DE102008027418A1

DE102008027418A1 - Verfahren zur Herstellung eines kohlenstoffhaltigen porösen Erzeugnisses sowie derartiges Erzeugnis

Info

Publication number: DE102008027418A1
Application number: DE102008027418A
Authority: DE
Inventors: Gudrun Dr. Reichenauer; Sebastian Weis; Frank Hemberger; Hans-Peter Dr. Ebert
Original assignee: Bayerisches Zentrum fuer Angewandte Energieforschung eV; ZAE Bayern Bayerisches Zentrum fuer Angewandte Energieforschung eV
Current assignee: Bayerisches Zentrum fuer Angewandte Energieforschung eV; ZAE Bayern Bayerisches Zentrum fuer Angewandte Energieforschung eV
Priority date: 2008-06-26
Filing date: 2008-06-26
Publication date: 2009-12-31

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines kohlenstoffhaltigen porösen Erzeugnisses, das zumindest in einer Raumrichtung einen Morphologiegradienten aufweist; der Gradient bezieht sich auf die Eigenschaften chemische Zusammensetzung, Dichte und Struktur. Bei der Herstellung ist zumindest ein Teilschritt ein Sol-Gel-Prozess; die Gradienteneigenschaften werden durch die Synthesebedingungen in diesem Schritt eingestellt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines kohlenstoffhaltigen porösen Erzeugnisses, ein solches Erzeugnis sowie dessen Verwendung.
Beispiele für poröse Erzeugnisse sind Aerogele. Der Begriff „Aerogel” steht für einen, nach dem Sol-Gel-Syntheseverfahren abgeleiteten, porösen Formkörper. Ein Aerogel weist in vereinfachter Sicht ein dreidimensionales Netzwerk aus miteinander verschmolzenen, kugelartigen Partikeln auf. Die Herstellung erfolgt über einen Sol-Gel-Prozess. Aerogele zeichnen sich im Allgemeinen durch eine, über die Prozessparameter einstellbare Morphologie, d. h. über einen weiten Bereich voneinander unabhängig einstellbare Porengrößen und Dichten und insbesondere durch einstellbare niedrige Dichten und Wärmeleitfähigkeiten aus. Soweit nicht explizit bezeichnet, sind mit Porengrößen diejenigen von Meso- und Makroporen gemeint, also Poren größer als 2 nm.
Der Begriff „kohlenstoffhaltig” bezeichnet Materialien, die das Element Kohlenstoff enthalten, also Materialien, bei denen das Element Kohlenstoff molekular neben anderen Elementen auftritt, wie in organischen Materialien oder Karbiden, amorphen oder grafitischen Kohlenstoffen und Hybridmaterialien, die neben den kohlenstoffhaltigen auch kohlenstofffreie Phasen enthalten.
Bei der Herstellung von Kohlenstoffaerogelen wird bekanntermaßen zunächst eine organische Aerogelvorstufe synthetisiert. Diese kann dann über eine Karbonisierung (Pyrolyse) in ein kohlenstoffhaltiges Aerogel überführt werden. Die ersten organischen Aerogele wurden auf der Basis der Ausgangsstoffe Resorcin (im Folgenden abgekürzt mit „R”) und Formaldehyd (im Folgenden abgekürzt mit „F”) in einem Sol-Gel-Prozess hergestellt. Alternativ ist die Synthese über eine Reihe anderer, insbesondere ähnlicher, Stoffe möglich, z. B. kann Resorcin in bestimmten Fällen durch das preisgünstigere Phenol oder Cresol ersetzt werden. Allgemein können prinzipiell alle Edukte für duroplastische Harzsysteme zur Synthese eines porösen organischen Formkörpers eingesetzt werden; insbesondere werden Kombinationen aus Polyhydroxybenzolen und Aldehyden als Reaktanden verwendet.
Beispielsweise reagieren Resorcin und Formaldehyd in wässriger Lösung zu einem Monomermolekül (Hydroxymethylresorcin). Zugegebene Säuren oder Basen dienen hierbei als Katalysator. Die entstehenden RF-Monomere können nun unter Abspaltung von H₂O zu Dimeren und weiter zu dreidimensionalen Polymerstrukturen kondensieren. Diese Makromoleküle bilden feste, in der Flüssigkeit dispergierte, sogenannte Sol-Partikel. Im Laufe der Zeit verwachsen diese Sol-Partikel clusterartig miteinander, bis die gesamte Lösung zu einem (Nass-)Gel erstarrt ist.
Es ist weiterhin bekannt, zur Überführung des Gels in ein Aerogel die Porenflüssigkeit aus dem Gel zu entfernen. Dies kann grundsätzlich dadurch geschehen, dass man die Flüssigkeit einfach aus dem Gel abdampfen lässt. Allerdings bilden sich dabei an der Phasengrenze zwischen Porenflüssigkeit und darüberliegender Gasphase starke Zugkräfte aufgrund der Oberflächenspannung der Flüssigkeitsmenisken in den Gelporen aus und belasten das Festkörpergerüst mechanisch. Je nach Gelmorphologie und Stärke dieser Kräfte kann es zu starkem Schrumpfen, zu Rissen oder zum Auseinanderbrechen des Aerogels kommen. Aerogele mit geringen Dichten – und daher geringer mechanischer Stabilität – und gleichzeitig kleinen Porendurchmessern sind besonders gefährdet, denn die geringere Stabilität ihres Festkörpergerüsts steht größeren Kapillarkräften gegenüber. Einer Veränderung oder Zerstörung des Gelgerüsts beim Trocknen kann durch eine sog. überkritische Trocknung in einem Autoklaven begegnet werden. Dabei wird z. B. zunächst die Porenflüssigkeit durch eine Flüssigkeit mit hoher Löslichkeit für die Porenflüssigkeit und CO₂ (wie z. B. Aceton) ausgetauscht: anschließend wird diese Flüssigkeit unter Druck gegen flüssiges CO₂ ausgetauscht und die Trocknung im überkritischen Temperatur- und Druckbereich durchgeführt. Im diesem Zustand sind flüssige und gasförmige Phase nicht mehr unterscheidbar und vereinigen sich zu einer überkritischen Phase. Da somit auch keine Phasengrenzen mehr existieren, verschwinden die Oberflächenspannungen. Das Gelgerüst bleibt somit unbeschädigt.
