CN113056510A - 涂覆的气凝胶 - Google Patents

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Abstract

气凝胶可以涂覆有可聚合树脂，所述可聚合树脂固化以形成聚合物涂覆的气凝胶。所述涂覆的气凝胶可以用作结构或隔热部件，诸如用于分析和科学装置中。涂覆的气凝胶可以进一步涂覆有导电材料、半导电材料、不导电材料、电阻材料、或其组合。

Description

涂覆的气凝胶
相关申请
本申请要求2018年11月8日提交的美国临时申请号62/757,727的权益。上述申请的全部传授内容通过援引方式并入本文。
背景技术
分析装置和科学系统，诸如化学、生物、或电化学检测器和/或传感器，通常具有其中重量、热管理、或功率消耗是制约因素的部件或组件。一些装置和系统具有隔热的部件或环境。然而，许多绝缘材料是纤维状的或者可以产生粉尘，这两者都不是所希望的。
发明内容
气凝胶是用于作为隔热体使用的优异材料，并且气凝胶可以提供在相邻部件、组件、以及环境之间的隔热。结构部件也可以由气凝胶形成。由气凝胶材料制成的部件重量轻、热稳定、并且可以自绝缘。
本文描述了聚合物涂覆的气凝胶。用聚合物涂覆气凝胶可以减少流体(诸如气体或液体)流过气凝胶。气凝胶可以是薄片状或粉尘状的，并且用聚合物涂覆气凝胶可以使气凝胶更强、较不薄片状、以及较不粉尘状。另外，细微粒状固体不能容易地穿过或渗透入涂覆的气凝胶中。在一些实施例中，相对于未涂覆的气凝胶，涂层可以降低气凝胶部件的表面孔隙率。
聚合物涂覆的气凝胶可以用于多种应用中，诸如用于分析或科学装置中，其中此类额外的特性是希望的。作为实例，气凝胶管部件可以涂覆有减少流体流经气凝胶的无孔涂层，从而使管成为用于流体系统的容器。所述聚合物涂覆的气凝胶可以用于科学或分析仪器中以实现隔热，其也可以具有降低在仪器内的特定位置处维持适当温度所需的功率要求的效果。涂覆的气凝胶材料可以针对低重量和高隔热进行优化。另外，涂覆的气凝胶材料可以具有足够的强度使得所述材料可以用作结构部件。
在一些实施例中，聚合物涂覆的气凝胶可以进一步涂覆有导电涂层、半导电涂层、不导电涂层、或电阻涂层。作为实例，气凝胶部件可以涂覆有导电金属涂层，其将气凝胶的表面转换成金属涂覆的电极。在另一实施例中，用电阻材料涂覆气凝胶形成可以充当加热器的部件。
本文描述了聚合物涂覆的气凝胶。聚合物涂层在所述气凝胶的表面的至少一部分上。在一些情况下，所述聚合物涂层覆盖所述气凝胶的整个表面。
所述气凝胶可以是聚合物气凝胶、二氧化硅气凝胶、陶瓷气凝胶、碳气凝胶、金属氧化物气凝胶、或其任何组合。
所述聚合物涂层可以是氟塑料、热固性缩聚物、热塑性塑料、热塑性聚合物、热塑性缩聚物、热塑性弹性体、或其任何组合。所述聚合物涂层可以是聚酰亚胺或聚四氟乙烯(PTFE)。
所述气凝胶可以进一步包括在所述聚合物涂层的表面的至少一部分上的导电涂层。所述气凝胶可以进一步包括在所述聚合物涂层的表面的至少一部分上的电阻涂层。在一些情况下，所述导电涂层或电阻涂层覆盖所述气凝胶的整个表面。在一些情况下，将所述导电涂层或电阻涂层直接沉积在所述气凝胶上；换言之，所述导电涂层或电阻涂层不在聚合物涂覆的表面上。
本文描述了制造聚合物涂覆的气凝胶的方法。所述方法可以包括将聚合物树脂施用至气凝胶并使所述聚合物树脂聚合。
