[发明专利]生产气凝胶材料的方法

说明书

本发明涉及一种用于生产基于无定形二氧化硅的气凝胶材料的方法，该方法包括以下步骤：a)制备包含硅溶胶、醇和能通过酸催化活化的疏水剂的混合物；b1)向步骤a)中形成的混合物中加入碱并混合所得混合物；b2)使步骤b2)中获得的包含硅溶胶的混合物凝胶化，从而形成硅凝胶，并且任选地使该凝胶老化；c)向步骤b2)中形成的硅凝胶中添加疏水催化剂，并任选地使该硅凝胶老化，原位形成或受控制释放疏水催化剂，并引起硅凝胶的催化疏水化；d)通过亚临界干燥除去步骤c)中形成的混合物的挥发性成分，从而形成气凝胶材料，其中至少步骤b2)至d)在同一反应器中进行。

技术领域

本发明涉及一种生产气凝胶的特殊方法、由此可产生的气凝胶以及这种气凝胶用于隔热的用途。

背景技术

二氧化硅基气凝胶和干凝胶凭借其极低的热导率和材料密度而越来越多地用作高效隔热材料，例如用于建筑隔热。能以有成本效益的方式生产气凝胶和干凝胶变得越来越重要。其生产的大量方法是已知的。通常，起点是水玻璃(硅酸钠)或诸如原硅酸四乙酯(TEOS)和原硅酸四甲酯(TMOS)的烷氧基硅(有机硅酸盐)作为硅原料，其最初形成硅溶胶，然后形成硅凝胶。气凝胶材料生产中的关键步骤通常是湿凝胶的干燥。过去传统上气凝胶仅通过超临界干燥来生产，即由通常为低级醇的超临界流体干燥(高温超临界干燥或HTSCD)，如今优选CO₂(低温超临界干燥或LTSCD)。在干燥过程中，不超过所用溶剂特定的临界参数例如温度和压力是必需的。CO₂的临界温度和临界压力为约31℃和约74巴。在如此高的过程压力下进行反应需要对于气凝胶生产的成本相对高昂的过程控制和设备的投资。

通过在标准压力下对含溶剂的疏水化凝胶进行亚临界干燥，可以实现在类似结构的气凝胶或干凝胶生产中的重要突破。例如在US 5565142 A1中描述了该方法。在亚临界条件下的这种干燥使得可以生产具有与通过超临界干燥得到的气凝胶几乎相同性质的材料。在早期，根据传统定义，这些材料被称为干凝胶，该术语至今仍用于用溶剂亚临界干燥的气凝胶。在下文中，没有使用基于其生产性质的气凝胶的传统定义，而是使用基于典型材料特性(密度0.30g/cm³，孔隙率85％，孔径20至80nm)的定义。因此，将亚临界干燥的材料仍称为气凝胶，而不是干凝胶。

WO 2012/044052 A2涉及颗粒形式的光学透明和不透明的SiO₂气凝胶的制备。其通过将水玻璃溶胶注入醇相中进行，从而形成凝胶。将该凝胶与醇另外交换，并用硅烷化试剂使其疏水化。然后将凝胶在标准压力或减压下干燥。该方法允许在明显短的时间内生产气凝胶颗粒，但是一个显著的缺点是为了从水凝胶相中除去水，必需要用乙醇洗涤。水-醇混合物的处理需要大量能量，对于大规模工业生产而言，这是该方法的一个相当大的缺点。对于本发明来说，尤其重要的是应提及在疏水剂和疏水催化剂(HCl)的混合物中的醇凝胶的疏水化。

WO2013/053951 A1公开了一种生产干凝胶的方法，其包括以下顺序的方法步骤：(a)生产含醇的溶胶；(b)-(c)使溶胶凝胶化和老化；(d)疏水化在步骤(b)和(c)中生产和老化的溶胶；(e)任选地在低于80℃的温度下对疏水化溶胶进行预干燥，和(f)在高于100℃的温度下完全干燥。该方法的最后步骤(d)在单独的烘箱中进行。根据WO2013/053951 A1，与例如在FR 2873677 A1中所述的单一步骤中的干燥相反，像这样逐步干燥气凝胶使得能够获得均质的气凝胶。工作实例还表明，省略预干燥步骤导致所获得的材料具有更高的热导率。因为直到步骤(d)才将疏水剂添加到最终的和老化的凝胶中，所以被抑制的扩散不仅会导致凝胶体疏水化不均匀，而且还会导致很长的疏水化时间。