[发明专利]无溶剂交换制备的聚合物气凝胶

说明书

本发明公开了用于制备有机聚合物气凝胶的方法和相应的气凝胶及包含这种气凝胶的制品。该方法可以包括在具有高蒸气压和/或低沸点的有机溶剂的存在下，使有机可聚合的材料聚合以获得包含有机聚合物基体和有机溶剂的有机聚合物凝胶；并且在适于除去步骤(a)的有机溶剂并形成有机聚合物气凝胶的条件下亚临界干燥或环境干燥有机聚合物凝胶。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年4月26日提交的美国临时申请第62/663013号的优先权，该临时申请通过引用整体并入本文，且无免责声明。

政府支持条款

本发明得到了政府支持，合同编号为DE-AR0000734，由能源研究计划署(ARPA-E)(美国能源部)批准。政府拥有本发明的一定权利。

发明背景

A.发明领域

本发明一般涉及不使用溶剂交换制备聚合物气凝胶的方法。特别地，本发明涉及在除去溶剂或溶剂体系的条件下干燥聚合物凝胶以形成聚合物气凝胶，其中在聚合物凝胶的形成和/或聚合物凝胶的干燥中不进行溶剂交换。

B.相关技术说明

凝胶定义为海绵状的三维固体网络，其孔中填充有另一种非气态物质，例如液体。凝胶的液体不能从凝胶结构中自由扩散，并且保留在凝胶的孔中。在干燥过程中表现出不受阻碍的收缩和内部孔塌陷的凝胶干燥提供了通常称为干凝胶的材料。

相比之下，在干燥过程中干燥且表现出很少或没有收缩和内部孔塌陷的凝胶可以产生气凝胶。气凝胶是具有相对低的密度和高孔隙率的轻质材料。气凝胶被用于各种各样的应用，例如房屋和建筑、航空航天、交通运输、催化剂、隔热、传感器、增稠剂等。在期望透明性和/或最小雾度的情况下(例如，窗户、瓶子、容器和光学器件(例如眼科镜片)、电灯泡等)，气凝胶通常不满足要求。例如，虽然由二氧化硅(SiO₂)制备的气凝胶可以表现出高透明度，但已知这样的二氧化硅气凝胶是脆性的，因此机械强度较低。这限制了它们在期望透明性的应用中的使用。

制备聚合物气凝胶的常规方法包括形成聚合物凝胶、溶剂交换和干燥溶剂交换的凝胶以产生气凝胶。溶剂交换被认为是必要的步骤，除去反应溶剂时可以导致孔塌陷，最后导致最终气凝胶的低孔隙率。影响溶剂交换的溶剂选择和/或干燥时间的参数可以包括表面张力、沸点、蒸发速率、溶解度参数、蒸气压等。由于需要抑制或减少孔塌陷，溶剂交换可能需要大量时间和成本，且能源效率低下。例如，溶剂交换可能需要大量溶剂(例如在每个溶剂交换周期中所要更换的溶剂体积的5倍)和长的处理时间(例如24小时、一周或更长)，这可能限制所制备的气凝胶的尺寸。另外，溶剂的回收和再利用可能需要能够处理易燃的和/或挥发性物质的设备，这可能导致高的制造成本或增加制造成本。

已经描述了制备无溶剂交换的表面改性气凝胶的尝试。例如，Schwertfeger等人在美国专利第7470725号中描述了获取SiO₂水凝胶、使水凝胶表面甲硅烷基化、用水溶性酮或醇来溶剂交换水，然后在CO₂气氛下干燥水凝胶以形成气凝胶。已经描述了制备无溶剂交换的有机气凝胶的尝试。例如，Mendenhall等人在美国专利第6077876号中描述了在超临界条件下用成型/脱模的方法由可溶于醇类的化合物制备气凝胶。但是，不溶于醇类的有机化合物需要溶剂交换。

尽管如此，制备气凝胶的方法是耗时的并且经历复杂的制造步骤。

发明内容