DE102021123824A1

DE102021123824A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Transport von Partikeln unter Druck

Info

Publication number: DE102021123824A1
Application number: DE102021123824.2A
Authority: DE
Inventors: Andreas Sengespeick; Manfred Renner; Nils Mölders; Damian Hintemann; Eckhard Weidner
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2021-09-15
Filing date: 2021-09-15
Publication date: 2023-03-16
Also published as: WO2023041273A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überführung von Partikeln unter Druck sowie ein Verfahren zur Herstellung von Aerogelen und eine Vorrichtung zur Durchführung der Verfahren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet der Hochdrucksynthese, insbesondere des Transports von Partikeln, vorzugsweise von scherempfindlichen Partikeln, unter Druck.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Überführung bzw. zum Transport von scherempfindlichen Partikeln, insbesondere Gelpartikeln, unter Druck von einem Druckbehälter in mindestens einen weiteren Druckbehälter.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein kontinuierliches bzw. quasi-kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von Aerogelen, bei welchem die Gelpartikel unter Druck von einem Druckbehälter in mindestens einen weiteren Druckbehälter überführt bzw. transportiert werden.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Überführung von Partikeln unter Druck von einem Druckbehälter in mindestens einen weiteren Druckbehälter sowie eine Vorrichtung zur Herstellung von Aerogelen.
Aerogele sind hochporöse Festkörper, deren Volumen bis zu 99,98 % aus Poren bestehen können. Aerogele weisen üblicherweise dendritische Strukturen mit einer starken Verästelung der Partialketten auf, so dass sehr viele Zwischenräume, insbesondere in Form von offenen Poren gebildet werden. Die Ketten besitzen eine Vielzahl von Kontaktstellen, dass eine stabile, schwammartige Struktur gebildet wird. Die Porengröße liegt üblicherweise im Nanometer-Bereich und die innere Oberfläche kann bis zu 1.000 m²/g oder mehr betragen. Aerogele können aus einer Vielzahl von Materialien, wie beispielsweise Silicium Dioxid-Kunststoff oder Kohlenstoff sowie natürlichen organischen Polymeren, wie beispielsweise Alginaten oder Metalloxiden bestehen.
Aerogele werden aufgrund der hohen Porosität oftmals als Isoliermaterialien, beispielsweise zu Wärmedämmzwecken, oder als Filtermaterialien eingesetzt. Gleichermaßen finden Aerogele auch als Speichermaterialien, beispielsweise für Flüssigkeiten oder Gase, Anwendung.
Bei Aerogelen handelt es sich um nanostrukturierte, offenporige Festkörper, welche üblicherweise über einen Sol-Gel-Prozess hergestellt werden.
Aerogele werde in der Regel durch Trocknung eines gallertartigen Gels, zumeist kondensierter Kieselsäure, hergestellt. Die mit Kieselsäure und ähnlichen Ausgangsstoffen, wie Kieselsäuresolen, Silanhydrolysaten oder Silikaten erhältlichen Aerogele weisen SiO₂-Struktureinheiten auf und werden oftmals als Silica-Aerogele - auch Silika-Aerogele genannt - bezeichnet. Die erstmalige Synthese von Silica-Aerogelen gelang Steven Kistler im Jahre 1931/1932. Er entwickelte als Erster eine Methode, Gele zu trocknen, ohne dass diese dabei eine Schrumpfung aufwiesen (Kistler S.S., The Journal of Physical Chemistry, 1932, 36(1): Coherent Expanded Aerogels, S. 52 bis 64). Gemäß der von Kistler entwickelten Methode wird Wasserglas als Ausgangsstoff verwendet, aus welchem im ersten Schritt durch Ansäuern mit einer Mineralsäure eine Silica-Hydrogel erhalten wird. Dieses Gel wird im nächsten Schritt durch Waschen von Alkalimetallionen befreit. Das im Hydrogel enthaltene Wasser wird danach vollständig gegen Ethanol oder Methanol ausgetauscht. Anschließend erfolgt die überkritische Trocknung des entstehenden Alkogels im Autoklaven.
In der Zwischenzeit wurde weitere Verfahren entwickelt, wie beispielsweise das in der DE 18 113 53 A beschriebene, welches direkt von der Alkogelsynthese ausgeht. Die DE 18 113 53 A offenbart ein Verfahren zur Erzeugung von Silica-Aerogelen, wobei Tetramethoxysilan (TEOS) in Methanol oder Ethanol mit einer genau dosierten Menge Wasser und einem Katalysator hydrolysiert wird. Bei der Hydrolyse bildet sich unter Alkohol- und Wasserabspaltung ein SiO₂-Gel in Form eines Alkogels aus. Das Alkogel wird anschließend überkritisch im Autoklaven getrocknet. Nach diesem Verfahren lassen sich auch organische Aerogele aus Melaminformaldehydharzen und Resorzinformaldehydharzen herstellen. Bei den überkritischen Trocknungstechniken wird das zu trocknende Gel Temperatur- und Druckbedingungen ausgesetzt, bei denen mindestens der kritische Punkt des Lösemittels erreicht wird.
Ein Nachteil der bekannten Verfahren zur Herstellung von Aerogelen ist, dass diese im Batchbetrieb ausgeführt werden, was insbesondere aufgrund der unterschiedlichen Zeitdauern und bevorzugter Prozessparameter, wie beispielsweise Druck und Temperatur, der einzelnen Produktionsschritte eine kontinuierliche Produktion erschwert bzw. unmöglich macht. Durch die langen Herstellungszeiten verteuert sich die Aerogel-Herstellung und be- bzw. verhindert somit den Einsatz von Aerogelen in einer Vielzahl von Anwendungen, für welche Aerogele aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften prinzipiell geeignet wären. So betragen die jeweiligen Prozesszeiten für die einzelnen Verfahrensschritte bei Bildung von Silica-Aerogelen aus Tetraethylorthosilikat (TEOS) im Einzelnen:

- Hydrolyse- und Kondensationszeiten: mindestens 8 Stunden (vgl. A.A. Tweiy Wesam, Temperature Influence on the Gelation Process of Tetraorthosilicate Sol-Gel-technique, Iraqui Journal of Science 2009)
- Alterungszeiten des Gels: zwischen 6 und 72 Stunden (vgl. M.-A. Einarsrud, M.B. Kirkedelen, E. Nielsen, K. Mortensen, J. Samseth, Structural Development of silica-gels aged in TEOS, Journal of non-cryst solid 231, 1998, S. 10-16)
- überkritische Waschzeiten / Lösemittelaustausch: ca. 24 Stunden pro Waschzyklus (vgl. K. Quarch, Produktgestaltung an kolloidalen Agglomeraten und Gelen, Gelierung und Fragmentierung an anorganischem Siliciumdioxid, Dissertation, Kit, 2010)
- überkritische Trocknungszeiten sind stark abhängig vom vorangehenden Lösemittelaustausch und der Porengröße.

Übliche Prozesszeiten für die Herstellung von Aerogelen aus Natriumsilikat und überkritischer Trocknung, in Kombination mit Lösemittelaustausch und Hydrophobierung betragen üblicherweise:

- Gelbildungs- und Alterungszeiten: 1 Sekunde bis 2 Stunden
- die Waschzeiten, um das Gel natriumfrei zu erhalten, sind nicht bekannt
- Lösemittelaustausch mittels Aceton: ca. 2 Stunden.
- Silanisierung, d.h. Hydrophobierung mittels Hexamethyldisiloxan bei Raumtemperatur: 5 Stunden
- unterkritische Trocknung: 17 Stunden bei 150 °C oder eine Stunde im 200 °C heißen Stickstoff / Hexamethyldisilazan-Strom.