所述方法可以进一步包括将导电涂层施用在以下的至少一部分上：所述气凝胶的表面或者所述气凝胶上的聚合物涂层的表面。所述方法可以进一步包括将电阻涂层施用在以下的至少一部分上：所述气凝胶的表面或者所述气凝胶上的聚合物涂层的表面。
本文描述了一种离子迁移率谱仪，其包括样品进口或热解吸器、离子化区域、以及漂移管。所述离子迁移率谱仪可以进一步包括气凝胶，所述气凝胶至少部分地、或在一些情况下完全地在所述样品进口或热解吸器与所述离子化区域之间。所述离子迁移率谱仪可以进一步包括气凝胶，所述气凝胶至少部分地、或在一些情况下完全地在所述离子化区域与所述漂移管之间。所述离子迁移率谱仪可以进一步包括气凝胶，所述气凝胶至少部分地、或在一些情况下完全地将所述样品进口或热解吸器、所述离子化区域、以及所述漂移管包围。所述离子迁移率谱仪可以进一步包括化学渗透室，所述化学渗透室可以至少部分地、或在一些情况下完全地被气凝胶包围。所述离子迁移率谱仪可以进一步包括干燥器模块，所述干燥器模块可以至少部分地、或在一些情况下完全地被气凝胶包围。
附图说明
根据示例实施例的以下更具体的说明，上述内容将是明显的，如在这些附图中展示的，其中贯穿这些不同的视图，相同的附图标记是指相同的部分。这些图不一定是按比例绘出，而是着重展示实施例。
图1A和1B是涂覆的气凝胶的示意图。图1A和1B的涂覆的气凝胶可以用作结构部件。气凝胶可以涂覆有导电或电阻材料以使其成为导电元件或半导电元件，例如电极。图1A展示了在固体气凝胶部件的一个表面上的涂层。图1B展示了在固体气凝胶部件的多个表面上的涂层。
图2A-2C是涂覆的中空气凝胶的示意图，其展示了在一个或多个表面上的涂层。涂覆的中空气凝胶可以用作结构部件。气凝胶可以涂覆有导电涂层、半导电涂层、或不导电涂层以使其成为用于容纳气体、流体、或其他材料的容器，例如气流管或材料容器。图2A展示了气凝胶内表面上的涂层。图2B展示了气凝胶外表面上的涂层。图2C展示了气凝胶内表面和外表面上的涂层。
图3A-3B是具有多个涂层的气凝胶结构部件的示意图。各涂层可以部分地或完全地覆盖气凝胶的表面。图3A展示了其中第二涂层覆盖气凝胶的全部或基本上全部的表面的实施例。图3B展示了其中使第二涂层图案化且部分地覆盖气凝胶的表面的实施例。在一些实施例中，图案化的涂层由电阻材料形成，从而形成具有集成加热元件的气凝胶部件。在一些实施例中，图案化的涂层由电阻或导电材料形成。
图4A-4B是作为在相邻环境之间或相邻部件之间的隔热部件的气凝胶材料的示意图。图4A展示了未涂覆的气凝胶。图4B展示了涂覆的气凝胶。
图5A-5B是涂覆的气凝胶的照片。图5A是涂覆的气凝胶表面的顶视图。图5B是涂覆的气凝胶的侧视图(截面)。
图6是未涂覆(左)和涂覆(右)的气凝胶薄圆盘的照片。
图7A-7C是气流管的照片。图7A是流管。图7B是在一个端盖处具有未涂覆的气凝胶圆盘的流管。图7C是在一个端盖处具有聚合物涂覆的气凝胶圆盘的流管。
图8是未涂覆的气凝胶端盖和聚合物涂覆的气凝胶端盖的泵速度对流速的曲线图。
图9是离子迁移率谱仪和支撑子系统的示意图。
具体实施方式
示例实施例的描述如下。
气凝胶
如本文所使用的，“气凝胶”是衍生自凝胶的多孔材料，其中凝胶的液体组分已经被气体替代。典型地，气凝胶是固体并且具有低密度和低热导率。气凝胶典型地具有含有气穴的多孔固体网络。由于气凝胶是多孔的，流体(气体和液体)典型地可以流过所述材料。细微粒物质也可以能够穿过气凝胶。
