CN1204746A - 气凝胶作为填充材料的应用 - Google Patents

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Inventor
E·莫林斯格劳
A·莱格萨拉
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Carburos Metalicos SA
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Sociedad Espanola de Carburos Metalicas SA
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本发明涉及具有无定形结构,密度0.6g/cm3至0.003g/cm3的硅气凝胶在流体运输和/或贮存中作为填充材料的应用。

Description

气凝胶作为填充材料的应用
本发明涉及气凝胶作为填充材料的应用。
本发明涉及气凝胶在运输和／或存贮流体，特别是运输乙炔时，作为填充材料的应用。
气凝胶是迄今所知的最轻的固体物质。它的表面很大一部分都是呈开孔的泡沫，这种多孔性使它很轻。虽然气凝胶孔的直径通常只有15～20nm，但这些孔却广布于很大的空间，可占到总体积的95％左右。气凝胶的密度从0．6g／cm3到0．003g／cm3(仅为空气密度的三倍)。它的结构取决于形成它的凝胶的结构，因此，气凝胶是无定形的。
为获取二氧化硅气凝胶而采取的最常用的方法包括合成硅胶和其后的超临界干燥。
下面的方程式表示的是制取硅气凝胶的典型反应，该反应以四甲氧基硅(TMOS)为原料： (水解) (缩聚)------------------------------------------------------- (总反应)
根据所要制取的气凝胶的不同性质，反应过程中起始的烷氧基硅，溶剂(甲醇或丙酮)以及催化剂(氢氧化钾或醋酸铵)都可以适当地变化。为了制取气凝胶，还必须接着在超临界条件下提取充满凝胶孔的溶剂。
然而，目前气凝胶主要还是被用作热绝缘体，例如，作为一种胶体硅的二氧化硅气凝胶就被作为低温绝缘体来加以应用。
气凝胶还有一些其它的用途，例如，可装备在易受流量撞击的卫星上，可作为高质量气体的过滤材料或用于自动调焦的电视摄影机。
本发明涉及气凝胶在流体运输和／或存贮中作为填充材料的应用。
更具体而言，本发明涉及硅气凝胶在流体运输和／或存贮，尤其是在乙炔运输和／或存贮中作为填充材料的应用。
一些流体由于易燃或有毒而非常危险，因此，在运输或存贮这些流体时，就需要非常特别的条件，而强调这些流体的运输中所存在的问题也就显得非常重要。
本发明即涉及气凝胶在这些流体，尤其是乙炔，的运输或贮存中的应用。
乙炔是一种在空气中或在高温下易燃的气体，它在工业中的应用范围很广，可用于化学产品的合成，气焊，金属切割，材料热处理，甚至可用于浮标的照明。
乙炔是一种易燃气体，所以它应被置于非常密闭的钢瓶中来运输。对灌装乙炔的钢瓶有许多严格的规定：如，瓶体所用的钢应符合一定的化学物理要求，瓶体中的填充物在充装了一定量的溶剂时，其孔率最高应达92％，此外，钢瓶还应带有适当的安全排泄装置。
钢瓶的填充材料应该有许多孔，这样，可以避免气体的分解，并减少气态乙炔微小气囊形成的可能性。正常情况下，乙炔钢瓶的多孔填充物中充满了溶有乙炔的丙酮或其它溶剂。
尽管溶解在丙酮当中，乙炔仍可发生化学反应产生聚合物。这个反应过程虽然很慢，但是可以放热。为了防止这种聚合，钢瓶中应填充可占据整个内部空间的多孔材料，这种材料中浸透了某种溶剂，通常是丙酮，乙炔在压力下可溶解于其中。为了防止气体的放热聚合，以及由这种聚合引起的爆炸，钢瓶中的填充物应该是带有非常微小的细胞状空间的多孔物质，来避免气囊的形成。因为如果出现气囊，乙炔便可聚集其中，开始聚合反应，并使气囊周围的温度升高，使反应速度加快，并使聚合反应的现象扩展到钢瓶中的其它地方，钢瓶会因此不断升温，造成危险。在这种时候，人们通常将钢瓶浸入水中，或将其运至爆炸时不会引起危险的场所。这个反应一旦开始，将持续24小时，负责运输乙炔的人员总要定期触摸钢瓶，来观察瓶体是否变热，原因即在于此。
过去，钢瓶中的填充物是硅酸钙的细小颗粒，并用石棉纤维固定颗粒，以防止其板结，否则，硅酸钙盐板结后会使钢瓶上部形成一个大气囊，从而导致上面提到过的危险。但石棉纤维的应用无法解决气囊的问题，此外，石棉致癌的缺陷也大大限制了它的应用，所以钢瓶填充材料在最近几年逐步发展更新。
但是由于乙炔钢瓶填充材料需要具备许多条件，如，多孔性，空隙少，填充物外壁与钢瓶内壁之间只有很少或根本不留空间，适当的耐力和稳定性，此外，填充材料制成过程和安全要求中的诸多须考虑的方面都导致寻找新型填充材料的努力一直没有取得人们所期待的成果。
例如，使用玻璃纤维作填充物会产生裂缝，随着时间推移，填充物会发生轻微的收缩。
另一方面，以棉质纤维为基础的填充材料会产生越来越长的缝隙，而聚酯纤维和人造纤维在制成过程中发生沉淀，会破坏其填入钢瓶后的稳定性。
使用某些补充成分有可能会降低填充材料的耐力和多孔性，并且对乙炔的释放产生不利影响。