Die Verfahrensdauern betragen somit selbst im günstigsten Fall mindestens 8 Stunden.
Eine deutliche Verbesserung bringt die von der Eidgenössischen Material- und Prüfanstalt (EMPA) entwickelte Eintopfmethode, deren Einzelschritte folgende Zeitdauern benötigen:

- Die Zeit für die Gelbildung und Alterung beträgt durch Einsatz von Hexamethyldisilazan (HDMSO), Ammoniak, Wasser, Ethanol und TEOS ca. 2 Stunden.
- Die Hydrophobierung des feuchten Gels wird mittels einer Mischung von HCL und HDMSO über einen Zeitraum von 1 Stunde vorgenommen.
- Die überkritische Trocknungszeit beträgt ca. 1 Stunde.

Die Gesamtprozesszeiten betragen somit zwischen 4 und 6 Stunden.
Eine nochmalige deutliche Verbesserung konnte mit einem Verfahren erzielt werden, welches in der DE 10 2018 128 410 A1 beschrieben ist. Hierbei werden jeweils wässrige Silica-Sole in einem mit vorzugsweise verdichteten CO₂ gefüllten Autoklaven kontinuierlich eindosiert. Die Diffusion des CO₂ in das wässrige Sol und der damit einhergehende pH-Sprung führen zu einer instantanen Gelierung des Sols und zu einem Hydrogel, das sich am Kolonnenboden sammelt. Die Überführung des Hydrogels zu Aerogelen erfolgt durch einen Lösemittelaustausch und anschließende überkritische Trocknung. Alle zur Herstellung von Aerogelen notwendigen Verfahrensschritte können bei diesem Verfahren in einem Reaktor bei konstantem Druck und konstanter Temperatur ausgeführt werden. Die bisher im Stand der Technik beschriebenen Prozesszeiten können dadurch deutlich reduziert werden:

- Gelierzeiten: zwischen 1 bis 5 Sekunden
- Zeiten für die Silanisierung: 15 Minuten
- Zeiten für Alterung und Lösemittelaustausch: 45 Minuten
- Trocknungszeiten: < 30 Minuten