气凝胶可以由多种多样的材料形成。实例包括聚合物气凝胶、二氧化硅气凝胶、陶瓷气凝胶、碳气凝胶、以及金属氧化物气凝胶。聚合物气凝胶的实例包括聚酰亚胺气凝胶和间苯二酚-甲醛气凝胶。二氧化硅气凝胶可以衍生自硅胶。碳气凝胶典型地由纳米级的颗粒构成。金属氧化物气凝胶的实例是氧化铝气凝胶和氧化铁气凝胶。在一些情况下，可以使用由气凝胶与玻璃纤维组合构成的材料，诸如
Figure BDA0003053599760000041
气凝胶可以以各种形状因子提供。在一些情况下，气凝胶可以是三维材料(例如，至少1cm×1cm×1cm的材料块)。在其他情况下，气凝胶可以是薄膜(例如，至多约5密耳的膜)。在其他情况下，气凝胶可以是浸渍在支撑结构上的粉末。在其他情况下，气凝胶可以是可模制的，因为气凝胶可以通过使用模具形成为优选的结构形状。在一些情况下，气凝胶可以是可加工的(例如，可以将材料去除或切除以形成希望的结构)。
聚合物涂覆的气凝胶
气凝胶材料在结构上是多孔的并且主要含有空气。为了使用气凝胶来限制气体、液体和细固体微粒的流动，气凝胶可以涂覆(或包封)有固体聚合物的薄层。这些聚合物涂覆的气凝胶可以克服与传统气凝胶产品相关的限制。值得注意地，与未涂覆的气凝胶相比，聚合物涂覆的气凝胶基本上禁止流体和细微粒流过气凝胶。同时，聚合物涂覆的气凝胶提供比得上未涂覆的气凝胶的低热导率和结构完整性。
可以将多种多样的聚合物涂覆在气凝胶表面上。气凝胶表面可以涂覆有氟塑料、热固性缩聚物、热塑性塑料、热塑性聚合物、热塑性缩聚物、以及热塑性弹性体。例如，气凝胶可以涂覆有聚四氟乙烯(PTFE)、氟化乙烯丙烯(FEP)、聚氯三氟乙烯(CTFE)、乙烯氯三氟乙烯(ECTFE)、乙烯四氟乙烯(ETFE)、聚酰胺(例如，尼龙、尼龙6、以及尼龙6,6)、热塑性聚氨酯(TPU)、三聚氰胺甲醛、苯酚-甲醛、乙烯乙烯醇(E/VAL)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚缩醛、聚丙烯酸酯、聚丙烯腈(PAN)、聚酰胺-酰亚胺(PAI)、聚芳醚酮(PAEK)、聚丁二烯(PBD)、聚丁烯(PB)、聚碳酸酯(PC)、聚双环戊二烯(PDCPD)、聚酮(PK)、聚酯、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚醚砜(PES)、聚乙烯(PE)、低密度聚乙烯(LDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)、氯化聚乙烯(PEC)、聚酰亚胺(PI)、聚甲基戊烯(PMP)、聚苯醚(PPO)、聚苯硫醚(PPS)、聚邻苯二甲酰胺(PTA)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚砜(PSU)、聚氨酯(PU)、聚氯乙烯(PVC)、聚偏二氯乙烯(PVDC)、硅酮(SI)、以及芳族聚酰胺(芳香族聚酰胺，诸如对芳族聚酰胺和间芳族聚酰胺；芳族聚酰胺通常通过胺基和羧酸卤基团之间的反应制备)。对于一些应用，聚合物涂覆的气凝胶用于隔绝高温环境。因此，优选的聚合物具有足够高的熔点并且在附近环境的高温下是稳定的。优选的聚合物还应该展现出低释气(outgassing)，即使在暴露于高温环境时。优选地，聚合物涂层是柔韧的并且当折曲或弯曲时不会开裂。
气凝胶可以通过多种多样的已知方法涂覆有聚合物。例如，可以将气凝胶通过浸涂、旋涂、喷涂、刷涂、以及气相沉积(例如，化学气相沉积和物理气相沉积)来涂覆。典型地，用于聚合的树脂渗透入气凝胶表面的至少一部分中。
