[发明专利]制备气凝胶的方法和气凝胶-复合材料

说明书

本发明涉及制备气凝胶的方法和借助该方法制备的由气凝胶和矿物材料构成的复合材料。通过将其在硝酸存在下用HMDSO疏水化，从而能够得到具有18 mW/mK的导热系数的基于硅酸盐/酯制备的气凝胶材料。

技术领域

本发明涉及根据权利要求1的前序部分的制备气凝胶的方法以及借助该方法获得的作为高性能绝热材料的复合材料。

背景技术

气凝胶具有低密度、 50nm范围开孔的大孔隙率和大内表面。由此产生低热导率。相应地，气凝胶也适合作为绝热材料。但是，高孔隙率也导致气凝胶的低机械稳定性。

因此，近几年推荐源自纤维材料和气凝胶的复合材料。这样的复合材料可以例如用作绝热材料。在WO 93/06044中例如公开了具有下列方法步骤的制备气凝胶基体复合材料的方法：

- 制备气凝胶-前体，

- 将该气凝胶-前体与纤维混合，

- 使含有这些纤维的气凝胶-前体老化以制备凝胶，

- 将该凝胶浸入适合于超临界干燥的溶剂中，并

- 使该凝胶在超临界条件下干燥。

适合作为可以嵌入在气凝胶中的纤维尤其还是玻璃或石棉纤维。但是所述方法的缺点是，必须在超临界条件下使该凝胶干燥，为此高压釜必须进行通常至少一次溶剂交换。这是非常昂贵和费时的过程。这种干燥需要特定的装置消耗（用于临界点干燥的压力反应器；例如在74bar/30℃下干燥CO₂）。因此，气凝胶的超临界干燥仅适用于小型配制和在实验室规模中。

由于凝胶的超临界干燥昂贵，研发一种在低于150℃下在循环空气流中和常压下也可以进行凝胶的亚临界干燥的方法。在凝胶的亚临界干燥过程中，应使生成的凝胶的游离Si-OH基团首先失活以进行进一步的浓缩。这例如通过将三甲基氯硅烷添加至凝胶来实现（参见F. Schwertfeger, D. Frank, M. Schmidt, ''Hydrophobic waterglass basedaerogels without solvent exchange or supercritical drying, Journal of Non-Crystalline Solids, 225 (1998), 第24-29页）。在此，三甲基氯硅烷与凝胶的硅酸盐/酯表面的OH基团反应并消去HCl。通过硅酸盐/酯表面的疏水化，水从凝胶的孔隙中挤出。六甲基二硅氧烷和过量三甲基氯硅烷形成有机相并留在凝胶的孔隙中。生成的盐酸首先使水相饱和，然后在更高浓度下逸出到气相中。

但是，所述方法的缺点是，不能结合石棉纤维使用，因为释放的盐酸将石棉纤维部分地溶解。石棉的至少52重量%由酸溶性成分（金属氧化物如Al₂O₃、CaO、MgO和Fe₂O₃）构成。出于这一原因，目前使用基于玻璃棉的气凝胶，其一方面在酸性pH下足够稳定，但另一方面在燃烧情况下仅具有不足的温度强度。

WO 94/25149描述了制备高孔隙率干凝胶的方法，其中凝胶表面用表面改性化合物进行疏水化，以在干燥前降低凝胶孔隙中的毛细管压力，以使凝胶在最终的干燥步骤中不萎陷。该方法由老化、清洗和干燥步骤的次序构成。所述方法非常昂贵，因为在用三甲基氯硅烷进行疏水化之前和之后，必须用非质子溶剂清洗该凝胶。缺点还是在疏水化过程中释放的盐酸，其例如会腐蚀石棉纤维。

DE-OS-196 48 798描述了通过含水凝胶的表面改性（没有预先的溶剂交换）和随后的干燥来制备有机改性的气凝胶的方法。作为硅烷基化剂，优选使用六甲基二硅氧烷（HMDSO）。在此，此外还可以存在碱或酸作为疏水化反应的催化剂。