Allerdings kann auch dieses Verfahren bislang lediglich im Batchbetrieb zuverlässig durchgeführt werden, da die zunächst erhaltenen Lyogel- oder Hydrogelpartikel mechanisch äußerst empfindlich sind, insbesondere scherempfindlich.
Nachteilig an allen zuvor genannten Verfahren ist, dass diese vorzugsweise batchweise ausgeführt werden. Auch das zuletzt genannte Verfahren mit erheblichen verkürzten Prozesszeiten wird vorzugsweise nur in einem Reaktor durchgeführt, da in der Praxis die Überführung der gerade gebildeten Hydrogel- oder Alkogelpartikel aus einem Reaktionsgefäß, insbesondere einem Autoklaven, in ein weiteres Reaktionsgefäß nicht ohne Weiteres möglich ist. Zwar ist es prinzipiell möglich, Druck und Temperatur auf Normaldruck und Umgebungstemperatur zu senken und die Partikel schonend in einen anderen Behälter, insbesondere einem Autoklaven, zu überführen, allerdings werden hohe Drücke und Temperaturen für eine schnelle Verfahrensführung, d.h. eine möglichst rasche Gelbildung sowie Alterung und auch zur Beschleunigung möglicher Hydrophobierungen, benötigt. Durch einen Druckabbau und eine Temperatursenkung sowie anschließend einem erneuten Druckaufbau und einer erneuten Temperaturerhöhung werden die Prozesszeiten unnötig in die Länge gezogen und das Verfahren durch zusätzliche Energiekosten deutlich verteuert. Dieses Problem ist bislang im Stand der Technik noch ungelöst.
Zwar beschreibt die EP 3 478 400 B1 ein Verfahren zur kontinuierlichen Aerogelherstellung unter Druck, bei welchem die Gelpartikel von einem Druckbehälter in einen nächsten überführt werden. Allerdings lässt sich dem Dokument keinerlei Offenbarung dahingehend entnehmen, durch welche technischen Maßnahmen die empfindlichen Partikel tatsächlich unter Druck von einem Behälter in einen weiteren Behälter überführt werden können.
Es fehlt somit im Stand der Technik weiterhin ein Verfahren, welches eine kontinuierliche Herstellung von Aerogelen, insbesondere Silica-Aerogelen, ermöglicht. Eine kontinuierliche Herstellung oder zumindest eine quasi-kontinuierliche Herstellung, bei welchen die Gelbildung von weiteren Verfahrensschritten bzw. -phasen, wie beispielsweise Alterung, Hydrophobierung, Lösemittelaustausch, Trocknung, getrennt werden kann, wäre wünschenswert, da insbesondere die Einbringung eines gegebenenfalls teil- oder vorgelierten Sols in einen Reaktor zur instantanen Gelierung, apparativ recht aufwendig ist, wohingegen die weiteren Schritte, insbesondere die Alterung, Waschen des Gels, Lösemittelaustausch, Trocknung etc. in einfachen Autoklaven durchgeführt werden können. Es wäre daher zumindest wünschenswert, den ersten Schritt bei der Aerogelherstellung, nämlich die Gelbildung unter erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur von den übrigen Verfahrensschritten, zu trennen. In der Praxis scheitert dies jedoch regelmäßig daran, dass kein Verfahren bekannt ist, um die Gelpartikel bei erhöhtem Druck, insbesondere bei Drücken oberhalb von 30 bar von einem Druckbehälter in einen weiteren zu überführen.
Durch eine Trennung der einzelnen Prozessschritte ist insbesondere möglich, die Temperatur und speziell den Prozessdruck in den einzelnen Verfahrensschritten jeweils optimal anzupassen, und dies mit nur geringem Aufwand.
Zwar sind im Stand der Technik Systeme zur Überführung von Partikeln unter Druck bekannt, diese sind aber auf die Herstellung von Aerogelen bzw. die Behandlung von empfindlichen Gelpartikeln nicht anwendbar. So werden im Stand der Technik oftmals Zellradschleusen eingesetzt, um Partikel in unter Druck stehenden Systemen zu transportieren. Diese sind jedoch aufgrund ihrer Funktionsweise auf einen Druckbereich von ca. 30 bar limitiert. Nachteilig ist weiterhin, dass die Partikel entweder durch die auf sie wirkende Schwerkraft oder dem Einsatz von mechanischen Hilfsmitteln, wie Schaufelräder, in Bewegung gehalten werden müssen. Insbesondere bei Partikeln mit einer hohen Restfeuchte führt dies zu einer Agglomeration der Partikel bzw. zu hohen mechanischen Lasten, die die Partikel beschädigen oder zerstören können.
In der FR 3053263 B1 wird ein Verfahren beschrieben, in dem Aerogelpartikel in einem druckbeaufschlagten Autoklav mittels eines Wirbelbetts transportiert werden, um die trockenen Partikel aus dem Autoklav auszutragen. Die Partikel werden jedoch auch hier in dem Autoklav hergestellt und verbleiben dort bis zum Ende der Aerogelherstellung. Lediglich die fertigen Partikel werden dann mit Hilfe des Wirbelbetts ausgetragen.
Es fehlt somit im Stand der Technik weiterhin an einem Verfahren, welches es ermöglicht, scherempfindliche Partikel, insbesondere Gelpartikel, unter Druck von einem Behälter in einen anderen zu überführen. Es ist nunmehr Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die mit dem geschilderten Stand der Technik verbundenen Nachteile auszuräumen, zumindest jedoch abzuschwächen.
Insbesondere ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin zu sehen, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, welche es ermöglicht, scherempfindliche Partikel, insbesondere Gelpartikel, unter Druck von einem Druckbehälter in einen weiteren Druckbehälter zu überführen.
Weiterhin ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, welches eine kontinuierliche oder zumindest quasi-kontinuierliche Herstellung von Silica-Aerogelen ermöglicht.
Weiterhin ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin zu sehen, ein Verfahren bereitzustellen, welches die Herstellung vereinzelter Aerogelpartikel ermöglicht, d.h. dass ein Verkleben und Verklumpen der einzelnen Partikel, verhindert.
Die zuvor geschilderte Aufgabenstellung wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der diesbezüglichen Unteransprüche.
Weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Aerogelen nach Anspruch 19; weitere vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Erfindungsaspekts sind Gegenstand der diesbezüglichen Unteransprüche.
Weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung nach Anspruch 25. Weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Erfindungsaspekts sind Gegenstand der diesbezüglichen Unteransprüche.
Es versteht sich von selbst, dass Besonderheiten, Merkmale, Ausgestaltungen und Ausführungsformen sowie Vorteile oder dergleichen, welche nachfolgend - zu Zwecken der Vermeidung unnötiger Wiederholungen - nur zu einem Erfindungsaspekt ausgeführt werden, selbstverständlich in Bezug auf die übrigen Erfindungsaspekte entsprechend gelten, ohne dass es einer ausdrücklichen Erwähnung bedarf.
Zudem gilt, dass alle im Folgenden genannten Werte- bzw. Parameterangaben oder dergleichen grundsätzlich mit genormten bzw. standardisierten oder explizit angegebenen Bestimmungsverfahren oder dem Fachmann auf diesem Gebiet geläufigen Bestimmungsmethoden ermittelt bzw. bestimmt werden können.
Darüber hinaus versteht es sich von selbst, dass alle gewichts- oder mengenbezogenen Prozentangaben vom Fachmann derart ausgewählt werden, dass in der Summe 100 % resultieren; dies versteht sich jedoch von selbst.
Dies vorausgeschickt, wird im Folgenden die vorliegende Erfindung näher beschrieben.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung - gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung - ist ein Verfahren zur Überführung von Partikeln unter Druck von einem ersten Druckbehälter in einen zweiten Druckbehälter, wobei die Partikel in einer Flüssigkeit von dem ersten Druckbehälter in den zweiten Druckbehälter überführt werden.
Vorzugsweise sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Partikel in der Flüssigkeit dispergiert.