在用可聚合树脂涂覆气凝胶之后，任何溶剂蒸发(干燥)并且使树脂固化(聚合)。在一些情况下，可施用热量以便增加聚合速率并减少用于固化所需的时间量。一旦聚合物已经固化(聚合)，具有聚合物涂层的气凝胶表面则是无孔的。内部保持气凝胶结构。
在一些实施例中，可以将气凝胶表面通过将聚合物膜层压至气凝胶的表面来涂覆。层压需要通过使用粘合剂或热量将膜粘附至气凝胶表面。层压的一个缺点是，膜表面通常不完全包封所有表面和边缘，尤其是当气凝胶具有复杂结构(例如，除平坦表面外的结构)时。
如图中所展示的，聚合物涂覆的气凝胶由具有聚合物涂层120的气凝胶110形成。在一些情况下，可以仅涂覆气凝胶110的单侧。在一些情况下，可以仅涂覆气凝胶110的单侧的一部分。在一些情况下，可以将气凝胶110完全包封在聚合物涂层内。
图1A和1B是涂覆的气凝胶的示例实施例的示意图。图1A的涂覆的气凝胶可以提供对平坦部件的隔热。涂层在气凝胶组件的外侧上，使得其粉尘较少并且含有从气凝胶结构断裂的任何潜在碎片。一个实例是隔热平坦加热器元件，其中未涂覆的表面抵靠加热器放置。图1B的涂覆的气凝胶在所有侧面上涂覆，并且可以用作部件之间的断热层且用于其中应当含有来自气凝胶结构的粉尘的应用中。例如，图1B的涂覆的气凝胶可以用于沿关键路径在两个部件之间隔绝，在所述关键路径中粉尘的产生是特别有害的。
图2A-2C是涂覆的中空气凝胶的示例实施例的示意图。图2A展示了由气凝胶形成的中空管的实施例，其内部上具有聚合物涂层。内部聚合物涂层减少流体流动，从而允许流体主要流过管而不是渗透过气凝胶。图2B展示了由气凝胶形成的中空管的实施例，其外部上具有聚合物涂层。图2A和2B是仅在一个表面上具有涂层的实施例，且其更好地与另一管状结构结合用作插入物，使得未涂覆的表面不暴露且对气凝胶的损坏风险最小化。图2C展示了由气凝胶形成的中空管的实施例，其内部和外部上具有聚合物涂层。图2C的实施例特别适合用作用于流体流动的独立容器。
气凝胶部件的与另一固体表面相邻的表面可以不需要聚合物涂覆。在气凝胶与另一表面相邻时，气凝胶不太可能被损坏，并且因此不需要聚合物涂覆表面。对于与环境相邻的表面，涂覆的表面通常是优选的。
用于气凝胶的导电和电阻涂层
在一些实施例中，已经涂覆有聚合物的气凝胶表面可以进一步涂覆有导电或电阻涂层。可以将导电或电阻涂层通过金属丝网印刷、通过导电或电阻糊剂/油墨印刷、或通过本领域已知的其他技术施用以将其制成电气部件。与多孔表面相比，对于印刷，无孔表面是更希望的，因为导电或电阻油墨可以一致地施用至控制的厚度以提供希望的性能。
图3A和3B是具有多个涂层的气凝胶结构部件的示意图。在图3A中，将第二涂层130a涂覆在聚合物涂层120上并覆盖聚合物涂层120的一个或多个表面的全部或基本上全部，聚合物涂层120进而涂覆气凝胶110。在图3B中，将第二涂层130b涂覆在聚合物涂层120上。将涂层130b图案化并部分地覆盖聚合物涂层120的表面。在一些实施例中，涂层130a和130b由电阻材料形成。施用穿过电阻涂层130b的电流允许部件充当电阻加热元件。在一些实施例中，涂层130a和130b由导电材料形成。
作为另一实例，图2A-2C的聚合物涂覆的气凝胶管结构具有无孔表面(例如，聚合物涂覆的表面)，在所述无孔表面上可以印刷电阻图案以直接在管的壁上制造加热器元件。
在大多数情况下，将导电或电阻涂层施用在聚合物涂层上。然而，在一些情况下，将导电或电阻涂层直接施用至气凝胶上。
