[发明专利]生产气凝胶的方法和使用所述方法获得的气凝胶

说明书

本发明涉及在升高的压力下生产气凝胶的方法，使用所述方法获得的气凝胶及其用途。

本发明涉及气凝胶生产技术领域。特别地，本发明涉及通过溶胶-凝胶工艺生产气凝胶的方法。

此外，本发明涉及气凝胶，特别是根据本发明的方法可获得的气凝胶，以及它们的用途，特别是用作或用于隔绝材料。

此外，本发明涉及用于生产气凝胶的装置。

最后，本发明涉及通过溶胶-凝胶工艺生产液凝胶的方法。

气凝胶是一种高孔隙度固体，其体积可由最高达99.98％的孔隙组成。气凝胶通常具有树枝状结构，其中部分链具有很强的分支，因此形成了很多间隙，特别是以开孔的形式。链具有大量的接触点，因此形成稳定的海绵状结构。孔隙尺寸通常在纳米范围内，并且内表面积可最高达1000m²/g以上。气凝胶可以由多种材料组成，诸如二氧化硅、塑料或碳，以及天然有机聚合物，诸如藻酸盐或金属氧化物。

由于其高孔隙率，气凝胶通常被用作隔绝材料，例如用于隔热目的，或用作过滤材料。类似地，气凝胶也被用作储存材料，例如用于液体或气体。

气凝胶是纳米结构的开孔固体，其通常通过溶胶-凝胶工艺生产。

气凝胶通常通过干燥凝胶状的凝胶(主要是凝聚二氧化硅)来生产。可利用二氧化硅和类似的起始材料诸如硅溶胶、硅烷水解物或硅酸盐获得的气凝胶具有SiO₂结构单元，并且通常被称为二氧化硅气凝胶——也称为硅气凝胶。二氧化硅气凝胶的首次合成由Steven Kistler在1931/1932年实现。他是第一个开发干燥凝胶而不收缩的方法的人(Kistler S.S.,The Journal of Physi-cal Chemistry 1932,36(1):Co-herentexpanded Aerogels,pp.52-64)。在由Kistler开发的方法中，使用水玻璃作为起始材料，在第一步骤中通过用矿物酸酸化由其获得二氧化硅水凝胶。在下一步骤中，通过洗涤使该凝胶不含碱金属离子。然后将水凝胶中包含的水完全交换成乙醇或甲醇。随后在加压釜中对所得的醇凝胶进行超临界干燥。

同时，还开发了进一步的方法，诸如在DE 18 11 353A中描述的方法。DE 18 11353A公开了一种生产二氧化硅气凝胶的方法，其中四乙氧基硅烷(TEOS)在甲醇或乙醇中用精确计量的水和催化剂水解。在水解过程中，在醇和水的分解下形成醇凝胶形式的SiO₂凝胶。然后将醇凝胶在加压釜中进行超临界干燥。该方法还可用于由三聚氰胺甲醛树脂和间苯二酚甲醛树脂生产有机气凝胶。在超临界干燥技术中，待干燥的凝胶要经受至少达到所用溶剂的临界点的温度和压力条件。

这种基于所用溶剂的超临界条件的超临界干燥过程的缺点是温度和压力条件以及不连续的操作模式。例如，含水凝胶的干燥需要至少370℃的温度和至少220bar的压力。当干燥含有甲醇的凝胶时，需要至少240℃的温度和至少81bar的压力。

该超临界干燥方法的替代方法是使用压缩的二氧化碳。例如，在EP 171722A中公开了一种用超临界二氧化碳干燥的方法。在此过程中，在超临界干燥之前，有机溶剂被交换成液态二氧化碳。然后在低得多的温度下进行用CO₂的超临界干燥，例如，在二氧化碳的31.1℃的临界温度和73.9bar的临界压力下。

此外，亚临界干燥方法也是已知的。在亚临界干燥技术中，待干燥的凝胶要经受低于所用溶剂的临界点的温度和压力条件，优选在常压下。在常压下并通过接触或对流加热的亚临界干燥的缺点是，由此产生的毛细作用力会导致凝胶塌陷。这种危险尤其存在于具有低固体含量的水凝胶或液凝胶中，例如由DE 43 16 540A已知的。

由于设备和能量需求低，因此已经专门针对二氧化硅气凝胶开发了工业规模的亚临界干燥方法。然而，通常必须对凝胶进行化学改性，以减少干燥过程中出现的毛细作用力，并防止凝胶塌陷。