CN1288396A - 生产气凝胶的方法和实现该方法的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种生产气凝胶的方法和实现该方法的装置。气凝胶通过本身已公知的方法被半连续地生产,因为在凝胶形成之后,液凝胶被传送到一个至少用于两个工艺步骤的可动容器,所述容器包括进口和出口,而且因此,对于这些工艺步骤,容器被移动到用于物质供给和排放原料的适当位置,在这些位置它们被连接到供给和排放装置,因此工艺步骤在该处完成。一种实现该方法的装置包括容器,它具有容器顶部和容器底部,环形密封件和适于放置在该容器中的袋,袋沿开口至少被部分地连接到加厚元件上,容器顶部和底部沿其周边以气密方式连接到一个保持装置的相应部分。容器底部和保持装置的底部,密封件和容器顶部能气密地连接,至少保持装置的一个部分具有开口以接纳袋,保持装置的至少一个部分包括若干独立的突起或一个环形珠圈,因此突起或珠和保持装置的其余部分之间的最小距离比袋加厚元件的厚度大,因此袋边随同加厚元件一起被支撑在突起或珠和密封件之间。

Description

生产气凝胶的方法和实现该方法的装置
本发明涉及一种生产气凝胶的方法和实施该方法的装置。
液凝胶是一种凝胶体，它含有液体，即分散剂。在凝胶液体是水的特殊情况中，它们也被称为水凝胶。在本申请中，液凝胶的概念也包括水凝胶。
广义上的气凝胶，即“用空气作分散剂的凝胶体”，通过干燥适当的凝胶而得到。在这种意义上，术语“气凝胶”包括狭义上的气凝胶，干凝胶和低温凝胶。在这方面，当凝胶中的液体在高于临界温度的温度下和开始高于临界压力的压力被除去时，干燥的凝胶被称为狭义上的一种气凝胶。另一方面，如果液体被亚临界地除去，例如形成一种液-气中间相，那么最终的凝胶通常被称为干凝胶。
除非文中提及一种明确的限定条件，本申请所指是广义上的气凝胶。
作为固态物质，气凝胶有非常低的密度和高的孔隙率。因此，考虑到非常小的孔径，气凝胶，特别是那些孔隙率高于60％、密度低于0.6g/cm3的气凝胶呈现非常低的热传导性，因此被用作隔热材料，例如EP A0171722中所述。但是，由于低的密度，气凝胶也呈现极小的机械稳定性，特别是在抗剪载荷和磨损方面。
作为工业应用，气凝胶主要用作颗粒。为了应用，最重要的是被使用的气凝胶颗粒应该包括适当形状与尺寸分布的微粒，最好是球形。
生产气凝胶的必需工艺是产生适当凝胶和干燥。原则上，必须在超临界和亚临界干燥过程间进行区分，如上所述。通常，在凝胶的实际生产过程之后，干燥之前会进行另外的工艺步骤。
作为工业应用，气凝胶几乎全采用粒化的形式，它更容易制造，另一方面也更容易使用。然后，紧随凝胶的实际生产过程进行关于成块或成堆的凝胶粒化的工艺步骤，典型颗粒的直径为0.1mm～20mm，而且一般易于使气体和液体透过。
在超临界干燥的情况，在WO95/06617中披露了由SiO2水凝胶和通过超临界干燥制造SiO2气凝胶的过程，大多数情况需要至少一种溶剂交换，为的是将原始凝胶流体，例如上述提到的水，换为一种适于超临界干燥的流体，例如甲醇或CO2。考虑到超临界范围的相当大的压力，超临界干燥本身必须在高压容器中进行。