聚合物涂覆的气凝胶的用途
涂覆的气凝胶可以具有多种多样的应用，特别是在科学和分析仪器中。例如，聚合物涂覆的气凝胶可以用作断热层(也称为隔热层)，其是具有比大多数材料低的热导率的部件，并且其定位成降低、通常理想地防止一种或多种导热材料之间的热能流动。在断热层是希望的时，两个部件之间的高温度差通常是希望的。聚合物涂覆的气凝胶也可以用作对环境的隔热。通常，聚合物涂覆的气凝胶可以用于在科学和分析仪器内希望的任何位置处提供隔热。
涂覆的气凝胶可以充当绝缘体、支撑结构、电极、电子元件、加热器、冷却器、流管、容器、或其组合中的一种或多种。
离子迁移率谱仪
图9是示出离子迁移率谱仪和支撑子系统的示意图。离子迁移率谱仪200包括样品进口或热解吸器210、离子化区域220、以及漂移管230，所有这些可以至少部分地、或在一些情况下完全地被气凝胶310包围。在一些实施例中，可以将气凝胶320置于样品进口或热解吸器210与离子化区域220之间。通过使样品进口或热解吸器210与离子化区域220之间隔离，气凝胶在具有不同温度的相邻部件之间提供断热层。在一些实施例中，可以将气凝胶320置于离子化区域220与漂移管230之间。通过使离子化区域220与漂移管230之间隔离，气凝胶在具有不同温度的相邻部件之间提供断热层。气凝胶320可以是未涂覆的或聚合物涂覆的。
气凝胶可以至少部分地包围一个或多个支撑子系统201，所述支撑子系统包括包围化学渗透室240的气凝胶240和包围干燥器模块250的气凝胶350。在这些位置处提供气凝胶提供了有效的隔热。
在一些情况下，支撑子系统201可以在离子迁移率谱仪200内部。在这些实施例中，气凝胶可以包围整个离子迁移率谱仪200和支撑子系统201。
范例
实例1：涂覆的聚酰亚胺气凝胶立方体
图5A-5B是示出在1”×1”×1”聚酰亚胺气凝胶立方体的拐角处通过刷涂方法涂覆有聚合物树脂的截面的照片。所述气凝胶立方体来自Blueshift Materials有限公司(斯宾塞(Spencer)，马萨诸塞州(Massachusetts)，美国)。所述聚合物树脂是EPO-TEK353ND(环氧树脂技术有限公司(Epoxy Technology,Inc.)，比勒利卡(Billerica)，马萨诸塞州(Massachusetts)，美国)。图5A是示出涂覆表面的顶视图的照片。图5B是聚合物涂覆的气凝胶的侧视图的照片。如图5B中所示，树脂最低限度地渗透入气凝胶结构的内部(大约0.5mm至1mm)。在图5A和5B两者中，聚合物树脂已经在150℃下固化2小时。
实例2：涂覆的气凝胶圆盘
用聚合物刷涂聚合物气凝胶薄圆盘。所述气凝胶薄圆盘来自BlueshiftMaterials有限公司(斯宾塞，马萨诸塞州，美国)。所述聚合物树脂是EPO-TEK 353ND(环氧树脂技术有限公司，比勒利卡，马萨诸塞州，美国)。图6是示出未涂覆的气凝胶薄圆盘(左)和涂覆的气凝胶薄圆盘(右)的照片。
实例3：具有涂覆的气凝胶圆盘的气流管
使用具有用于流入和流出的两个端盖的铝流管(图7A)来证明使用涂覆的气凝胶降低穿过气凝胶的流体流动的有效性。通过泵将空气流提供入管的一端并流出管的另一端。图7B中所示是在一个端盖处具有未涂覆的气凝胶圆盘的装置，并且图7C中所示是在一个端盖处具有涂覆的气凝胶圆盘的装置。当端盖被未涂覆的圆盘封堵时，空气仍然流过，而当端盖被涂覆的圆盘封堵时，空气流动显著减少。图8是示出穿过图7B(没有涂层)和图7C(具有涂层)的流管的流速的曲线图。如图8中所示，当一个端盖被涂覆的圆盘封堵时，在流管末端处测量的流速低得多。因此，涂覆的气凝胶减少流体流经气凝胶结构。