Eine weitere Möglichkeit zum Entfernen der Porenflüssigkeit besteht in der sog. Gefriertrocknung.
Die einfache Trocknung der organischen Nassgele an Luft, ohne Verwendung von überkritischen Fluiden, aber unter Erhalt der Porosität, ist seit 1995 bekannt. Nach der Trocknung stellt man eine, von Dichte, Porengröße, Porenfluid und Trocknungsverfahren abhängige, irreversible Schrumpfung des Aerogels fest. Diese beeinflusst – neben z. B. dem Massenverhältnis (s. weiter unten) – entsprechend dessen Dichte bzw. die Porosität.
Bekanntermaßen können organische Aerogele durch Pyrolyse in Kohlenstoffaerogele umgewandelt werden. Die organischen Verbindungen im Aerogel werden dabei unter Sauerstoffausschluss durch thermische Einwirkung gespalten. Es verbleibt ein Aerogelgerüst aus Kohlenstoff. Die restlichen Bestandteile entweichen als Pyrolysegas aus dem Aerogel. Während der Pyrolyse, die in einem Hochtemperaturofen bei Temperaturen oberhalb von 700°C (typisch 800°C bis 1050°C) durchgeführt wird, schrumpfen RF-Aerogele linear auf etwa 80% der ursprünglichen Abmessungen. Entsprechend nimmt das Volumen um die Hälfte (0,80³ = 0,51) ab. Da der Masseverlust aber ebenfalls bei Werten um 50% liegt, unterscheiden sich die Dichtewerte eines Kohlenstoffaerogels kaum von denen eines RF-Aerogels. Bei der Pyrolyse wird das organische Aerogel in einem mit Schutzgas (z. B. Ar oder N₂) gespülten Ofen auf die Pyrolysetemperatur (z. B. 800°C) erhitzt. Die Endtemperatur wird vor dem Abkühlen ca. 30 min gehalten; die Dauer hängt u. a. auch von der Probengröße ab.
Bekannt sind des Weiteren in Sandwichbauweise hergestellte Aerogele, wobei aufeinander folgende Schichten jeweils eine sukzessiv ab- oder zunehmende Massendichte aufweisen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren anzugeben bzw. ein kohlenstoffhaltiges poröses Erzeugnis, insbesondere ein organisches oder organisch/anorganisches Hybrid-Aerogel und/oder ein aus diesen abgeleitetes Aerogel, vorzuschlagen, das den Anwendungsbereich von derartigen Erzeugnissen erweitert und für den Einsatz in industriellen Anwendungen besser geeignet ist als bekannte Erzeugnisse, insbesondere bekannte Aerogelsysteme.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Gemäß der Erfindung wird erstmals ein Verfahren zur Herstellung eines kohlenstoffhaltigen porösen Gradientenmaterials im Sinne einer gezielten Variation von Materialparametern als Funktion des Ortes vorgeschlagen. Hierbei können gemäß einer Variante die Ausgangssubstanzen für mindestens einen Eduktansatz, beispielsweise Resorcin und Formaldehyd für die Herstellung eines organischen Aerogels, gemischt werden, um anschließend die Mischung vor oder während der Sol-/Gelbildung in mindestens einer Raumrichtung unterschiedlichen Bedingungen als Funktion des Ortes zu unterwerfen.
Ein besonderer Vorzug des erfindungsgemäßen Erzeugnisses ist die Möglichkeit, durch die Wahl der Synthesebedingungen (einschließlich der bei der Synthese beteiligten Stoffe) die Morphologie und damit auch die Eigenschaften des Gradientenerzeugnisses, insbesondere eines Gradientenaerogels, gezielt einzustellen. In diesem Sinne können die Materialparameter Dichte, Partikel- bzw. Porengröße und/oder die chemische Zusammensetzung des Aerogelskeletts über große Bereiche als kontinuierliche Gradienten eingestellt werden. Diese Tatsache erlaubt es insbesondere, speziell angepasste Aerogele für spezifische Anwendungen herzustellen.
Eine besonders bevorzugte Verwendung der neuartigen Gradientenerzeugnisse ist deren Verwendung zu thermischen Isolationszwecken, insbesondere dann, wenn sie bei hohen Temperaturdifferenzen zum Einsatz kommen. Deshalb sind insbesondere kohlenstoffhaltige Gradientenaerogele, die in oxidationsarmer Atmosphäre temperaturstabil sind, gerade für technische Isolationsmaterialien im Hochtemperaturbereich – beispielsweise als Wandauskleidung für Hochtemperaturöfen – interessant, da hier naturgemäß hohe Temperaturunterschiede überbrückt werden müssen und die optimale Struktur des Dämmmaterials temperaturabhängig und somit von der Position in der Dämmschicht entlang des Gradienten abhängig ist. Ein kontinuierlicher Gradient reduziert dabei auch thermische Spannungen. Generell sind Aerogele aufgrund ihrer Morphologie und Porosität prädestiniert für den Einsatz in der thermischen Isolation. Gebräuchliche Materialien z. B. aus Silica oder Steinwolle weisen eine Temperaturobergrenze unterhalb von 1000°C auf. Für höhere Temperaturen werden z. B. poröse Keramiken verwendet. Deren Wärmeleitfähigkeiten sind jedoch vergleichsweise hoch und die Porosität wird schon ab Temperaturen um 1500°C durch Sintervorgänge zerstört. Eine Alternative ist die Verwendung von Kohlenstoff-Isolationsmaterialien. Mit einem extrem hohen Schmelzpunkt von etwa 3500°C ist Kohlenstoff ein Material mit exzellenter Temperaturstabilität. Diese ist allerdings nur dann gewährleistet, wenn die Isolation mit inerten Gasen wie Argon vor Oxidation geschützt wird. Kommerziell wird Kohlenstoff beispielsweise zur thermischen Isolation in Hochtemperaturöfen in Form von Graphitfilzen eingesetzt.
