[发明专利]气凝胶及其制造方法

说明书

在气凝胶的制造方法中，在含有具有1nm以上、10nm以下平均粒径的二氧化硅粒子的碱性的高摩尔比的第1硅酸水溶液中，添加酸，生成凝胶。使该凝胶脱水缩合而得到水凝胶。将该水凝胶制成疏水化凝胶。并且，干燥该疏水化凝胶。通过该方法，可制备孔隙容积为3.00cc/g以上、10cc/g以下、平均孔径为10nm以上、68nm以下、比表面积为200m²/g、475m²/g以下的气凝胶。

技术领域

本发明涉及气凝胶及其制造方法。

背景技术

以往，为了省能量化，需求新的绝热材料。存在二氧化硅粒子连结的气凝胶这一绝热材料。二氧化硅的气凝胶与通用的绝热材料即发泡聚氨酯(PU)、发泡聚苯乙烯(EPS)、或真空绝热材料(VIP)完全不同。二氧化硅的气凝胶的绝热性能几乎不随时间改变。进而，二氧化硅的气凝胶具有400℃以上的耐热性。由此可见，作为下一代的绝热材料受到瞩目。

PU和EPS有如下问题：随时间流逝而漏气，因而绝热性能劣化，且缺少耐热性。此外，VIP具有几mW/mK的优异的绝热性能。但存在如下问题：导致真空度降低的随时间劣化，耐热性为100℃左右。

二氧化硅的气凝胶在随时间劣化和耐热性上比现有的绝热材料优异。二氧化硅的气凝胶具有15mW/mK上下的优异的热导率。但是，二氧化硅的气凝胶形成了如下结构：几十nm级的二氧化硅粒子以点接触连接而成的念珠这样的网结构。因此，不太有机械强度。为此，为了克服该脆性，研究通过将二氧化硅的气凝胶与纤维、无纺布、树脂等复合化而提高强度的方法。

通常，二氧化硅的气凝胶等无机纳米多孔体通过液相反应即溶胶-凝胶法来合成。将水玻璃(硅酸钠水溶液)、四甲氧基硅烷这样的烷氧基硅烷化合物作为原料。将该原料与水、醇等液体介质以及根据需要的催化剂混合以使其水解。使溶胶原料在液体介质中缩聚、制成凝胶。

接着，使凝胶生长。该工序被称之为熟化(老化)。熟化是用来进行凝胶的缩聚反应、强化骨架的工序。

接着，是甲硅烷基化工序。该工序是用甲硅烷基化剂将凝胶疏水化的工序。不进行疏水化处理的情形中，在蒸发干燥凝胶中的液体介质时，引起强的毛细管力带来的凝胶骨架的收缩。结果，二氧化硅粒子物理性接触，进行存在于表面的硅烷醇之间的脱水缩合反应，诱发收缩和/或高密度化。因而，生成绝热性能差的气凝胶。

另一方面，在进行疏水化处理时，凝胶的二氧化硅粒子表面存在的硅烷醇与甲硅烷基化剂充分反应、羟基被封端(capped)。因而，即便在蒸发干燥凝胶中的液体介质时凝胶骨架因毛细管力而暂时收缩，也不存在硅烷醇，因此，大大缓解了收缩。结果，抑制了气凝胶的收缩、高密度化，生成绝热性能好的气凝胶。

该现象被称之为回弹(springback)。因此，疏水化工序必须进行该回弹。另外，在疏水化工序中，将所使用的甲硅烷基化剂的量、反应体系、温度、时间等最优化是非常重要的。

最后蒸发干燥凝胶内部的液体介质。作为干燥手法，有超临界干燥法、非超临界干燥法(常压干燥法、冻结干燥法)。关于该合成，记载于专利文献1、2等中。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开2007/010949号

专利文献2：日本专利第3854645号

发明内容

本发明中，实现具有高强度且高绝热性能的气凝胶。即本发明中，即便不较多使用甲硅烷基化剂，也在短时间内制作高比表面积的大凝胶。

本发明的气凝胶的制造方法中，在含有具有1nm以上、10nm以下平均粒径的二氧化硅粒子的碱性的高摩尔比的第1硅酸水溶液中，添加酸，生成凝胶。使该凝胶脱水缩合而得到水凝胶。将该水凝胶制成疏水化凝胶。然后，干燥该疏水化凝胶。