等同形式；通过援引方式并入
所有专利、公开的申请以及本文引用的参考文献的传授内容都通过援引方式以其全文并入。
虽然已经具体示出和描述了示例实施例，但是本领域技术人员将理解，可在不背离由所附权利要求涵盖的实施例的范围的情况下在其中做出在形式和细节方面的各种改变。

Claims (23)

1.一种气凝胶，其包含在所述气凝胶的表面的至少一部分上的聚合物涂层。
2.如权利要求1所述的气凝胶，其中，所述气凝胶是聚合物气凝胶、二氧化硅气凝胶、陶瓷气凝胶、碳气凝胶、金属氧化物气凝胶、或其任何组合。
3.如权利要求1所述的气凝胶，其中，所述聚合物涂层是氟塑料、热固性缩聚物、热塑性塑料、热塑性聚合物、热塑性缩聚物、热塑性弹性体、或其任何组合。
4.如权利要求1所述的气凝胶，其中，所述聚合物涂层是聚酰亚胺涂层。
5.如权利要求1所述的气凝胶，其中，所述聚合物涂层是聚四氟乙烯(PTFE)。
6.如权利要求1所述的气凝胶，其进一步包含在所述聚合物涂层的表面的至少一部分上的导电涂层。
7.如权利要求1所述的气凝胶，其进一步包含在所述聚合物涂层的表面的至少一部分上的电阻涂层。
8.如权利要求1所述的气凝胶，其中，所述气凝胶具有至少一个超过1cm的维度。
9.一种制造聚合物涂覆的气凝胶的方法，所述方法包括：
a)将聚合物树脂施用至气凝胶；以及
b)使所述聚合物树脂聚合。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述气凝胶是聚合物气凝胶、二氧化硅气凝胶、陶瓷气凝胶、碳气凝胶、金属氧化物气凝胶、或其任何组合。
11.如权利要求9所述的方法，其中，所述聚合物树脂是以下的树脂：氟塑料、热固性缩聚物、热塑性塑料、热塑性聚合物、热塑性缩聚物、热塑性弹性体、或其任何组合。
12.如权利要求9所述的方法，其中，所述聚合物树脂是聚酰亚胺树脂。
13.如权利要求9所述的方法，其中，所述聚合物树脂是聚四氟乙烯(PTFE)树脂。
14.如权利要求9所述的方法，其进一步包括在所述聚合物涂层的表面的至少一部分上施用导电涂层。
15.如权利要求9所述的方法，其进一步包括在所述聚合物涂层的表面的至少一部分上施用电阻涂层。
16.一种离子迁移率谱仪，其包括：
a)样品进口或热解吸器、离子化区域、以及漂移管。
17.如权利要求16所述的离子迁移率谱仪，其进一步包括至少部分地在所述样品进口或热解吸器与所述离子化区域之间的气凝胶。
18.如权利要求16所述的离子迁移率谱仪，其进一步包括至少部分地在所述离子化区域与所述漂移管之间的气凝胶。
19.如权利要求16所述的离子迁移率谱仪，其进一步包括至少部分地将所述样品进口或热解吸器、所述离子化区域、以及所述漂移管包围的气凝胶。
20.如权利要求16所述的离子迁移率谱仪，其进一步包括至少部分地被气凝胶包围的化学渗透室。
21.如权利要求20所述的离子迁移率谱仪，其中，所述化学渗透室至少部分地被气凝胶包围。
22.如权利要求20所述的离子迁移率谱仪，其进一步包括干燥器模块。
23.如权利要求22所述的离子迁移率谱仪，其中，所述干燥器模块至少部分地被气凝胶包围。
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