Erfindungsgemäß werden Gradientenerzeugnisse und insbesondere Gradientenaerogele auf Kohlenstoffbasis als technische Isolationswerkstoffe für den Hochtemperaturbereich vorgeschlagen. Besonders die mikroskopische Struktur des Kohlenstoffaerogels, die auf alle drei Anteile der Wärmeleitfähigkeit – Festkörper-, Strahlungs- und Gasanteil – einen günstigen (also reduzierenden) Einfluss hat, begründet dessen großes Potenzial. Hierbei sind die drei Anteile wie folgt klassierbar:

• Festkörperanteil: Wird reduziert durch die unvollständige und ungeordnete Verknüpfung des Aerogelnetzwerks und durch die hohe Gesamtporosität (typisch: 80 bis 95%);
• Strahlungsanteil: Wird durch hohe Extinktionswerte stark unterdrückt;
• Gasanteil: Bei Aerogelen mit entsprechend kleinen Poren (Porendurchmesser kleiner als 1 μm, abhängig von der Temperatur, insbesondere kleiner als 100 nm für den Einsatz bei Raumtemperatur) werden die Moleküle des Porengases nicht mehr untereinander, sondern lediglich mit den Festkörperoberflächen Energie austauschen. Dies reduziert die Wärmeleitung über das Gas dramatisch.

Eine weitere bevorzugte Anwendung von erfindungsgemäßen kohlenstoffhaltigen Gradientenerzeugnissen und hierbei insbesondere von Kohlenstoffaerogelen mit Morpohologiegradienten, insbesondere Porendurchmessergradienten, ist ihr Einsatz in Filtern, insbesondere Nanofiltern. Hierbei sind dünne Filterschichten bevorzugt, um einen möglichst geringen Druckabfall über den Filter zu haben. Die Dicke der eigentlichen Filterschicht beträgt meist nur ein 5 bis 20-faches des für die Filtration wirksamen Porendurchmessers, beispielsweise 20 nm. Die Poren zur Nanofiltration haben – je nach Filteraufgabe – einen Durchmesser von ca. 0,5 bis zu einigen Nanometern. Die Filterschicht ist auf einem Trägermaterial aufgebracht, wobei im Kontaktbereich Filter/Träger die Materialstrukturen zur besseren Ankopplung ähnlich sein sollten. In größerer Entfernung zur eigentlichen Filterschicht ist neben der mechanischen Trägerfunktion auch eine hohe Gasdurchlässigkeit des Materials wichtig. Hier sind die Porendurchmesser daher wesentlich größer als im filternden Bereich.
Durch Wahl der Randbedingungen im Sol-Gel-Prozess kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass sich der Morphologiegradient kontinuierlich zumindest über einen Abschnitt entlang des Aerogels ändert. Hierdurch lassen sich Aerogele mit bestimmten thermischen, absorbierenden oder anderen Eigenschaften herstellen, die eine graduelle kontinuierliche Morphologie- und/oder Dichtevariation in der besagten Raumrichtung aufweisen. Somit ist – ohne Unterbrechungen, Stoßkanten, dazwischen befindlichen Anlageflächen usw. – eine Anpassung des Aerogels an unterschiedliche Anwendungsbedingungen an zumindest zwei Seiten des Aerogels möglich.
Es hat sich herausgestellt, dass verschiedene Möglichkeiten in Frage kommen, den besagten Morphologiegradienten zu erhalten. Gemäß einem bevorzugten Herstellungsverfahren wird ein Temperaturgradient entlang der mindestens einen Raumrichtung eingestellt. Ein solcher Temperaturgradient beeinflusst die Reaktionsgeschwindigkeit der Reaktanden. Bei niedrigeren Temperaturen ist die Gelierung unterdrückt, während höhere Temperaturen die Gelierung fördern. Zur Einstellung eines Temperaturgradienten entlang der Probe sind beispielsweise Peltierelemente einsetzbar. Bei einer Alternative kann auf der einen Seite ein Heizelement angeordnet sein, während die andere Seite auf Raumtemperatur bleibt. Auf diese Weise können flächig homogene Proben mit einem Morphologiegradienten in einer Raumrichtung erhalten werden.
Weiterhin sind alternativ auch radiale Gradienten, z. B. durch aktive Heizung oder Kühlung auf der Achse oder Oberfläche einer zylinderförmigen Probe, möglich.
Gemäß einer weiteren Alternative ist auch eine räumliche Strukturierung (Patterning) der Morphologie z. B. in Form einer alternierenden Struktur (Gitter- oder Punktmuster) möglich, indem z. B. linien- oder punktförmig temperiert wird und/oder eine Diffusionssubstanz (s. unten) entsprechend strukturiert aufgebracht wird.
Alternativ oder auch zusätzlich umfasst das Verfahren zur Einstellung der Randbedingungen den Schritt, einen elektrischen Feldgradienten entlang der mindestens einen Raumrichtung zu erzeugen. Diese Maßnahme ruft z. B. ein Konzentrationsgefälle der katalytisch wirkenden H₃0⁺- bzw. OH^–-Ionen in wässriger Lösung hervor. Aufgrund der durch das örtlich unterschiedlich starke elektrische Feld verursachten Konzentrationsunterschiede dieser Katalysatoren ist die Solbildung als Funktion des Orte unterschiedlich, so dass ein Morphologie- und als Resultat auch ein Dichtegradient entsteht. Auch andere Katalysatoren können zur Herstellung von Gradienten verwendet werden.
Eine weitere alternative oder zusätzliche Variante zur Erzeugung eines Morphologiegradienten besteht darin, dass ein Konzentrationsgradient hinsichtlich mindestens einer beispielsweise auf dem Eduktansatz aufgeschichteten Diffusionssubstanz entlang der mindestens einen Raumrichtung erzeugt wird. Die Diffusionssubstanz schwächt oder verstärkt entsprechend ihrer lokalen Konzentration die Sol-/Gelbildung, so dass sich dementsprechend ein Morphologiegradient einstellt.
Die Diffusionssubstanz kann beispielsweise eine verstärkte katalytische Wirkung oder eine neutralisierende Wirkung auf einen der Mischung zugesetzten basischen oder sauren Katalysator haben oder selbst als Katalysator wirken. Dabei können beispielsweise verschiedene Morphologiegradienten (und damit bei kleinen Poren auch verschiedene Dichtegradienten) bei gleichbleibenden Eduktkonzentrationen, aber unterschiedlichen Katalysatorentypen oder -konzentrationen erhalten werden.