对于气凝胶的亚临界干燥，由于亚临界干燥中出现的表面张力和所涉及的收缩量，不是所有的液凝胶都是适合的。在干燥时，如果液体液面进入凝胶内部，凝胶大幅度收缩，然后从干燥中的某点，或多或少地完全反弹到原始形式。因此，根据内凝胶表面的性质，需要凝胶网的一定的最小稳定性，经常需要修正内凝胶表面，为的是防止收缩状态下在临近孔壁的部分发生反应，及将会产生的凝胶的瓦解。相应的过程，其中SiO2液凝胶的内表面被有机地修正及生成的凝胶被亚临界干燥成气凝胶，例如见US-A-5565142，DE-A-434254B及未公开的德国专利申请19648798。不适于亚临界干燥的气态物在亚临界干燥过程中瓦解，失掉了它们的多孔结构，并且因此不再具有良好的气凝胶特性。因此，伴随着干燥过程，通常至少一个步骤需要化学修正。用于干凝胶的液凝胶在干燥前通常经过修正表面的工艺，这意味着附加的工艺步骤，其中干凝胶用于催化剂领域。
这种方法在工业规模上实施没有问题，考虑了凝胶的低的机械稳定性也没有问题。
原则上，最简单的是分批作业。在这方面，基本上有两种选择：
一方面，对于不同的工艺步骤，凝胶能被传送到不同的各自适合的装置，例如交换装置，反应容器，高压容器等。将凝胶从一个装置输送到另一个装置必须以非常防护的方式进行，因而慢和/或昂贵，否则容易出现所不希望的微粒破碎。而且，从投资角度看受欢迎的大型设备增加了相当长的装载时间，因此在停留时间也有相当大的差别，停留时间对凝胶性能有很大的影响。
另外一种选择是在一个装置中进行所有的反应过程，那么它必定包含相当复杂的管道系统，以使能供给和排放不同的液体和气体。
上述选择的一般缺点在于：考虑成本，应该使用最少的和最大的装置，但鉴于生产数量，许多装置最大尺寸小，这导致非常高的生产成本。另一方面，大尺寸的装置也容易导致错误分配和宽范围的停留时间。对于超临界干燥，除了分批作业过程更难设想任何过程。
在亚临界干燥情况中，确实需要连续工艺，但在大量的腐蚀性化学物质的基本需要之外，会出现相当多的问题。用于表面修正的、例如皮带的许多移动部件的材料和移动皮带的机构必须是抗腐蚀性的材料。它造成的及由通常必需的延长的停留时间而引起的构造和成本问题相当大。
因此，本发明的目的是得到一种生产气凝胶的方法，该方法简单而且成本最低，容许更大量的气凝胶的生产。
本发明的另一个目的是提供一种实现该方法的合适的装置。
通过一种生产气凝胶的方法可以解决上述问题，其特征在于，在凝胶形成之后，液凝胶被传递到一个至少用于两个工艺步骤的可动容器，所述容器包括进口和出口，而且因此，对于这些工艺步骤，容器被移送到用于原料吸入和排放的相应位置，在这些位置它们被连接到供给和排放装置，因此工艺步骤在该处完成。
也可以在一个位置进行若干工艺步骤。
通过采用一个接一个地连接到工作位置的若干容器，当同时使用所有的工作站时，半连续地生产气凝胶是可能的。
根据本发明的方法在分批作业过程上具有下述优点：由于，一方面，凝胶必须低频地在不同的装置之间输送，在工艺过程中凝胶被温和地处理，因此几乎没有任何破碎。另一方面，避免了上述复杂的管道系统。
而且，不同工作站之间的交换非常快，可以使用较小的容器，导致较为靠近的停留时间分布和与溶剂和/或液体反应物的平均分布相关的较少问题。
而且，在一定的范围内，该方法更容易调节，因为只需要改变容器的尺寸。
与进行连续工艺相比，该工艺在皮带的设计和构造方面需要相当高的费用，此处采用的方法具有优点，即凝胶和所有的反应物与可动部件分离，导致相当简化的装置和相当低的投资成本。而且，容器以气密方式密封，因此在具有移动部件和轴瓦的装置中不会出现泄漏废气的问题。
不是工艺过程的所有步骤必须根据本发明的方式进行。但工艺过程的所有步骤最好在凝胶形成之后，而且采用本发明的方法进行。
工作站最好以和工艺步骤相同的顺序一个接一个地设置，因此在工作站间容器只需移动较短的距离。最好是，最后一个工作站直接与第一个工作站并排设置，因此当空时，容器不必移动很远的距离。
