于凝胶的超临界干燥的复杂性，已开发出一种方法，根据该方法在循环空气流中和正常压力下在150℃下凝胶的亚临界干燥也是可能的。在凝胶的亚临界干燥中，所得凝胶的游离Si-OH基应首先去活化用以进一步缩合。这是例如通过向凝胶添加三甲基氯硅烷而发生的(参见F. Schwertfeger，D. Frank，M. Schmidt，Hydrophobic waterglassbased aerogels without solvent exchange or supercritical drying，Journal ofNon-Crystalline Solids，225 (1998)，第24-29页)。在此，三甲基氯硅烷与凝胶的硅酸盐表面的OH基团反应，同时消去HCl。通过使硅酸盐表面疏水化，水从凝胶的孔中被排出。六甲基二硅氧烷和过量三甲基氯硅烷形成有机相并且保留在凝胶的孔中。制备的盐酸最初使水相饱和，并随后在较高浓度下逸出至气相中。

然而，所述方法的缺点是其不能与石棉纤维结合使用，因为释放的盐酸部分溶解了石棉纤维。石棉由至少52重量%的酸溶性成分(诸如Al₂O₃、CaO、MgO和Fe₂O₃的金属氧化物)组成。出于这个理由，目前使用基于玻璃棉的气凝胶，其一方面在酸性pH中足够稳定，但另一方面在燃烧情况下仅具有不足够的温度抗力。

WO 94/25149描述了一种用于制备高度多孔干凝胶的方法，在所述方法中利用表面改性化合物使凝胶的表面疏水化，以便在干燥之前降低凝胶的孔中的毛细压力，从而使得在最终干燥步骤时凝胶不崩塌。所述方法由一系列老化、洗涤和干燥步骤组成。所述方法非常复杂，因为在利用三甲基氯硅烷疏水化之前和之后，必须用非质子溶剂洗涤凝胶。另一个缺点是，在疏水化期间释放的盐酸将侵蚀例如石棉纤维。