Des Weiteren kann Wasser (als Lösungsmittel) oder ein organisches Lösungsmittel als Diffusionssubstanz eingesetzt werden. Ein Lösungsmittelgradient kann somit bei gegenüber dem Stand der Technik gleichen Reaktandenmengen und Katalysatormengen einen Morphologiegradienten erzeugen. Bei einer anderen Konstellation, die einen Morphologiegradienten hervorruft, werden verschiedene Gradienten – bei ansonsten unveränderten Bedingungen – erzeugt, wenn statt Wasser ein organisches Lösungsmittel verwendet wird.
Bei einer weiteren Möglichkeit lässt man zwei unterschiedliche Eduktansätze ineinander diffundieren. Es ist beispielsweise möglich, bei Verwendung von Eduktansätzen mit unterschiedlichen Konzentrationen insbesondere einen Dichtegradienten zu erzeugen. Auch lässt sich durch Einsatz einer Diffusionssubstanz, die gegenüber dem mindestens einen Eduktansatz zusätzlich oder ausschließlich an dere Reaktanden enthält, ein Gradient in der chemischen Zusammensetzung des Gelgerüsts realisieren.
Gleichfalls kann ein poröser Körper mit einem Morphologiegradienten hinsichtlich seiner chemischen Zusammensetzung erzeugt werden, indem man beispielsweise einen Silica-Ansatz in einen organischen Ansatz diffundieren lässt. Diese Situation kann auch als Morphologiegradient bezüglich der Konzentration zweier oder mehrerer Phasen bezeichnet werden.
Durch eine optionale anschließende Pyrolyse der zuvor genannten Probe wird ein Körper mit einem Konzentrationsgradienten hinsichtlich von im Körper verteilten Silica-Inseln in Kohlenstoff erhalten, wenn Pyrolysetemperaturen bis ca. 1100°C gewählt werden. Bei höheren Pyrolysetemperaturen wird ein Übergang von Kohlenstoff/Silica- zu Karbidaerogelen erhalten.
Bei Alternativen zu den oben dargestellten Aufschichtungsbeispielen wird die Diffusionssubstanz über Kontakt mit einem mit der Diffusionssubstanz getränkten porösen Material oder durch Auflegen einer für die Diffusionssubstanz durchlässigen Membran oder flüssigen Trennschicht, die sich den Reaktanden gegenüber inert verhält und sich nicht mit der eingesetzten Diffusionssubstanz bzw. dem Lösungsmittel mischt, in die Probe eingebracht. Ggf. sind das poröse Material oder die Membran vor dem Einsetzen oder nach der Gelierung zu entfernen.
Bei einer weiteren Möglichkeit wird die Diffusionssubstanz durch chemische Gruppen bereit gestellt, die aus einem Festkörper in den angrenzenden Eduktansatz übergehen, sich dort lösen und damit eine Diffusionssubstanz bilden.
Bei einer alternativen oder zusätzlichen Möglichkeit zur Einstellung der Randbedingungen kann ein mechanischer Kräftegradient eingestellt werden, so dass unterschiedlich starke Kräfte auf die Substanzen in der Mischung wirken. Beispielsweise können hierzu Zentrifugalkräfte eingesetzt werden, wie sie z. B. in Zentrifugen erzeugt werden können.
Die Erfindung betrifft gleichfalls ein kohlenstoffhaltiges monolithisches Erzeugnis, insbesondere ein solches Aerogel und insbesondere ein Kohlenstoffaerogel, wobei dieses Erzeugnis zumindest in einer Raumrichtung einen Morphologiegradienten aufweist. Dieser verändert sich bevorzugt kontinuierlich in der besagten Raumrichtung, so dass eine weitgehend vorhersagbare definierte physikalische Wirkung entlang des Gradientenprofils auftritt, die beispielsweise für eine thermische Isolation oder eine Nanofiltration ausgenutzt werden kann.
Besonders bevorzugt ist der besagte Morphologiegradient ein Dichtegradient. Hierbei ist ein monotoner Dichtegradient bevorzugt, so dass an einem Ende der Probe eine niedrigere und am anderen Ende der Probe eine höhere Dichte vorhanden ist. Im Zwischenbereich ist dann eine monotone oder sogar eine streng monotone Dichteerhöhung vorhanden.
Alternativ oder zusätzlich ist der Morphologiegradient ein Gradient hinsichtlich der chemischen Zusammensetzung des Gelgerüsts. Hierbei sind verschiedenste Ausführungen denkbar. Entsprechende Beispiele zur Herstellung dieser Körper sind bei den obigen Verfahrensdarstellungen beschrieben.
Alternativ oder zusätzlich ist der Morphologiegradient ein Partikelgrößengradient, der bei gegebener Dichte einem Porengrößengradienten entspricht. Sowohl Dichte- als auch Porengrößengradient treten in vielen Fällen herstellungsbedingt gleichzeitig auf, was mit dem Sol-/Gel-Prozess und der nachfolgenden Trocknung zusammenhängt. Die Dichte kann mit Hilfe des sog. Massenverhältnisses M abgeschätzt werden, womit das Verhältnis der Summe der Massen der in das (noch nicht pyrolysierte) Aerogel eingebauten Substanzen zu der Gesamtmasse des Ansatzes gemeint ist, also bei dem bekannten Ansatz zur Herstellung eines Kohlenstoffaerogels mit Resorcin und Formaldehyd in wässriger Lösung:
Ein hohes Massenverhältnis führt zu einem Aerogel hoher Dichte bzw. niedriger Porosität. Eine exakte Zuordnung von M zu konkreten Dichtewerten ist hierbei aber nicht möglich. Der Grund dafür ist, dass zusätzliche Effekte – wie die Schrumpfung des Aerogels (auf die auch andere Faktoren einen Einfluss haben) – unberücksichtigt sind. Mit der Wahl des Massenverhältnisses kann nach dem Vorgesagten ebenfalls vorteilhafterweise der Dichtegradient beeinflusst werden.
