[发明专利]含有键合硅的线型聚合物的有机改性的二氧化硅气凝胶

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求提交于2004年1月6日的美国临时专利申请60/534,803的优先权的 利益，该美国临时专利申请在本文中全文引用。

技术领域

本文中描述的发明涉及制造填充了溶剂的、纳米结构化的凝胶单块(monolith) 以及挠性覆盖层复合物片材。在所有移动相溶剂用例如超临界溶剂萃取(超临界流 体干燥)的方法萃取之后，这些材料变成纳米多孔气凝胶体。提供了涉及该复合物 和气凝胶体的配方和制造方法，以及基于它们的改善的机械性能的使用方法。

背景技术

基于它们的结构，气凝胶描述了一类材料，即，低密度的、开孔结构的、大 表面积(通常为900m²/g或更大)的、以及次纳米规模孔径的材料。普遍使用超临 界和亚临界流体萃取技术以从易碎的材料单元中萃取流体。已知有各种不同的气凝 胶组合物，它们可以是无机、有机、以及无机/有机杂化物(参见N.Husing和U Schubert，Angew.Chem.Int.Ed.1998，37，22-45)。无机气凝胶通常基于金属醇 盐，包括材料如二氧化硅、碳化物、以及氧化铝。有机气凝胶包括，但不限于聚氨 酯气凝胶、间苯二酚甲醛气凝胶、以及聚酰亚胺气凝胶。有机/无机杂化物气凝胶 主要是有机改性的硅酸盐(有机改性的二氧化硅或“ormosil”)。有机成分是共价连 接到二氧化硅网络中的。换句话说，所述有机相和无机相在无机/有机杂化物气凝 胶中彼此化学连接。

低密度气凝胶材料(0.01-0.3g/cc)一般被认为是最好的固体绝热体，优于最 好的硬质泡沫(在低于100℉和大气压下，导热率为10mW/m-K)。气凝胶主要通过 将传导最小化(使用低密度的、曲折的路径来使热量传导通过固体纳米结构)、对 流最小化(使用非常小的孔径以将对流最小化)和辐射最小化(IR吸收或散射掺杂 剂容易地分散在整个气凝胶基质中)，来用作绝热体。根据配方，它们从低温温度 到550℃或更高的温度都能很好地起作用。气凝胶材料还显示许多其它有趣的声、 光、机械和化学性能，从而可使它们非常有用。本发明中描述的方法代表凝胶形成 的进步，凝胶的形成有利于这些气凝胶材料的制造和性能的改善。

已经开发出低密度的绝缘材料来解决应用中的许多隔热问题，在这些应用中， 芯线绝缘体承受了巨大的压力。例如，使聚合材料与中空玻璃微球混合以形成复合 泡沫塑料，它们通常是非常硬的、耐压的材料。复合材料熟知为用于水下油气管和 辅助设备的绝缘体。复合材料相对于挠性气凝胶复合物(纤维增强的气凝胶基质) 是较刚性的且具有更高的导热率。气凝胶可由挠性凝胶前体形成。各种挠性层，包 括挠性纤维增强的气凝胶，可容易地结合并成形以得到预成形物，在沿一根或多根 轴经受机械压力时，该预成形物沿这些轴中的任一根给出强抗压体。以这种方式受 压的气凝胶体显示出比复合泡沫塑料好得多的绝热性。用以改善这些材料的性能， 如密度、导热率、以及含尘量的方法，将促进这些材料在水下油气管中大规模地用 作外部绝缘体。

二氧化硅气凝胶单块将用作绝缘透明物，例如建筑中的双层玻璃窗。因为 当由陶瓷或具有夹杂的溶剂(凝胶溶剂)的交联聚合物基质材料组成而没有纤维增 强物时，这些凝胶材料通常是硬的和刚性的，它们必须极小心地处理。

虽然在凝胶化点之后，聚合物链的扩散和随后的固体网络的生长在粘性的凝 胶结构中明显放慢，但是在凝胶化之后保持原始的凝胶液体(母液)一段时间是获 得具有最好的热性能和机械性能的气凝胶的关键。凝胶“老化”而不扰乱的这段时 间称为“脱水收缩”。脱水收缩的条件(时间、温度、pH、固体浓度)对于气凝 胶产品的品质非常重要。