Denn, wie die Anmelderin überraschenderweise herausgefunden hat, ist es durch die Überführung der Partikel in einer Flüssigkeit, insbesondere in Form einer fest/flüssig-Dispersion, möglich, mechanisch labile und insbesondere scherempfindliche Partikel, wie beispielsweise Gelpartikel, unter Druck von einem Druckbehälter in einen zweiten oder auch mehrere weitere Druckbehälter zu überführen. Dies gilt insbesondere für Gelpartikel, in deren Poren sich eine Flüssigkeit befindet.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird es möglich, mithilfe eines Sol-Gel-Verfahrens gebildete Gelpartikel, insbesondere Lyogel-Partikel, von einem Druckbehälter in einen weiteren Druckbehälter zu überführen, ohne dass der Druckbehälter, beispielsweise ein Autoklav, geöffnet wird, wozu zunächst Druck und Temperatur auf Umgebungswerte eingestellt und anschließend nach Überführung in einen weiteren Druckbehälter Druck und Temperatur wieder aufgebaut bzw. erhöht werden müssen.
Vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Verfahren ist, dass es nicht auf spezielle Druck- und Temperaturbereiche beschränkt ist, sondern prinzipiell bei beliebigen Verfahrensdrücken, durchgeführt werden kann; eine Beschränkung ergibt sich allein durch das Material, die Konstruktion der Vorrichtung und die Beschaffenheit der Partikel.
Durch die erfindungsgemäße Verfahrensweise wird es insbesondere möglich, verschiedene Verfahrensschritte, welche vorzugsweise bei unterschiedlichen Temperaturen und unterschiedlichen Drücken und insbesondere mit unterschiedlichen Zeitdauern durchgeführt werden, in jeweils voneinander getrennten Druckbehältern durchzuführen, so dass besonders zeit- und energiesparend und unter kontinuierlichen bzw. quasi-kontinuierlichen Bedingungen produziert werden kann.
Speziell bei der Verarbeitung von Gelpartikeln, insbesondere Lyogelpartikeln, kann beobachtet werden, dass die Partikel problemlos von einem Druckbehälter in einen weiteren überführt werden können, und zwar, ohne dass es zur Beschädigung der Partikel oder zu einem Verklumpen und Verkleben der Partikel kommt.
Es zeigt sich vielmehr, dass insbesondere Gelpartikel, welche einen hohen Anteil an Flüssigkeit aufweisen und deren Dichte in etwa der Flüssigkeit entspricht, in welcher sie in einen weiteren Druckbehälter überführt werden, während die Überführung bzw. des Transports nahezu keiner mechanischen Belastung ausgesetzt sind.
Darüber hinaus wird es durch das erfindungsgemäße Verfahren möglich, im Rahmen einer Silica-Aerogel-Herstellung, den Schritt der Lyogelbildung, welcher insbesondere bei Herstellung von runden bzw. zylinderförmigen Lyogelpartikeln schwierig einzustellen ist und den apparativ aufwendigsten Teil der Aerogelherstellung darstellt, da ein gegebenenfalls vor- oder teilgeliertes Sol in einen Druckbehälter, insbesondere einen Autoklaven, vorzugsweise in Tropfenform eindosiert und während einer Fallstrecke zu einem Gel umgesetzt wird, von weiteren apparativ weniger aufwendigen Verfahrensschritte, wie Altern, Waschen, Hydrophobieren und Trocknen, getrennt werden kann.
Insbesondere ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine deutliche Reduzierung der Prozesszeiten bzw. ermöglicht eine einfache Skalierung des Umsatzes, insbesondere des in der DE 10 2018 128 410 A1 angegebenen Verfahren zur Herstellung von Aerogelen. Sämtliche zur Herstellung von Aerogelen notwendigen Verfahrensschritte können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren parallel in mehreren Reaktoren, d.h. Druckbehältern bzw. Autoklaven, ohne zwischenzeitliche Druckentlastung ausgeführt werden. Diese ermöglicht insbesondere die Entkopplung der zeitintensiven Prozessschritte Lösemittelaustausch, Silanisierung und Trocknung, welche jeweils 15 bis 45 Minuten pro Schritt benötigen, von der Gelierung, welche nur 1 bis 5 Sekunden benötigt. Im Vergleich zu batchweise durchgeführten Produktionsprozessen, bei welchen die Produktionsmenge durch die Summe der einzelnen Prozesszeiten und das Behältervolumen limitiert ist, ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine einfache Skalierung der Produktionsmengen.
So ist es möglich, die Gelierung kontinuierlich über die Eindosierung des Sols in den Reaktor, insbesondere die Pumpleistung einer Solpumpe, zu skalieren und die nachgelagerten Prozessschritte Lösemittelaustausch, Silanisierung bzw. Hydrophobierung und Trocknung durch die Anzahl parallel geschalteter Behälter, insbesondere Autoklaven.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es insbesondere möglich, scherempfindliche Hydro- oder Lyogele unmittelbar nach der Gelierung in weitere Autoklaven zu transportieren, so dass das erzeugte Gel nicht mehr am Behälterboden gesammelt werden muss, bevor die weiteren Prozessschritte durchgeführt werden können. So ist zum Beispiel ein kontinuierliches Überströmen des Behälterbodens eines druckbeaufschlagten Autoklav mit einem vorzugsweise nicht CO₂-löslichen Fluid, wie beispielsweise Wasser, möglich. Das kontinuierliche Überströmen des Behälterbodens und die Fluidisierung der Partikel minimiert die mechanischen Kräfte auf die Partikel, da die Partikel nicht durch eine Pumpe oder ähnliches bewegt werden. Insbesondere die Wahl des Fluids ermöglicht weiterhin neben der Fluidisierung und dem Transport der Partikel gleichzeitig die Möglichkeit, die Partikel zum Beispiel zu waschen oder zu funktionalisieren, beispielsweise zu silanisieren, da durch die Konvektion im Fluid der Stofftransport erhöht wird. Die Abscheidung der Partikel in den nachgelagerten Druckbehälter bzw. Autoklaven ermöglicht weiterhin eine Variation der Prozesstemperaturen bzw. der Prozessdrücke, in dem die Autoklaven beispielsweise separat beheizt oder gekühlt werden.
Weiterhin ist es auch möglich, dass die zur Herstellung von Aerogelen notwendigen Verfahrensschritte parallel in mehreren Reaktoren, d.h. Druckbehältern bzw. Autoklaven, ohne zwischenzeitliche Druckentlastung mit jeweils unterschiedlichen Verfahrensbedingungen ausgeführt werden. Auf diese Weise können parallel Aerogele mit unterschiedlichen und auf den jeweiligen Anwendungszweck angepassten Eigenschaften hergestellt werden.
Darüber hinaus kann die Flüssigkeit, in welcher die Partikel von einem Druckbehälter in einen weiteren überführt werden, auch bereits dazu benutzt werden, um die Partikel zu funktionalisieren, insbesondere zu hydrophobieren, aber auch von Verunreinigungen zu reinigen. Auch kann durch die Flüssigkeit bereits ein Lösemittelaustausch in den Partikeln vorgenommen werden.
Unter einem Sol-Gel-Verfahren ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zu verstehen, bei welchem nichtmetallische anorganische oder organische Materialien bzw. anorganisch-organische Materialien aus kolloidalen Dispersionen, den sogenannten Solen, erhalten werden. Bei einem Sol-Gel-Verfahren werden üblicherweise aus einer kolloidalen Dispersion, dem Sol, durch Aggregation Partikel im Nanometerbereich erhalten, welche anschließend durch weitere Kondensation und Aggregation ein Gel bilden, d.h. ein dreidimensionales Netzwerk, dessen Poren mit einem Fluid gefüllt sind, wobei das Fluid entweder eine Flüssigkeit oder ein Gas ist.
Unter einem Gel ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein formbeständiges, an Flüssigkeiten oder Gasen reiches disperses System aus mindestens zwei Komponenten, die zumindest aus einem festen, kolloidal zerteilten Stoff mit langen oder weit verzweigten Teilchen, wie beispielsweise Gelatine, Kieselsäure, Montmorileonit, Bentonit, Polysacchariden, Pektinen, und einem Fluid, insbesondere einem Gas oder einer Flüssigkeit, als Dispersionsmittel bestehen. Dabei ist die feste Substanz kohärent, d.h. sie bildet im Dispersionsmittel ein räumliches Netzwerk, wobei die Teilchen durch Neben- oder Hauptvalenzen an verschiedenen Punkten, den sogenannten Haftpunkten, aneinanderhaften. Sind die Zwischenräume zwischen den Teilchen mit einer Flüssigkeit gefüllt, so liegt ein Lyogel vor. Handelt es sich bei dem Dispersionsmittel um Luft, so wird das Gel Aerogel genannt. Für weitere Einzelheiten zu dem Begriff Gel wird auf den Eintrag zum Stichwort „Gele“ in ROEMPP Chemie Lexikon, 9. erweiterte neu bearbeitete Auflage, Band 2, 1999, Seite 1511 verwiesen.