Die Partikelgröße eines Aerogels auf der anderen Seite ist über einen außergewöhnlich großen Bereich einstellbar. Dies liegt daran, dass die Anzahl der in der Anfangsphase der Gelierung gebildeten Kondensationskeime über die Katalysatorkonzentration gesteuert werden kann. Die Größe der Partikel am Ende des Gelierprozesses wird dann durch das Verhältnis von in der Lösung vorhandener „Bausubstanz” (im vorhergehenden Beispiel also Resorcin und Fomaldehyd) zur Anzahl der gebildeten Kondensationskeime festgelegt. Dieses Verhältnis kann z. B. für ein RF-Gel durch den Quotienten der Stoffmengen von Resorcin (R) und Katalysator (C) ausgedrückt werden:
Ein höheres R/C-Verhältnis bedingt, dass pro Kondensationskeim mehr Bausubstanz zur Verfügung steht. Die Kondensationskeime werden somit zu größeren Partikeln heranwachsen können. Mit anderen Worten lässt sich bei gegebener Temperatur über das R/C-Verhältnis die Partikelgröße einstellen und über das Massenverhältnis M die Dichte.
Neben der Katalysatorkonzentration und dem Katalysatortyp wird das Verhältnis von Partikelwachstums- zu Vernetzungsrate auch durch die Temperatur während des Sol-Gel Prozesses und das verwendete Lösungsmittel bestimmt; entsprechend stellen diese beiden Parameter zusätzliche Kontrollparameter für den Prozess dar.
Mit der Vorgabe der beiden Parameter Massenverhältnis M und R/C-Verhältnis sind die für die Synthese benötigten Eduktmengen ableitbar. Zur Erzeugung eines Morphologiegradienten sind demnach die oben genannten Parameter mit Hilfe von Randbedingungen in Form mindestens eines Gradientenerzeugers (insbesondere die oben genannten: Temperatur, elektrisches Feld, Diffusionseffekte, Zentrifugalkräfte) in mindestens einer Raumrichtung beeinflussbar.
Eine weitere Möglichkeit eines Morphologiegradienten ist ein Porendurchmessergradient bzw. ein Oberflächengrößengradient. Porendurchmesser bzw. Oberflächengradient hängen mit der Dichte und der Partikelgröße zusammen, können aber auch einzeln betrachtet werden.
Ein Morphologiegradient kann auch durch eine unterschiedliche chemische Zusammensetzung des Gelgerüsts im Verlauf des Gradienten bedingt sein.
Teil der vorliegenden Erfindung ist auch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Erzeugnisses, insbesondere eines Aerogels, mit einem Morphologiegradienten, welches zu thermischen Isolationszwecken oder für Filtrationszwecke eingesetzt wird. Insbesondere in letzterem Fall bietet es sich an, ein erfindungsgemäßes Aerogel zusätzlich auf einer Seite mit einem Träger, insbesondere einem Trägerschaum, zu koppeln, wobei sich die Partikelgrößen und/oder die Porengrößen des Aerogels und des Trägers im aneinander angrenzenden Bereich ähnlich sind oder die Poren des Trägers über einen signifikanten Dickenbereich, d. h. mind. das 3- bis 10-fache der Porengröße des Trägers, durchdrungen werden. Hierdurch wird eine gute mechanische Ankopplung in den aneinander angrenzenden Bereichen ohne wesentliche mechanische Spannungen erreicht.
Wird das erfindungsgemäße Aerogel zur thermischen Isolation z. B. in Hochtemperaturöfen eingesetzt, wird bei hohen Temperaturen der Strahlungstransport durch die dichteren Aerogelbereiche behindert. Bei niedrigen Temperaturen mindern die geringen Porengrößen bzw. die hohe Porosität in den Aerogelbereichen mit geringerer Dichte den Gas- bzw. den Festkörperanteil der Wärmeleitung.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 Eine schematische Darstellung der Synthese eines Gradientenaerogels durch einen Diffusionsprozess;
2 Eigenschaften einer Kohlenstoff-Gradientenprobe mit starkem Porengrößengradienten; das mittlere Teilbild zeigt ein Photo der Vorstufe, d. h. des organischen Gradientenaerogels;
3 Dichte des Kohlenstoff-Aerogelgradienten in Abhängigkeit der Position entlang des Gradienten;
4 REM-Aufnahmen an verschiedenen Positionen im grobstrukturierten Gradientenbereichs mit 10.000-facher Vergrößerung, und
5 mittlere Partikel- und Porendurchmesser des Kohlenstoffgradienten nach Auswertung von SAXS-(Röntgenkleinwinkelstreuung) und REM-Daten.
In der 1 ist schematisch dargestellt, wie eine Aerogelprobe mit einen Dichte- und Partikelgrößen- bzw. Porengrößengradienten erhalten werden kann. Hierbei wurde die Diffusion einer geeigneten Substanz in einen Aerogeleduktansatz ausgenutzt, wie er zur Synthese normaler, homogener RF-Aerogele herangezogen wird. Die flüssige Diffusionssubstanz hat die Funktion, die Parameter M und/oder R/C im Eduktansatz einzustellen. Die Diffusionssubstanz kann jedoch nur dann einen Einfluss auf die resultierende Morphologie ausüben, wenn die Diffusion erfolgt, bevor der Sol-Gel-Prozess bzw. die Partikelbildung zu weit fortgeschritten ist. Deshalb wird die Substanz direkt nach dem Zusammenmischen der Aerogeledukte auf den Eduktansatz aufgeschichtet und die Temperatur ausreichend niedrig gehalten (20°C genügen i. d. R.). Bei diesem Temperaturniveau sind die Reaktionen im Sol-Gel Prozess stark verlangsamt.
Um einen definierten Ausgangszustand zu erhalten, muss beim Aufschichten ein übermäßiges Vermischen der Substanzen vermieden werden. Da sich anfangs eine Phasengrenzschicht zwischen dem Eduktansatz und der Diffusionssubstanz ausbildet, ist es möglich, die Qualität der Aufschichtprozedur optisch zu überprüfen.
Über die Kontrolle der Diffusionszeit ist es möglich, die Eindringtiefe der Substanz und damit die Abmessungen des entstehenden Gradienten festzulegen. Es muss des Weiteren darauf geachtet werden, dass die Flüssigkeit im Reaktionsgefäß bis zur Gelierung unbewegt bleibt und definierte Temperaturen herrschen. Beendet wird die Diffusionsphase durch eine Beschleunigung des Sol-/Gel-Prozesses. Dies wurde durch eine Erhöhung der Temperatur auf Werte von ca. 60°C bis 85°C erreicht, wobei die Erwärmung zur Verhinderung von Konvektionseffekten nicht zu schell erfolgen darf. Unter diesen Bedingungen geliert die Probe in wenigen Minuten bis Stunden, wobei der graduelle Strukturverlauf fixiert bleibt.