原则上，所有生产气凝胶的方法均适合于采用本发明的方式。将这种方法应用于低密度的气凝胶的生产尤其有利，即密度小于0.3g/cm3，因为这些凝胶是机械性敏感的。最好的方法是在这种情况中，即以水玻璃为基础生产SiO2气凝胶，诸如在WO95/06617中对超临界干燥的描述，及US-A-5565142、DE-A-4342548和未公开的德国专利申请19248798中对亚临界干燥的描述。
对于亚临界干燥，本方法具有特殊的优点，因为根据本方法，在那种情况中，需要相当多的工艺步骤。
用于实行根据本发明的方法的容器必须适合于该方法。例如，就其壁面和其进、出口而论，它们必须被设计得能适合增加的机械负载。这对于亚临界干燥的情况尤其适用，其中容器原则上必须被设计为可移动的高压容器。如果需要，容器的内壁及进口和出口的连接件必须经得住腐蚀的影响，它可以用传统的方法实现，例如通过涂以搪瓷或涂覆一层合成塑料。就容器本身材料而言，可以是玻璃、钢或均匀的合成塑料材料。
容器的典型尺寸是在0.2cm3～2cm3之间，但也可以用更大或更小的容器。
最好是，在容器中至少有一个装置容许气体和液体、但不容许凝胶透过，所述装置至少设置在那些位置，在那些位置处，在至少一个工艺过程中，气体或液体从凝胶中透出。所述装置防止该容器产生的凝胶颗粒流入管路而带出容器。该装置可以放置在容器中或者可拆或不可拆地连接到容器上。
这些装置最好是设置在适当位置和采用适当形式的过滤盘。
通过加热器的流动最好是从顶部向下。在这种情况中，堆或块材料最好位于过滤盘上。
在一个特殊的优选实施例中，气体和液体而不是凝胶可透过的装置包括一个充满凝胶的袋。最好是，这个袋位于一个格珊或一个过滤屏上，其中的开口足够小，以防止袋受加大力而通过孔，以及对袋或凝胶的损坏。
那么，一方面，凝胶容易从容器中移出，而另一方面，为了清洁工作或在堵塞的情况下，相当昂贵的容器不需要从工艺过程中取出。替换相对便宜的袋就够了。
这种袋必须包括一种足以抗撕裂的材料，以至于装有凝胶的袋可以被处理而毫无问题，而且它不受所用的溶剂和反应物的影响。
袋的渗透性，至少是那些流体流入或流出的位置，例如在一个顶部开口的袋的情况中，流动从顶部向下到盘上，将显著大于其余的袋。
合适的材料是编织或非编织的具有适当渗透率的合成塑料，例如其可以由聚乙烯，聚丙烯，PTFE或PVDF制造。对于盘，可以采用编织型的金属结构。
袋也可以被用于运输成品凝胶到用户，不需要再替换，因此它能以特殊的保护性的方式被从生产者输送到用户，具有最小的腐蚀。
为了更容易地处理，沿其开口，袋至少被部分地连接到最好是柔性的加厚元件上，即金属网，合成塑料杆或管，它们被缝或焊在上面。
对于加厚元件，最好是沿其开口的整个周边延伸。
如果加厚元件也具有弹性特性则是有益的，因为以这种方式，袋附加地和自动地在开口处保持张开。
那么，这种元件最好是包含在袋顶端形成的一个管中，因为以这种方式，机械应力可以被平均分布，而且可以避免折缝的形成。
这种元件最好通过一个屏蔽的和弹性的金属网构成，它在其端部形成一个圈，例如通过一个推套于其上的管。屏蔽用于抗腐蚀，而且例如可以由PTFE管道系统构成。
提供一种实行该方法的合适装置的问题通过下述一种装置得以解决，该装置包括具有顶部和底部的容器，适于放置在该容器中的环形密封件，袋，它沿其开口至少被部分地连接到加厚元件上，还包括袋的保持装置。容器顶部和底部沿其周边以气密方式连接到保持装置的相应部分，因此容器底部可以被连接到保持装置的底部，密封件和容器顶部能以气密方式被连接到保持装置的顶部。至少保持装置的一个部分具有狭缝以接纳袋，而且保持装置的至少一个部分包括若干独立的突起或环形珠圈，因此突起或珠和保持装置的其余部分之间的最小距离比袋的壁厚大，袋边缘和加厚元件一起被固定在突起或珠和密封件之间。