Unter einem Lyogel ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Gel, d.h. ein dreidimensionales Netzwerk zu verstehen, dessen Poren mit einer Flüssigkeit gefüllt sind. Spezialfälle des Lyogels sind das Hydrogel, bei welchem die Flüssigkeit Wasser ist oder das Alkogel, bei welchem die Flüssigkeit ein Alkohol, üblicherweise Ethanol, ist. Lyogele, welche organische Lösemittel enthalten, werden auch als Organogele bezeichnet.
Unter einem Sol ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Lösung oder eine feinteilige Dispersion, d.h. eine kolloidale Dispersion, zu verstehen.
Unter einer Lösung ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Einphasengemisch zu verstehen, in welchem ein Stoff - der gelöste Stoff - homogen verteilt in einem zweiten Stoff - dem Lösemittel - vorliegt. Unter einer Dispersion ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Zweiphasengemisch zu verstehen, bei welchem eine erste Phase, der dispergierte Stoff - auch diskontinuierliche Phase genannt - in einer zweiten Phase, dem Dispersionsmittel bzw. der kontinuierlichen Phase, fein verteilt, insbesondere homogen verteilt, vorliegt. Der Übergang von Lösung zu Dispersion ist fließend und nicht streng voneinander abzugrenzen, so können beispielsweise kolloidale Lösungen weder eindeutig den Lösungen noch den Dispersionen zugeordnet werden. Auch bei „Lösungen“ von hochpolymeren Makromolekülen ist nicht eindeutig bestimmbar, ob eine Lösung oder Dispersion vorliegt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist daher unter einem Sol vorzugsweise eine Lösung oder eine feinteilige, d.h. kolloidale Dispersion zu verstehen.
Unter einer Flüssigkeit ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Substanz oder ein Substanzgemisch im flüssigen Aggregatzustand zu verstehen. Flüssigkeiten sind insbesondere volumenbeständig und formunbeständig. Aufgrund der Volumenbeständigkeit eignen sich Flüssigkeiten im Rahmen der vorliegenden Erfindung besonders zur Überführung bzw. zum Transport von empfindlichen Partikeln. Dies gilt insbesondere für Gelpartikel, welche mit Flüssigkeiten gefüllt sind, da die Partikel in der Flüssigkeit vor plötzlich auftretenden Druckunterschieden oder Druckspitzen geschützt sind, so dass eine Beschädigung weitgehend vermieden werden kann.
Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung von Flüssigkeiten, insbesondere die Dispergierung der Partikel in der Flüssigkeit, voneinander separierte Gelpartikel nicht nur zu erhalten, sondern auch über den weiteren Verfahrensablauf beizubehalten, ohne dass diese beim Transport beispielsweise verklumpen bzw. verkleben.
Von Flüssigkeiten zu unterscheiden sind Fluide, da mit diesem Begriff sowohl Gase als auch Flüssigkeiten zu verstehen sind.
Unter einem Druckbehälter ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Behälter, zu verstehen, welcher dazu vorgesehen ist, einen höheren Druck als Normal- bzw. Umgebungsdruck auszuhalten und bei diesem betrieben zu werden. Insbesondere ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass ein Druckbehälter einen Absolutdruck von mindestens 5 bar, insbesondere mindestens 10 bar, vorzugsweise mindestens 50 bar, betrieben werden kann. Die Druckbehälter sind vorzugsweise Reaktoren, insbesondere Autoklaven.
Üblicherweise sind die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren überführten bzw. transportierten Partikel mechanisch labil, insbesondere scherempfindlich. Unter scherempfindlich ist dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verstehen, dass die Partikel unter Einwirkung von Scherkräften zerstört werden, insbesondere deformiert bzw. zerrissen oder zerquetscht werden.
Darüber hinaus ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung üblicherweise vorgesehen, dass die Partikel ein Gel aufweisen oder aus einem Gel bestehen, insbesondere Gelpartikel sind.
Besonders bevorzugt wird es im Rahmen der vorliegenden Erfindung, wenn die Partikel Lyogelpartikel, insbesondere Hydrogelpartikel, sind. Speziell bei Lyogel- oder Hydrogelpartikeln wird ein besonders stabilisierender Effekt durch Dispergierung in einer Flüssigkeit bzw. durch Überführung der Partikel von einem Druckbehälter in einen weiteren in einer Flüssigkeit beobachtet. Dies ist insbesondere darauf zurückzuführen, dass die Partikel mit einer Flüssigkeit, wie beispielsweise Wasser oder einem organischen Lösemittel, gefüllt sind und die umgebende Flüssigkeit, in welcher die Überführung vorgenommen wird, vorzugsweise nur einen geringen Dichteunterschied zu den Partikeln aufweist, so dass diese als nahezu homogener Teil der Flüssigkeit von einem Druckbehälter in den weiteren Druckbehälter überführt werden können. Darüber hinaus sind Flüssigkeiten - wie oben bereits ausgeführt - volumenstabil, d.h. durch die Anwendung eines Drucks auf die Flüssigkeit, in welcher sich die Partikel befinden bzw. in welcher die Partikel dispergiert sind, können die Partikel nicht beschädigt werden, da sie aufgrund der in den Partikeln und um die Partikel herum vorhandenen Flüssigkeiten nicht kompressibel sind. Dies ist anders als bei einer Einwirkung beispielsweise von Zellradschleusen oder anderen mechanischen Verfahren zur Überführung von Partikeln unter Druck, da hier erhebliche Kräfte, insbesondere Scherkräfte, auf die einzelnen Partikel einwirken können.
Unter dem Begriff „unter Druck“ ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verstehen, dass das Verfahren bei Überdruck, d.h. bei einem Druck höher als Umgebungsdruck, insbesondere höher als 1,013 bar durchgeführt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass die Partikel einen Feststoffanteil von höchsten 25 Gew.-%, insbesondere höchstens 20 Gew.-%, vorzugsweise höchstens 15 Gew.-%, bevorzugt höchstens 10 Gew.-%, besonders bevorzugt höchstens 8 Gew.-%, bezogen auf die Partikel, aufweisen.
Gleichermaßen kann es im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass die Partikel einen Feststoffanteil im Bereich von 1 bis 25 Gew.-%, insbesondere 2 bis 20 Gew.-%, vorzugsweise 3 bis 15 Gew.-%, bevorzugt 4 bis 10 Gew.-%, besonders bevorzugt 5 bis 8 Gew.-%, bezogen auf die Partikel, aufweisen.
Unter einem Feststoffanteil der Partikel ist dabei der Gewichtsanteil der Partikel zu verstehen, welcher nach Entfernung etwaiger Lösemittel oder Wasser und Lagerung unter Normalbedingungen zurückbleibt. Das heißt eine gewissen Adsorption und Anlagerung von Wassermolekülen bei Normaldruck und normaler Raumtemperatur ist somit möglich.
Weiterhin kann es vorgesehen sein, dass die Partikel einen Anteil von flüchtigen Bestandteilen von mindestens 75 Gew.-%, insbesondere mindestens 80 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 85 Gew.-%, bevorzugt mindestens 90 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 92 Gew.-%, bezogen auf die Partikel, aufweisen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann es insbesondere auch vorgesehen sein, dass die Partikel einen Anteil an flüchtigen Bestandteilen im Bereich von 75 bis 99,5 Gew.-%, insbesondere 80 bis 99 Gew.-%, vorzugsweise 85 bis 98 Gew.-%, bevorzugt 90 bis 97 Gew.-%, besonders bevorzugt 92 bis 96 Gew.-%, bezogen auf die Partikel, aufweisen.
Unter flüchtigen Bestandteilen sind dabei insbesondere Flüssigkeiten zu verstehen, welche speziell bei Gelpartikeln wieder aus den Partikeln entfernt werden können, insbesondere durch Trocknungsprozesse. Insbesondere bei der Aerogelsynthese über Sol-Gel-Verfahren werden Hydrogel- oder Lyogelpartikel erhalten, welche einen hohen Anteil an flüchtigen Bestandteilen in Form von Wasser - Hydrogele - oder organischen Lösemitteln - Organogele - enthalten. Vorzugsweise handelt es sich bei den flüchtigen Bestandteilen um Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, organische Lösemittel oder deren Mischungen. Durch den hohen Anteil an flüchtigen Bestandteilen, insbesondere Flüssigkeiten, in den Partikeln sind diese nicht kompressibel und werden bei Einbringung in eine Flüssigkeit, insbesondere bei Dispersion in einer Flüssigkeit, vor Einwirkung von Scherkräften geschützt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das erfindungsgemäße Verfahren derart durchgeführt, dass