Nach der Gelierung wird das Gradienten-Gel vorzugsweise nach den üblichen Verfahren für homogene Aerogele behandelt und getrocknet, also z. B. überkritisch oder an Luft.
Prinzipiell gibt es insbesondere drei Gradientengrundtypen, den Dichtegradienten (z. B. mit reinem Wasser als Diffusionssubstanz), den Partikel- bzw. Porengrößengradienten (z. B. mit einer Katalysatorlösung als Diffusionssubstanz oder einer den Katalysator neutralisierenden Substanz) und den Gradienten in der chemischen Zusammensetzung des Gelgerüsts. Neben dem Einsatz von verdünnten Katalysa torsubstanzen könnte man z. B. auch zwei unterschiedliche Eduktansätze ineinander eindiffundieren lassen.
Gradientenaerogele können insbesondere Gradienten sowohl hinsichtlich Dichte als auch Partikel- und/oder Porengröße aufweisen. Bei Dichtegradienten werden auch die R/C-Werte geringfügig manipuliert, wenn die Katalysator- und Resorcinmoleküle unterschiedliche Diffusionsgeschwindigkeiten aufweisen. Bei Partikelgrößegradienten können Basen und Säuren in wässriger Lösung vorliegen und dadurch die M-Werte beeinflussen. Anstelle von wässrigen Lösungen können auch andere Lösungsmittel eingesetzt werden (wobei dann allerdings die Begriffe Säure/Base nicht ganz nomenklaturgetreu sind). Ein Partikelgrößegradient ergibt sich auch aufgrund eines Lösungsmittelgradienten (als Beispiel für einen Konzentrationsgradienten einer Diffusionssubstanz), z. B. wegen der unterschiedlichen Löslichkeit der Reaktanden. Noch gravierender kann sich auswirken, dass die Probe mit einem Partikelgrößegradienten wegen ihrer unterschiedlich großen Poren und Gerüststabilität auch bei der Trocknung (unter Normalbedingungen) unterschiedlich stark schrumpfen wird. Dies induziert aber wiederum einen Dichtegradienten.
Die Ausdehnung des Gradienten ist die Abmessung der Probe in einer Richtung des Gradienten innerhalb derer deutliche Unterschiede in Struktur oder den physikalischen Eigenschaften gegenüber den Bereichen ohne Gradient zu verzeichnen sind; der Gradient kann entweder makroskopisch durch den Farbverlauf oder eine lokal unterschiedliche Schrumpfung der Probe bestimmt werden; mikroskopisch lässt sich insbesondere durch elektronenmikroskopische Untersuchung der Bereich, über den strukturelle Änderungen auftreten, festlegen. Darüber hinaus können auch andere physikalische Methoden, die eine Ortsauflösung gewährleisten, herangezogen werden um die Ausdehnung des Gradienten zu quantifizieren.
Vorliegend wurde ein Eduktansatz für zwei Proben mit basischem Katalysator (Na₂CO₃), einem R/C-Verhältnis von 2000 und einem Massenverhältnis von 30% hergestellt, s. oberen Teil von 2. In zwei verschließbare Reagenzgläser mit 17 cm Durchmesser wurden je 15 g Eduktansatz gefüllt und 500 μl verdünnte Ameisensäure (0,01 normale CH₂O₂) als Diffusionssubstanz aufgeschichtet. Die Funktion der Ameisensäure liegt hier darin, den basischen Katalysator zu neutralisieren. Ameisensäure kann jedoch auch selbst katalytisch wirksam werden. Die Diffusionszeit der Proben betrug 72 Stunden. Nach Flüssigkeitstausch mit Ethanol und erfolgreicher rissfreier Trocknung an Luft wurden die Proben mit einer Diamantpräzisionssäge in dünne Abschnitte von 0,6 mm Stärke zersägt und später bei 800°C zu Kohlenstoffaerogel pyrolysiert. Dabei wurde eine Probe in 15 kreisrunde Scheibchen quer zur Gradientenrichtung und die andere Probe in Längsschnitte zersägt. Auffällig bei den Proben ist der Farbverlauf im Gradientenbereich des RF-Aerogels. Auch nach der Pyrolyse zu Kohlenstoff ist die Gradientenstruktur durch einen leichten Farbverlauf von Dunkelgrau nach Tiefschwarz mit dem Auge erkennbar.
Der Gradientenbereich ist optisch gut vom homogenen Bereich unterscheidbar, der nicht von der Diffusionssubstanz erreicht wurde und dessen Struktur sich nicht von einem Aerogel unterscheidet, welches aus einem reinen Eduktansatz synthetisiert ist. Um die Messdaten einheitlich darstellen zu können, wird der Nullpunkt der Längenachse auf den – optisch eindeutig bestimmbaren – Übergang zwischen dem homogenen Bereich und dem Gradienten festgelegt, s. 2. Die Ausdehnung des Gradientenbereichs beträgt nach der Pyrolyse für diese Probe etwa 20 mm.
Die als Gradientenbildner verwendete verdünnte Ameisensäure hat z. T. eine neutralisierende Wirkung auf den basischen Katalysator im Eduktansatz, wirkt aber auch selbst katalytisch. Wegen der höheren Konzentration der Ameisensäure zum Probenende hin, treten in dieser Richtung ansteigende R/C-Werte und damit zunehmende Partikel- und Porendurchmesser auf, wie sie auch bei der Synthese eines Gels mit reiner Ameisensäure beobachtet werden. Dieser Sachverhalt ist schon mit einer Lupe direkt an der Probe verifizierbar.