该装置与简单装置相比的优点在于：当容器使用时突起和密封件之间的加强得以保持，因此袋不能滑入容器的内部，例如通过强烈的流动或类似条件，其中在简单装置中袋被放置在容器中，而没有保持装置。为了保证装置的可靠密封，当处于压缩状态时，密封件必须比加强件的厚度大。因此，突起和保持装置的其余部件间的最小间隙应该比加强件的厚度小。故袋不能被突起快速地夹住，它可能导致punctiform的机械负载，因此密封件也可以被牢牢压住，所述距离应该比袋壁的厚度大。
所用密封件为通用的密封件或适于处理条件的密封垫。
保持装置的底部最好是一个中间环，而且保持装置的顶部最好是一个沿其内开口具有许多突起或一个珠的中间环。如果容器中的开口不是圆形的，那么此处和此后术语“中间环”必须被认为意味着适合于容器开口形状的明显的类似物。这种布置的结果是，袋能容易地放入容器的底部。
如果还打算在袋上安装一个屏或栅，那么对于保持装置的底部，生产保持装置的最简单的方法是一个中间环，而保持装置的顶部是一个具有一个安装其上的屏的中间环，突起设置在屏上。
通过例子，此后将参照附图对根据本发明的方法的一个优选实施例进行描述，该方法用于通过亚临界干燥从水玻璃中生产SiO2气凝胶。
附图表示根据本发明的保持装置的一个优选实施例，保持装置用于一个带有加厚元件的袋。
大量的气凝胶是根据未预公开的德国专利申请19648798的实施例7的方法制造的。建立三个工作站。第一个工作站包括一个喷洒塔，其中水玻璃随同特定量的盐酸被喷出。根据混合喷嘴的设计，因此这导致近似1mm直径的微粒，微粒形状为球形，而且在蒸汽环境下沉淀。这些微粒作为一种液状的悬浮物从喷洒塔的低部抽出，并被输送到一个过滤带，在该带上它们通过浸在电解水中而得以清洗，以除去盐。带将气凝胶颗粒直接扔到本发明的反应容器中，容器设置在带的下面，所述容器一旦充满，就被一个能设在其上的盖密闭。一个柔性带将提前设置在容器中，而且气凝胶留在这里。
袋在顶部包括ECTFE纤维，在壁部包括一个几乎不透气的PTFE针毡圈，而且其在开口部形成一个管，其中有一个有弹簧网心的PTFE管，在其端部用一个小的钽管密闭进入一个垫圈。
被放入一个具有一个排放接头的传统搪瓷钢容器底部(1)的是一个玻璃纤维加强的PTFE屏或格栅，其是导电的，以避免爆炸的危险，而且支撑在四个一体的平行肋板上。具有一个搅拌器接头的一个搪瓷钢盖(2)作为容器的顶部。
具有一个PTFE涂层的一个底部和顶部中间环(3，4)通过蘑菇形头部或普通的螺钉被气密地连接到容器底部(1)或容器顶部(2)。上面的中间环(4)也带有一个上支撑格栅(5)。包括PTFE条的支撑格栅通过刚性环(6)夹紧在中间环之下。在刚性环(6)和支撑格栅(5)之间另外放置高透过率(每筛号150μm)的ECTFE纤维织物(7)，它通过PTFE螺钉和洗涤器固定。在上、下中间环之间是密封件(8)。上支撑格栅的条具有一个突出到密封间隙中的突起(9)，因此袋PTFE壁(10)和袋被一个管支撑在密封件(8)和突起(9)之间，管由袋壁和PTFE屏蔽弹性网的壳体形成，因此可防止袋的坍塌。袋是如此修边的，使它们提供由于热膨胀的长度上变化的足够间隙。
然后，反应容器被移动到第二个工作站，其中它被连接到适当的管上。起初，在这个工作站中，凝胶被酸化，因为盐酸通过它。因此，六甲基二硅氧烷和三甲基氯硅烷通过气凝胶泵送，从而一方面，气凝胶表面是憎水的，另一方面三甲基氯硅烷和水反应以产生六甲基二硅氧烷(HMDSO)和水。反应在强制循环下发生，盐酸连续地被析出。