填充材料按要求所应具备的特征可以归结为以下几点：-高度多孔；-出色的机械耐力；-不会因时间的推移退化或老化；-可占据钢瓶内部的整个空间，不留空隙。
考虑到这些，就可以发现，到目前为止，在乙炔或其它类似气体的运输中所使用的填充物都有着显而易见的局限性。
因此，目前显然仍需要寻找新型填充材料来满足各种所需条件，不带石棉纤维，有很高的多孔性，同时呈惰性，很稳定，而且非常轻。
本发明建议使用二氧化硅气凝胶作为流体，特别是乙炔的运输和／或存贮中的填充物，可以克服先有技术的上述不足。
气凝胶可以将流体转化成包含着流体并将流体分隔成细小单位的固体。在运输有高度危险性的流体时，填充物的这种特性就显得异常重要。如果用二氧化硅气凝胶作填充物来运输或存贮上面提到的危险的流体，运输或存贮的所要求的严格条件就可适当放宽。
另一方面，还应该考虑到运用一般的填充材料运输上述流体时所必需的安全条件，因为此类运输中所发生的事故，会使几乎全部的流体流失。
运用二氧化硅气凝胶作为填充材料的好处就在于如果发生了事故，流体的流失将降到最低程度，因为此种流体已分散于气凝胶中，呈固态。
二氧化硅气凝胶具备我们前面提到的填充材料所应具备的各种特点。
下文将叙述本发明中用作填充材料的各种凝胶和二氧化硅气凝胶的物理特点。图1是在空气中干燥的凝胶的衍射图；图2，3和4是不同气凝胶的衍射图；图5，6，7和8是不同气凝胶的孔体积分布图。
气凝胶的表征
●目测
气凝胶呈整体状态和具有少量缝隙或缺陷的非整体状态。
●结构表征：X射线衍射
X射线衍射的结果表明，气凝胶的结构完全不定形，只有一个约为2θ=23°的较宽的角(见图1-4)。在空气中干燥的凝胶(图1)和在超临界状态下干燥的整体气凝胶(图2、3)的X射线衍射结果没有什么差别，整体气凝胶与粉末状凝胶(图4)的X射线衍射结果也无不同。
●多孔结构的表征
根据IUPAC命名法，微孔的直径(D=孔的直径)小于2nm(D&#602nm)，中孔的孔径在2nm与50nm之间(2nm&#60D&#6050nm)，大孔孔径大于50nm(D&#6250nm)，二氧化硅气凝胶中包括这三种类型的孔，其中，大部分属于中孔，一小部分属于小孔。
●密度
气凝胶的密度是在用精密的天平称出不同气凝胶块的重量，并测出其体积后计算出来的。
在下表中，汇总了所有得出的数据。“密度”和“孔率”(P=(1-ρ气凝胶／ρsio2)即按重量计的孔率，二氧化硅的密度为2．19g／cm3)是指合成的气凝胶的密度和孔率。在丙酮凝胶中，“V”指TMOS的体积与(TMOS和丙酮溶剂的体积)之比。
表1
制取气凝胶的反应物     密度(g/cm3)     孔率(重量)
甲醇和NH4OH     0.106     92.2％
甲醇和NH4OH     0.137     93.7％
甲醇和NH4OH     0.143     93.5％
甲醇和NH4OH     0.148     93.3％
甲醇和NH4OH     0.178     92.0％
甲醇和NH4OH     0.253     88.4％
甲醇NH4OH和CH3COOH     0.105     95.2％
丙酮(V=0.2)     0.167     92.3％
丙酮(V=0.2)     0.151     93.1％
丙酮(V=0.2)     0.151     93.1％
丙酮(V=0.2)     0.137     93.7％
丙酮(V=0.2)     0.283     87.1％
丙酮(V=0.3)     0.245     88.9％
丙酮(V=0.3)     0.247     88.8％
丙酮(V=0.3)     0.435     80.2％
丙酮(V=0.4)     0.321     73.7％
●气体吸附值(BET)
气体吸附值(BET)方法可以用来测量材料的表面积，孔所占的总体积及体积分布。表2中是一些气凝胶的BET结果(见图5、6、7、8)。表2一些气凝胶的孔结构特征
密度(g／cm3) 孔率(重量％) 表面积 孔总体积(cm3／g) 孔直径(埃)
甲醇 0.14 94 470 5.72 486
丙酮(20％) 0.28 87 630 2.64 356
丙酮(30％) 0.43 80 414 2.13 205
对从这些测量中得出的结果加以分析，可以发现，所有气凝胶的表面积都非常相似，都在大约400m2／g到600m2／g之间。用甲醇制取的凝胶孔的体积是用丙酮制取的凝胶孔体积的2倍，用丙酮制取的气凝胶的孔直径小于用甲醇制取的气凝胶孔的直径。

Claims (6)

  1. 权利要求书
    1．具有无定形结构，密度0．6g／cm3至0．003g／cm3的硅气凝胶在流体运输和／或贮存中作为填充材料的应用。
  2. 2．权利要求1的应用，其特征在于所述流体是乙炔。
  3. 3．权利要求1的应用，其特征在于气凝胶中的微孔直径小于约2nm。
  4. 4．权利要求1的应用，其特征在于气凝胶中的中孔直径为约2nm至约50nm。
  5. 5．权利要求1的应用，其特征在于气凝胶中的大孔直径大于约50nm。
  6. 6．权利要求1的应用，其特征在于气凝胶表面积大于约400m2／g。
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