(i) in einem ersten Verfahrensschritt Partikel, insbesondere Gelpartikel, in eine Flüssigkeit eingebracht, insbesondere dispergiert werden, und
(ii) in einem nachfolgenden zweiten Verfahrensschritt die Partikel in der Flüssigkeit von einem ersten Druckbehälter in mindestens einem zweiten Druckbehälter überführt werden.

Für diese bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gelten alle zuvor im Zusammenhang mit weiteren Ausführungsformen genannten Vorteile, Besonderheiten und Merkmale in entsprechender Weise.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es üblicherweise vorgesehen, dass der Druck mittels eines komprimierten Gases und/oder eines überkritischen Stoffes erzeugt wird.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann daher der Druck in dem ersten Druckbehälter und/oder in einem zweiten Druckbehälter durch Einleitung eines komprimierten Gases und/oder eines überkritischen Stoffes erzeugt werden. Auf diese Weise ist sehr einfach eine Anpassung bzw. Einstellung und Änderung des Druckes in dem Druckbehälter möglich.
In diesem Zusammenhang kann es gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass das komprimierte Gas und/oder der überkritische Stoff als Prozessmedium eingesetzt wird. Dies gilt insbesondere für die Herstellung von Gelpartikeln mittels Sol-Gel-Synthese aus Silica-Precursorsolen. Hier kann beispielsweise durch Einstellung eines pH-Werts im schwach basischen oder neutralen Bereich für das Precursorsol durch die Verwendung von komprimierten Kohlendioxid oder überkritischem Kohlendioxid eine pH-Wertverschiebung in dem Sol - hin zu einem sauren pH-Wert - erzeugt werden, was zu einer instantanen Gelierung führt. Auf diese Weise können unmittelbar nach Einbringung des Sols in den Reaktor bzw. Druckbehälter Gelpartikel gebildet werden, insbesondere Lyogelpartikel, vorzugsweise Hydrogelpartikel.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es gleichermaßen üblicherweise vorgesehen, dass der Druck auf Werte über 10 bar, insbesondere über 30 bar, vorzugsweise über 40 bar, bevorzugt über 50 bar, besonders bevorzugt über 60 bar, ganz besonders bevorzugt über 70 bar, insbesondere bevorzugt über 73 bar, speziell bevorzugt über 80 bar, eingestellt wird.
Dies gilt insbesondere für die Überführung der Partikel von dem ersten Druckbehälter in mindestens einen zweiten Druckbehälter. In diesem Zusammenhang kann es gleichermaßen vorgesehen sein, dass auch der Druck in den Druckbehältern in den vorgenannten Druckbereichen eingestellt wird.
Gleichermaßen kann es vorgesehen sein, dass der Druck auf Werte in einem Bereich von 10 bis 250 bar, insbesondere 30 bis 240 bar, vorzugsweise 40 bis 230 bar, bevorzugt 50 bis 220 bar, besonders bevorzugt 60 bis 200 bar, ganz besonders bevorzugt 70 bis 190 bar, insbesondere bevorzugt 73 bis 180 bar, speziell bevorzugt 80 bis 170 bar, im Besonderen bevorzugt 100 bis 150 bar, eingestellt wird.
Auch hier gilt wiederum, dass diese Druckbereiche während der Überführung von dem ersten in den mindestens einen zweiten Druckbehälter eingestellt werden können bzw. dass die Druckbereiche auch in den jeweiligen Druckbehältern eingestellt werden bzw. diese Werte betragen.
Was nun die Temperatur anbelangt, welche in den Druckbehältern und/oder während der Überführung eingestellt wird, so kann diese naturgemäß in weiten Bereichen variieren. Es hat sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedoch bewährt, wenn die Temperatur auf Werte über 30 °C, insbesondere über 40 °C, vorzugsweise über 50 °C, bevorzugt über 60 °C, eingestellt wird.
Gleichermaßen kann es vorgesehen sein, dass die Temperatur in einem Bereich von 30 bis 200 °C, insbesondere 40 bis 190 °C, vorzugsweise 50 bis 180 °C, bevorzugt 60 bis 160 °C, eingestellt wird.
Bei Temperaturen in den vorgenannten Bereichen lässt sich oftmals eine deutliche Beschleunigung ablaufender chemischer Reaktionen, wie beispielsweise einer Gelierung oder auch einer Funktionalisierung, insbesondere einer Hydrophobierung, der Partikel erreichen.
Was nun das Gas oder den überkritischen Stoff anbelangt, so kann dies bzw. dieser gleichfalls aus einer Vielzahl von Stoffen ausgewählt werden. Üblicherweise ist das Gas oder der überkritische Stoff jedoch ausgewählt aus der Gruppe von Kohlenstoffdioxid, Inertgasen und deren Mischungen. Unter einem Inertgas ist dabei ein Gas zu verstehen, welches im Rahmen der gewählten Prozessbedingungen nicht mit den weiteren Komponenten in den Druckbehältern chemisch reagiert.
In diesem Zusammenhang kann es weiterhin vorgesehen sein, dass das Gas oder der überkritische Stoff ausgewählt aus der Gruppe von Kohlenstoffdioxid, Stickstoff, Edelgasen und deren Mischungen. Besonders bevorzugt wird es, wenn das Gas und/oder der überkritische Stoff ausgewählt ist aus der Gruppe von Kohlenstoffdioxid, Stickstoff, Argon, Xenon und deren Mischungen, wobei besonders bevorzugt das Gas oder der überkritische Stoff ausgewählt ist aus der Gruppe von Kohlenstoffdioxid, Stickstoff, Xenon und deren Mischungen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat es sich jedoch als besonders günstig erwiesen, wenn das Gas oder der überkritische Stoff ausgewählt ist aus der Gruppe von Kohlenstoffdioxid, Stickstoff und deren Mischungen. Ganz besonders bevorzugt ist das Gas oder der überkritische Stoff Kohlenstoffdioxid.
Was nun die Flüssigkeit anbelangt, in welcher die Partikel von dem ersten Druckbehälter in den zweiten überführt werden, so ist hier auch eine Vielzahl chemischer Stoffe und deren Mischungen denkbar.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat es sich jedoch bewährt, wenn die Flüssigkeit einen Stoff ausgewählt aus der Gruppe von Wasser, organischen Lösemitteln und deren Mischungen enthält oder hieraus besteht. Insbesondere werden besonders gute Ergebnisse erhalten, wenn die Flüssigkeit einen Stoff ausgewählt aus der Gruppe von Wasser, Alkoholen, insbesondere Methanol, Ethanol, 1-Propanol, 2-Propanol, Butanol, Aceton, N,N-Dimethylformamid, Dimethylsulfoxid und deren Mischungen enthält oder hieraus besteht.
Unter einem Stoff ist dabei eine definierte chemische Verbindung zu verstehen. Gleichermaßen kann es im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass die Flüssigkeit einen Stoff ausgewählt aus der Gruppe von Wasser, Alkoholen, insbesondere Methanol, Ethanol, 2-Propanol, und deren Mischungen enthält oder hieraus besteht. Ganz besonders gute Ergebnisse werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung erhalten, wenn die Flüssigkeit einen Stoff ausgewählt aus der Gruppe von Wasser, Methanol, Ethanol und deren Mischungen enthält oder hieraus besteht. Hierbei werden besonders gute Ergebnisse erhalten, wenn die Flüssigkeit einen Stoff ausgewählt aus der Gruppe von Wasser, Ethanol und deren Mischungen enthält oder hieraus besteht. Vorzugsweise besteht die Flüssigkeit aus den vorgenannten Stoffen oder deren Mischungen.
Darüber hinaus wird es im Rahmen der Erfindung bevorzugt, wenn die Partikel eine ähnliche Dichte aufweisen wie die Flüssigkeit, in welcher sie überführt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die Partikel in dem ersten Druckbehälter gebildet.
Dies gilt insbesondere für die Herstellung von Aerogelpartikeln mittels Sol-Gel-Verfahren, bei welchen in einem ersten Schritt aus einem Silica-Sol Lyogelpartikel, insbesondere Hydrogelpartikel, gebildet werden. Hier kann speziell durch die Anwendung hoher Drücke und die Verwendung von Kohlenstoffdioxid als Prozessmedium eine deutliche Beschleunigung der Gelierung erreicht werden, so dass es möglich ist, nahezu kugelförmige oder auch zylindrische Lyogelpartikel durch definiertes Eintropfen in einen Druckbehälter, insbesondere einen Autoklaven, zu erzielen.
Üblicherweise ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass der erste Druckbehälter mehrere Bereiche oder Abschnitte aufweist. Insbesondere kann es hierbei vorgesehen sein, dass der erste Druckbehälter einen Auffang- und/oder Sammelabschnitt aufweist.
Hierbei kann es vorgesehen sein, dass der Auffang- und/oder Sammelabschnitt maximal die Hälfte, vorzugsweise maximal ein Drittel, insbesondere maximal ein Viertel der Gesamthöhe des ersten Druckbehälters umfasst und sich vorzugsweise in einen unteren Bereich des Druckbehälters befindet bzw. diesen bildet. Der Auffang- und/oder Sammelabschnitt dient insbesondere dem Sammeln der Partikel und/oder dem Einbringen der Partikel in die Flüssigkeit.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, ist es nun vorgesehen, dass sich die Flüssigkeit in dem Auffang- und/oder Sammelabschnitt des ersten Druckbehälters befindet. Die Füllhöhe der Flüssigkeit hängt dabei von deren jeweiligen Verfahrensparametern ab und kann beispielsweise ein Viertel der Gesamthöhe des Druckbehälters betragen oder auch nur eine dünne Flüssigkeitsschicht über dem Boden des Druckbehälters, d.h. des Kolonnenbodens, bilden.
Das heißt im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die Gelpartikel beispielsweise aus oder durch einen ersten Abschnitt, beispielsweise einen Gelbildungsabschnitt, des ersten Druckbehälters, insbesondere eines Autoklaven, in den Auffang- und/oder Sammelabschnitt gelangen bzw. transportiert werden, insbesondere durch Einwirkung der Schwerkraft. Beispielsweise können die Gelpartikel durch Eintropfen in den oberen Abschnitt bzw. Bereich des Druckbehälters eines Silica-Sols in den ersten, vorzugweise oberen, Abschnitt- bzw. Bereich des Reaktors bzw. Druckbehälters gebildet werden und fallen dann unter Einwirken der Schwerkraft in die Flüssigkeit in den Auffang- und/oder Sammelabschnitt, vorzugsweise unteren Bereich oder Abschnitt, des Druckbehälters.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann es nun vorgesehen sein, dass die Partikel in der Flüssigkeit kontinuierlich oder diskontinuierlich von dem ersten Druckbehälter in den zweiten Druckbehälter überführt werden. Unter einer kontinuierlichen Überführung ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere zu verstehen, dass die Partikel nicht in dem ersten Druckbehälter gesammelt und dann kollektiv bzw. in Gruppen in den zweiten Druckbehälter überführt werden, sondern dass ein andauernder und vorzugsweise - relativ - konstanter Stoffaustausch mit dem zweiten Druckbehälter vorliegt, durch welchen die Partikel ständig aus dem ersten Druckbehälter in den zweiten überführt werden.
