[发明专利]气凝胶材料及其生产方法

说明书

相关申请

本申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2015年3月31日提交且题为“Aerogel Materials and Methods for their Production”的美国临时专利申请序列号62/141,221的优先权，其出于所有目的通过引用整体并入本文。

背景技术

1.技术领域

本文所述的方面涉及气凝胶材料及其生产方法。

2.相关技术的讨论

气凝胶是由相互连接的纳米结构的多孔三维网络构成的多种类型的低密度固体材料。气凝胶通常表现出多种期望的材料特性，包括高比表面积、低体积密度、高比强度和刚度、低热导率以及低介电常数等。

某些气凝胶组合物可以将这些特性中的几种组合到同一材料包中，并且因此对于包括隔热、隔音、轻质结构、冲击阻尼、电极、催化剂和催化剂载体以及传感器的应用可以是有利的。一些气凝胶材料具有使得其适合用作结构材料的机械特性，例如可以用作塑料的轻质替代品。

气凝胶材料的生产通常涉及耗费时间的扩散受限过程和生产量受限的分批制造。特别期望这样的方法：其能够由凝胶前体迅速生产气凝胶材料，能够连续生产气凝胶单块(monolith)或覆盖层(blanket)，和/或不会使产品受限于压力容器的尺寸。

发明内容

本公开内容一般性地涉及气凝胶材料及其生产方法，例如，不需要超临界干燥作为制造过程的一部分的制造气凝胶的方法。在一些情况下，可以协同地使用材料、溶剂和处理步骤的某些组合，以便能够制造大的(例如，米级)、基本上无裂纹的、机械强度高的气凝胶单块。在一些情况下，可以协同地使用材料、溶剂和处理步骤的某些组合，以便能够以连续方式制造气凝胶单块、覆盖层和薄膜。在一些情况下，可以协同地使用材料、溶剂和处理步骤的某些组合，以便能够实现气凝胶材料的增材制造(additive manufacturing)。

例如，在形成多孔凝胶(例如，来源于溶胶)时，可以使用在环境条件下允许气凝胶的亚临界干燥和形成的有机溶剂来交换位于凝胶的孔内的溶剂。也就是说，在适当的溶剂交换发生之后，通过简单地使有机溶剂蒸发而不进行另外的操作，可以自动地形成具有期望特征的气凝胶。这样的有机溶剂可以包含氟和氧，可以是不可燃的，并且可以表现出低的表面张力(例如，小于20达因/厘米、小于15达因/厘米)。

如本文所提供的，可以制备不通过用二氧化碳进行超临界干燥而制造的气凝胶材料。例如，如上所讨论的，本文所述的方法可以允许在气氛条件或其他环境条件下生产气凝胶材料。因此，硬质的气凝胶单块和柔性的气凝胶材料可以以不受厚壁压力容器的使用限制的尺寸或者在不另外需要使用厚壁压力容器的情况下制备。也就是说，本公开内容的某些实施方案不需要传统使用的这些压力容器。在一些实施方案中，分散遍及凝胶的孔/通道中的溶剂可以通过在环境气氛或其他类似条件下蒸发来除去。

例如，根据本公开内容的气凝胶材料可以具有优于常规气凝胶材料的机械特性，可以在不使用超临界干燥器的情况下制造，并且可以具有期望的隔热性、声阻尼特性、不可燃性和可加工性。根据本公开内容的气凝胶材料的连续制造可以例如通过以下过程在几小时内进行：浇注凝胶，将其孔流体交换成新的孔流体，并且以连续移动的方式或辊对辊工艺除去新的孔流体。

本文的方法可以采用各自具有不同优点的多种形式之一。在一些实施方案中，可以在几个小时或甚至几分钟内由凝胶前体制备气凝胶材料。在一些实施方案中，所产生的气凝胶材料可以具有期望的机械特性、隔热特性、声阻尼特性、不可燃性和可加工性。

在一个示例性实施方案中，提供了用于制造气凝胶的方法。所述方法包括形成多孔凝胶材料(例如，在溶剂的存在下使单体一起反应，从而形成溶胶并随后形成凝胶，或者通过分散预制的纳米结构来制备溶胶并且通过物理手段或化学粘合将其诱导成凝胶)，以及向凝胶材料的孔内引入表面张力小于20达因/厘米的有机溶剂，其中有机溶剂包含氟。该步骤可以包括用有机溶剂交换或以其他方式替换已经位于凝胶材料的孔内的流体。所述方法还可以包括使有机溶剂从凝胶材料的孔中蒸发以生产气凝胶材料。

在另一个示例性实施方案中，提供了用于制造气凝胶的方法。所述方法包括：提供凝胶材料，其具有位于所述凝胶材料的孔内的低表面张力溶剂；以及在环境条件下使溶剂蒸发以从凝胶材料的孔中除去溶剂以生产气凝胶材料。