在容器移动到的第三和最后一个工作站时，水和仍非常酸的HMDSO湿凝胶被亚临界干燥。对于此，180℃左右的氮气从顶部向下通过块状材料。氮气在一个循环中被推进，混有凝结的湿气。
之后，容器被打开，作为一个单元的袋通过缝上的把手或管件被举起。然后，这种混合结构被分别储藏或运输到用户以进一步处理。
抗腐蚀的搪瓷内壁的可移动容器不需要清洁，因为袋设置在其中，因此下一批中还能再用。

Claims (14)

1．一种生产气凝胶的方法，其特征在于：在凝胶形成之后，液凝胶被传送到一个至少用于两个工艺步骤的可动容器，所述容器包括进口和出口，而且因此，对于这些工艺步骤，容器被移动到用于物质供给和排放的适当位置，在这些位置它们被连接到供给和排放装置，因此工艺步骤在该处被完成。
2．根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在至少一个工艺过程中，至少在那些气体或液体从凝胶透出的位置，有可容许气体或液体透过而不容许凝胶透过的装置。
3．根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：气体或液体而不是凝胶可透过的装置是一个过滤盘。
4．根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：气体或液体而不是凝胶可透过的装置是一个袋。
5．根据权利要求1至4中之一所述的方法，其特征在于：通过容器中凝胶的流动是从顶部向下。
6．一种实现前述任一权利要求所述方法的装置，包括容器，它具有容器顶部(2)和容器底部(1)，环形密封件(8)和袋(10，11)，它可放置在该容器中，其特征在于：袋(10)沿狭缝至少被部分地连接到加厚元件(11)上，容器顶部和底部(2，1)沿其周边以气密方式连接到保持装置(3，4，5，6，7，9)的相应部分，容器底部(1)以气密方式连接到保持装置(3)的底部，密封件(8)和容器顶部(2)能气密地连接到保持装置(4，6，6，7)的顶部，至少保持装置(3，4，5，6，7)的一个部分具有一个狭缝以接纳袋(10)，保持装置(3，4，5，6，7)的至少一个部分包括若干独立的突起(9)或环形珠圈，因此突起(9)或珠和保持装置的其余部分之间的最小距离比袋(10，11)的加厚元件(11)的厚度大，袋边和加厚元件(11)一起被支撑在突起(9)或珠和密封件之间。
7．根据权利要求6所述的装置，其特征在于：保持装置的底部是一个中间环(3)，保持装置的顶部是一个中间环(4)，沿其内狭缝有许多突起(9)或珠。
8．根据权利要求6所述的装置，其特征在于：保持装置的底部是一个中间环(3)，保持装置的顶部是一个中间环(4)，屏(5，6)被设置在该中间环上，而且突起(9)或被设置在该屏上。
9．根据权利要求6至8中之一所述的装置，其特征在于：加厚元件(11)是柔性的。
10．根据权利要求6至9中之一所述的装置，其特征在于：加厚元件(11)沿开口的整个周边延伸。
11．根据权利要求6至10中之一所述的装置，其特征在于：加厚元件(11)具有弹性特性。
12．根据权利要求6至11中之一所述的装置，其特征在于：加厚元件(11)设置在形成在袋顶端的一个管件中。
13．根据权利要求6至12中之一所述的装置，其特征在于：加厚元件(11)包括连接到一个环上的弹性金属网。
14．根据权利要求13所述的装置，其特征在于：金属网被包含在一种材料中，该材料在化学应用方面是惰性的。
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