Gemäß der alternativen und gleichermaßen bevorzugten diskontinuierlichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die Partikel in der Flüssigkeit in dem ersten Druckbehälter, insbesondere in dem Auffang- und/oder Sammelabschnitt, gesammelt und nachfolgend in der Flüssigkeit in den zweiten Druckbehälter überführt. Gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die Partikel gemeinsam bzw. in Gruppen von dem ersten Druckbehälter in den zweiten Druckbehälter überführt. Ein Sammeln der Partikel in dem ersten Druckbehälter hat insbesondere den Vorteil, dass die Partikel in der Flüssigkeit chemisch funktionalisiert, beispielsweise hydrophobiert, werden können oder, was beispielsweise vorteilhaft bei der Aerogelherstellung ist, bereits in der Flüssigkeit altern können.
Gemäß dieser diskontinuierlichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann es insbesondere auch vorgesehen sein, dass Flüssigkeiten mindestens einmal, vorzugsweise mindestens zweimal, bevorzugt mindestens dreimal, ausgetauscht wird, bevor die Partikel von dem ersten Druckbehälter in den zweiten Druckbehälter überführt werden. Durch einen Lösemittelaustausch können die Partikel auf nachfolgende Alterung oder weitere chemische Modifikationen oder Trocknungsschritte gezielt vorbereitet werden. Auch ist ein Waschen der Partikel möglich, um diese von Verunreinigungen, wie beispielsweise Salzen, zu befreien.
Bei einem mehrmaligen Austausch der Flüssigkeit kann jeweils die gleiche Flüssigkeit verwendet werden oder unterschiedliche Flüssigkeiten.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann es weiterhin vorgesehen sein, dass die Flüssigkeit mindestens ein Funktionalisierungsmittel, insbesondere Hydrophobierungsmittel und/oder ein Additiv, aufweist.
Ein Funktionalisierungsmittel ist in der Flüssigkeit vorzugsweise dann enthalten, wenn die Partikel zunächst gesammelt und anschließend gemeinsam bzw. in Gruppen von dem ersten in den zweiten Druckbehälter überführt werden.
Unter einem Funktionalisierungsmittel ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein chemischer Stoff oder eine Mischung chemischer Stoffe zu verstehen, die zu einer Änderung der chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften der Partikel führen.
Was nun die Menge an Funktionalisierungsmittel in der Flüssigkeit anbelangt, so kann diese in weiten Bereichen variieren.
Üblicherweise weist die Flüssigkeit das Funktionalisierungsmittel jedoch in Mengen von 0,01 bis 50 Gewichtsteilen, insbesondere 0,1 bis 40 Gewichtsteilen, vorzugsweise 0,5 bis 30 Gewichtsteilen, bevorzugt 1 bis 25 Gewichtsteilen, bezogen auf 100 Gewichtsteile Flüssigkeit, auf.
Wenn die Flüssigkeit ein Additiv aufweist, so weist die Flüssigkeit das Additiv üblicherweise in Mengen von 0,01 bis 10 Gewichtsteilen, insbesondere 0,05 bis 5 Gewichtsteilen, vorzugsweise 0,1 bis 3 Gewichtsteilen, bevorzugt 0,5 bis 2,5 Gewichtsteilen, bezogen auf 100 Gewichtsteile Flüssigkeit, auf.
Was nun die Überführung der Partikel in der Flüssigkeit von dem ersten in den zweiten Druckbehälter anbelangt, so ist hier eine Vielzahl von Möglichkeiten realisierbar. Es hat sich jedoch bewährt, wenn die Partikel mittels Pumpen, mittels einer Hochdruckpumpe, oder mittels eines Druckunterschieds von dem ersten Druckbehälter in den zweiten Druckbehälter überführt werden.
Auf besonders einfache und elegante Art ist die Überführung der Partikel von dem ersten Druckbehälter in den zweiten Druckbehälter möglich, wenn in dem ersten Druckbehälter ein höherer Druck aufgebaut wird als in dem zweiten Druckbehälter, so dass die Flüssigkeit entweder kontinuierlich oder auch diskontinuierlich, insbesondere batchweise, von dem ersten Druckbehälter in den zweiten Druckbehälter durch den Druckunterschied überführt wird.
Vorzugsweise beträgt der Druckunterschied zwischen dem ersten Druckbehälter und dem zweiten Druckbehälter mindestens 0,5 bar, insbesondere 1 bar, vorzugsweise 2 bar.
Alternativ ist es beispielsweise auch möglich, dass durch eine Hochdruckpumpe mit einem hohen Schlupf eine Überführung der Partikel vorgenommen wird. Bei Verwendung von Hochdruckpumpen ist ein hoher Schlupf notwendig, da andernfalls eine Beschädigung der Partikel möglich und auch zu erwarten ist.
Besonders gute Ergebnisse werden erhalten, wenn der Boden bzw. der untere Teil des ersten Druckbehälters eine Neigung aufweist, insbesondere in Form einer schiefen Ebene ausgebildet ist, so dass ein rückstandsfreies Entfernen der Partikel aus dem ersten Druckbehälter und eine vereinfachte Überführung in den zweiten Druckbehälter begünstigt wird.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann es auch vorgesehen sein, dass ein Auffang- und/oder Sammelabschnitt, vorzugsweise ein unterer Abschnitt, insbesondere der Boden, des ersten Druckbehälters mit der Flüssigkeit durchströmt oder überströmt wird. Ein Durchströmen des ersten Druckbehälters mit der Flüssigkeit ermöglicht eine kontinuierliche Entfernung der Partikel aus dem ersten Druckbehälter und Überführung in den zweiten Druckbehälter, wobei hier speziell in besonders hohem Maße ein Verklumpen bzw. Verkleben der Partikel verhindert werden kann.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es insbesondere vorgesehen, dass die Partikel über eine Leitung, insbesondere eine Rohrleitung, von dem ersten Druckbehälter in den zweiten Druckbehälter überführt werden. Auch in diesem Zusammenhang kann es wieder vorgesehen sein, dass die Rohrleitung eine Neigung aufweist und zwar vorzugsweise von dem ersten Druckbehälter in Richtung des zweiten Druckbehälter, so dass die Partikel auch mit Unterstützung der Schwerkraft von dem ersten Druckbehälter in den ersten Druckbehälter überführt werden.
Weiterhin kann es im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass der erste Druckbehälter und der zweite Druckbehälter lösbar miteinander verbunden sind, insbesondere über eine Schleuse. Auf diese Weise ist bei stark unterschiedlichen Zeitdauern der einzelnen Verfahrensschritte ein Wechsel der Druckbehälter möglich, so dass die Gesamtzahl der Behälter, die zur Herstellung einer vorbestimmten Menge eines Produkts benötigt wird, minimiert wird.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann es vorgesehen sein, dass Partikel in dem zweiten Druckbehälter von der Flüssigkeit getrennt werden. Eine Trennung der Flüssigkeit bedeutet hierbei lediglich, dass die Partikel von der Flüssigkeit, in der sie von dem ersten Druckbehälter in den zweiten Druckbehälter überführt werden, getrennt werden. So kann beispielsweise die Flüssigkeit im zweiten Druckbehälter abgelassen werden, beispielsweise durch einen Auslass und anschließend eine weitere Flüssigkeit, insbesondere ein organisches Lösemittel, eingeführt werden. Auf diese Weise ist beispielsweise ein Lösemittelaustausch möglich. Auch können der weiteren Flüssigkeit reaktive Substanzen wie beispielsweise Hydrophobierungsmittel zugesetzt werden, um eine Funktionalisierung der Partikel zu erzielen.
In diesem Zusammenhang kann es vorgesehen sein, dass die Partikel fraktioniert und/oder klassiert von der Flüssigkeit getrennt werden. Es kann somit vorgesehen sein, dass die Partikel direkt nach Größenklassen sortiert bzw. klassiert werden und anschließend getrennt weiterverarbeitet werden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann es weiterhin vorgesehen sein, dass die Partikel mit Filtern und/oder Vliesen, vorzugsweise Filtervliesen von der Flüssigkeit getrennt werden.
Eine Trennung der Flüssigkeit von den Partikeln mittels Filtern ist insbesondere immer dann vorteilhaft, wenn entweder die Partikel direkt klassiert werden sollen oder wenn eine kontinuierliche Überführung der Partikel in der Flüssigkeit von der ersten in den zweiten Druckbehälter erfolgt. Gerade für die kontinuierliche Überführung der Partikel von dem ersten Druckbehälter in den zweiten Druckbehälter muss eine Möglichkeit vorgesehen sein, um die Partikel wieder von der Flüssigkeit zu trennen, da die Flüssigkeit üblicherweise nur einen geringen Volumenanteil an Partikeln enthält.
Vorzugsweise ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass die Flüssigkeit nach Abtrennung der Partikel wieder in den ersten Druckbehälter zurückgeführt wird, gegebenenfalls nach vorheriger Reinigung. Ein derartiges Kreislaufsystem ist speziell bei einer kontinuierlichen Entfernung der Partikel aus dem ersten Druckbehälter und Überführung in den zweiten Druckbehälter vorteilhaft, um den Ressourcenverbrauch, insbesondere den Flüssigkeitsverbrauch, zu begrenzen. Vorzugsweise erfolgt im Zuge der Rückführung der Flüssigkeit in den ersten Druckbehälter zunächst eine Reinigung, insbesondere eine Filtrierung, um besonders feine Anteile an Partikeln, welche in der Flüssigkeit noch enthalten sein sollten, abzutrennen werden können und nicht gegebenenfalls nachgelagerte Pumpen beschädigen. Diese Anteile an besonders feinen Partikelfraktionen können oftmals noch als Wertstoff genutzt oder weiterverarbeitet werden. Gleichfalls kann es auch vorgesehen sein, dass die Flüssigkeit gereinigt wird, insbesondere in einem Reinigungsschritt gereinigt wird, beispielsweise derart, dass mitgeschleppte Salze oder andere chemische Umsetzungsprodukte wieder aus der Flüssigkeit entfernt werden. Die Flüssigkeit kann vor der Rückführung in den ersten Druckbehälter auch in einem oder mehreren Behältern zwischengelagert werden ehe sie wieder in den ersten Druckbehälter zurückgeführt wird.
Wie zuvor dargelegt, wird das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise im Rahmen einer kontinuierlichen oder quasi-kontinuierlichen Aerogelsynthese durchgefü h rt.
Es zeigen die Figurendarstellungen gemäß