Neben dem Partikelgröße- und Porengrößengradienten ist auch ein Dichtegradient zu beobachten. Ein Grund dafür ist die Verdünnung des Eduktansatzes durch die eindiffundierende, „baustofflose” Ameisensäure und die damit verbundene Reduktion des Massenverhältnisses M. Außerdem ist, wie oben erwähnt, die beim Trocknungsvorgang auftretende Schrumpfung morphologieabhängig. Bei einem aus einem Partikelgrößegradienten sich ergebenden Porengrößengradienten ist die Dichte in Bereichen mit feinerer Morphologie durch stärkere Schrumpfung erhöht. Die beiden Effekte überlagern sich konstruktiv und führen – vom homogenen Bereich aus – zu abfallenden Dichtewerten. Diese grundlegenden Eigenschaften der Gradientenprobe, Herstellungsparameter und Abmessungen sind im unteren Teil in 2 schematisch dargestellt. Zu beachten ist, dass sich die folgenden Messungen, wenn nicht anders angegeben, immer auf die pyrolysierten Kohlenstoff-Aerogelproben beziehen.
Die nachfolgend beschriebenen Messungen wurden wegen der günstigen Geometrie an den Scheibchenproben und einem ca. 1 cm dicken, homogenen Zwischenstück (Position: –3 mm) durchgeführt. Die Messungen ergaben Folgendes:
Das Verhältnis von Durchmesser und Dicke der einzelnen aus dem Gradientenaerogel ausgeschnittenen Scheibchenproben vor und nach der Pyrolyse zu einem Kohlenstoffaerogel blieb entlang der Probe weitgehend konstant. Es ist lediglich ein schwach ansteigender Trend zum Probenende hin feststellbar. Die Pyrolyse führte hierbei zu einer Längenreduktion auf etwa 81%; die Dickenreduktion lag im selben Bereich. Die Pyrolyse wirkte sich also insgesamt einheitlich auf die Geometrie des Gradientensystems aus.
Die Masse der pyrolysierten Proben fiel im Mittel auf ca. 51% des nicht pyrolysierten Werts ab. Wegen der Abnahme des Volumens auf 0,81³ = 52% ändert sich somit die Dichte bei der Pyrolyse kaum.
Um das Schrumpfungsausmaß (dreidimensionale Größe) während der Trocknungsphase des Nassgels zum Aerogel zu bestimmen, wurde die Schrumpfung durch den Durchmesser der Gradientenprobe (eindimensionale Größe) angenähert. Hierbei stellte sich heraus, dass der feinporige Bereich tendenziell stärker schrumpfte als der grobporige Bereich am Gradientenende.
Die sich aus Durchmesser, Dicke und Masse ergebende Dichte der Scheibchen ist in 3 dargestellt. Die untersuchte Probe weist einen deutlichen, kontinuierlichen Dichtegradienten auf. Die gesamte Dichtedifferenz beträgt etwa 1/3 der Dichte im homogenen Abschnitt und fällt angesichts der geringen Menge an Ameisensäure, mit der dieses Gradientensystem erzeugt wurde, überraschend hoch aus. An die Messdaten wurde ein Polynom vierter Ordnung angefittet und nach Erreichen der Dichte im homogenen Teil konstant fortgesetzt (durchgezogene Linie). Am Übergang zum homogenen Bereich (Positionsnullpunkt) wird der volle Dichtewert noch nicht ganz erreicht. Dies liegt daran, dass der Probenquerschnitt an dieser Steile noch nicht vollständig aus homogenem Material besteht.
Der ausgeprägte Dichteverlauf mit Werten zwischen 240–380 kg/m³ wird im Wesentlichen einerseits durch das unterschiedliche Ausmaß der irreversiblen Schrumpfung des Gels bei der Gel-Trocknung und andererseits durch die Verdünnung des Eduktansatzes durch den eindiffundierenden, baustofflosen Gradientenbildner (hier Ameisensäure) während der Synthese erklärlich.
Die Partikel- und Porengrößen wurden mittels rasterelektronischen Aufnahmen sowie Röntgenkleinwinkelstreuung (SAXS) ermittelt. Weder Partikel noch Poren haben jedoch einheitliche Formen mit einer festen Geometrie, so dass es notwendig ist, über die Einführung vereinfachender Modelle mittlere Größen zu bestimmen. Es hat sich gezeigt, dass diese mittleren Größen die Aerogelmorphologie sinnvoll charakterisieren können und zur weiteren Auswertung geeignet sind. Aus ihnen abgeleitete Größen können in vielen Fällen in gute Übereinstimmung mit den Ergebnissen aus anderen Messverfahren gebracht werden.
In 4 sind die an einer Längsschnittprobe im Millimeterabstand angefertigten rasterelektronischen Aufnahmen wiedergegeben, wobei eine ZEISS DSM 962 An lage verwendet wurde. Da diese eine Auflösung bis maximal 50 nm erreicht, konnte nur die grobstrukturierte Hälfte des Aerogels untersucht werden. Man erkennt, dass die Partikelgrößen über zwei Größenordnungen von etwa 40 nm–4000 nm anwachsen. Mit der Auswertesoftware der Anlage wurden per Augenmaß einige Partikel pro Aufnahme vermessen.
Die SAXS-Messungen wurden ebenfalls an Gradientenlängsschnitten vorgenommen, wobei die Probe in 1,5 mm-Schritten längs des Gradienten vermessen wurde. Es wurden hiermit spezifische Oberflächen erhalten, die sich mit Ergebnissen aus gleichfalls durchgeführten Stickstoffsorptionsmessungen deckten.
Die Kenntnis der sogenannten externen spezifischen Oberfläche des Aerogels erlaubt es, mittlere Abmessungen der Partikel und Poren abzuleiten. Dazu betrachtet man nicht die reale Aerogelgerüststruktur, sondern vereinfachende Modelle, die aus gleichförmigen Strukturen mit definierten Abmessungen bestehen. Hierbei haben sich für die Partikel ein einfaches Kugelmodell und für die Poren hohle Zylinder bewährt, wobei ausgenutzt wird, dass die Partikel- und Porenoberfläche identisch sind. In 5 sind die mittels SAXS-Messungen unter den Modellannahmen errechneten mittleren Partikel- und Porendurchmesser des Kohlenstoffgradienten aufgetragen. Im Gradientenendbereich (rechter Figurenrand) sind zwei offensichtlich fehlerhafte SAXS-Daten anhand der REM-Daten korrigiert worden, da diese in dem dortigen grobporigen Bereich die zuverlässigeren Daten liefern.
Aus der 5 wird deutlich, dass der mittlere Partikeldurchmesser von ca. 70 nm im feinporigen Bereich am Probenanfang streng monoton bis auf 10 μm im grobporigen Bereich am Probenende anwächst. Der mittlere Porendurchmesser steigt im selben Bereich von ca. 40 nm auf 4 μm. Insgesamt ist aus den 3–5 ist ersichtlich, dass erfindungsgemäß Aerogele mit Gradienten hinsichtlich Dichte und Partikelgröße (sowie Porendurchmesser) erhalten werden können.
Die verschiedenen Verfahren zur Herstellung von kohlenstoffhaltigen porösen Gradientenerzeugnissen sind miteinander kombinierbar. So können beispielswei se Aerogele mit einem Dichtegradienten sowie zusätzlich einem Gradienten hinsichtlich der Gerüstbestandteile realisiert werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines kohlenstoffhaltigen porösen Erzeugnisses, insbesondere eines Aerogels, wobei die Ausgangssubstanzen für die Herstellung des Erzeugnisses zu mindestens einem Eduktansatz gemischt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung vor oder während der Sol- und/oder Gelbildung in mindestens einer Raumrichtung unterschiedlichen Bedingungen als Funktion des Ortes unterworfen wird, wobei die Bedingungen derart gewählt werden, dass das Erzeugnis im getrockneten Zustand in zumindest einer Raumrichtung einen Morphologiegradienten aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bedingungen derart gewählt werden, dass sich der Morphologiegradient kontinuierlich ändert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Morphologiegradient in einer Raumrichtung bei einem ansonsten flächig homogenem Körper erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Morphologiegradient ausgehend von einer Achse des Sols und/oder Gels als radialer Gradient erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gradientenprofil mit einer Raumstruktur erzeugt wird, beispielsweise in Form einer alternierenden Struktur bzw. Musters.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung der Bedingungen den Schritt umfasst, dass ein Temperaturgradient entlang der mindestens einen Raumrichtung eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung der Bedingungen den Schritt umfasst, dass ein elektrischer Feldgradient entlang der mindestens einen Raumrichtung eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die den Gradienten hervorrufenden Substanzen nach einem der folgenden Verfahren bezüglich des mindestens einen Eduktansatzes appliziert werden: – Aufschichten, – Kontakt mit einem die Substanz enthaltenden porösen Material, – Kontaktierung mit einem die Substanz enthaltenden Festkörper, aus dem die Substanz in den Eduktansatz übergeht, – Auflegen einer für die Substanz durchlässigen Membran mit anschließendem Aufbringen der Substanz, – Aufbringen einer flüssigen, für die Substanz durchlässigen Trennschicht mit anschließendem Aufbringen der Substanz.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung der Bedingungen den Schritt umfasst, dass ein Morphologiegradient hinsichtlich der chemischen Zusammensetzung des Gelgerüsts in zumindest einer Raumrichtung eingestellt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung eines Gradienten hinsichtlich der chemischen Zusammensetzung eine Diffusionssubstanz gewählt wird, die gegenüber dem mindestens einen Eduktansatz zusätzlich oder ausschließlich andere Reaktanden enthält.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung der Bedingungen den Schritt umfasst, dass man unterschiedliche Eduktansätze ineinander diffundieren lässt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eduktansätze unterschiedliche Konzentrationen aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Konzentrationsgradient hinsichtlich mindestens einer Diffusionssubstanz entlang der mindestens einen Raumrichtung erzeugt wird, wobei die mindestens eine Diffusionssubstanz je nach ihrer vorhandenen lokalen Konzentration unterschiedliche morphologische Veränderungen bei der Sol- und/oder Gelbildung verursacht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Diffusionssubstanz gewählt wird, die eine neutralisierende oder eine verstärkende katalytische Wirkung auf einen der Mischung zugesetzten basischen oder sauren Katalysator hat oder selbst als Katalysator wirkt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Diffusionssubstanz Wasser oder ein organisches Lösungsmittel gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gradient durch Wahl des Massenverhältnisses (Verhältnis der Summe der Massen der in das Erzeugnis eingebauten Substanzen zu der Gesamtmasse des Ansatzes) beeinflusst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gradient hinsichtlich mechanisch auf die Mischung einwirkender Kräfte eingestellt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung Zentrifugalkräften unterworfen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung im fortgeschrittenen Stadium oder im Anschluss an die Bildung des Morphologiegradienten zur Beschleunigung der Gelbildung einer Temperaturerhöhung unterworfen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das getrocknete Gel einer Pyrolyse unterworfen wird.
Kohlenstoffhaltiges monolithisches Erzeugnis, insbesondere Aerogel, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugnis zumindest in einer Raumrichtung einen Morphologiegradienten aufweist.
Erzeugnis nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Morphologiegradient sich kontinuierlich in der besagten Raumrichtung verändert.
Erzeugnis nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Morphologiegradient ein Dichtegradient ist.
Erzeugnis nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Morphologiegradient ein Gradient hinsichtlich der chemischen Zusammensetzung des Gelgerüsts ist.
Erzeugnis nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Morphologiegradient ein Partikelgrößengradient ist.
Erzeugnis nach einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Morphologiegradient ein Porendurchmessergradient ist.
Erzeugnis nach einem der Ansprüche 21 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Morphologiegradient als Funktion des Ortes in mindestens einer Raumrichtung monoton verläuft.
Erzeugnis nach einem der Ansprüche 21 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einem Trägerschaum gekoppelt ist, wobei das Erzeugnis und der Trägerschaum in der Grenzschicht miteinander vernetzt sind.
Erzeugnis nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugnis im Bereich der Grenzschicht in den Trägerschaum hineinreicht.
Aerogel nach einem der Ansprüche 21 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass es pyrolysiert ist.
Verwendung eines Erzeugnisses, insbesondere eines Aerogels, das nach einem Verfahren gemäß den vorhergehenden Verfahrensansprüchen hergestellt wurde und/oder nach einem der vorhergehenden Erzeugnisansprüche ausgebildet ist, zur thermischen Isolation oder zur Filtration.
Verwendung eines Erzeugnisses nach Anspruch 31 zur Gastrennung.
Verwendung eines Erzeugnisses nach Anspruch 32 zur Wandauskleidung eines Hochtemperaturofens.