1 eine Vorrichtung zur diskontinuierlichen Überführung von Partikeln aus einem ersten Druckbehälter in einen zweiten Druckbehälter, wobei die Partikel sich im ersten Druckbehälter befinden,
2 eine Vorrichtung zur diskontinuierlichen Überführung von Partikeln aus einem ersten Druckbehälter in einen zweiten Druckbehälter nach Überführung der Partikel in den zweiten Drucjbehälter, und
3 eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Überführung von Partikeln.

Weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung - gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung - ist somit ein Verfahren zur kontinuierlichen oder quasi-kontinuierlichen Herstellung von Aerogelen mittels eines Sol-Gel-Verfahrens, wobei zunächst aus einem Sol oder mehreren Solen ein Lyogel hergestellt und das Lyogel anschließend zu einem Aerogel weiterverarbeitet wird und wobei die Bildung des Lyogels und/oder die Weiterverarbeitung des Lyogel zu einem Aerogel zumindest teilweise unter einem Druck von mehr als 1 bar in einem ersten Druckbehälter durchgeführt wird, wobei die Lyogelpartikel in einer Flüssigkeit unter Druck aus einem ersten Druckbehälter in einen zweiten Druckbehälter überführt werden, vorzugsweise gemäß einem zuvor beschriebenen Verfahren.
Für diesen Aspekt der vorliegenden Erfindung gelten alle zuvor genannten Merkmale, Ausführungsformen, Vorteile und Besonderheiten, die zuvor für die Überführung bzw. den Transport der Partikel unter Druck genannt sind, in entsprechender Weise.
In Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es üblicherweise vorgesehen, dass bereits die Bildung des Lyogels aus einem oder mehreren Solen unter Druck in einem ersten Druckbehälter erfolgt. Alternativ kann es jedoch auch vorgesehen sein, dass
Die Bildung des Lyogels drucklos, d.h. bei Normal- und/oder Umgebungsdruck, insbesondere in einem Reaktor, erfolgt und die Lyogelpartikel nach ihrer Bildung in einen ersten Druckbehälter überführt werden. Die Lyogelpartikel können dabei gleichfalls in einer Flüssigkeit von dem Reaktor in den ersten Druckbehälter überführt werden.
Vorzugsweise wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Lyogelbildung durch eine pH-Wertverschiebung des Sols oder der Sole, insbesondere des Precursorsols bzw. der Precursorsole, erreicht. Durch eine gezielte und genau abgestimmte pH-Verschiebung des Sols ist es möglich, eine nahezu instantane Gelierung, zu bewirken. Vorzugsweise beträgt die Gelbildungszeit im Rahmen der vorliegenden Erfindung 0,1 bis 60 Sekunden, insbesondere 0,2 bis 30 Sekunden, insbesondere 0,2 bis 10 Sekunden, bevorzugt 0,3 bis 5 Sekunden, besonders bevorzugt 0,3 bis 3 Sekunden. Auf diese Weise kann beispielsweise durch Eintropfen oder Eindüsen des Sols in den Reaktor ein kugel- oder zylinderförmiges gleichmäßig geformtes Aerogel mit homogener Partikelgrößenverteilung erhalten werden, welches rasch und unkompliziert herstellbar ist.
Die pH-Verschiebung kann dabei insbesondere durch Mischen bzw. Umsetzen eines sauren oder basischen Precusorsols, insbesondere eines Silica-Sols, mit einer sauren oder basischen Lösung oder Dispersion zur Verschiebung des pH-Werts, insbesondere mindestens einem weiteren Precursorsol, insbesondere Silica-Sol, umgesetzt werden. Alternativ ist es auch möglich, saure oder basische Precursorlösungen in einen Reaktor, insbesondere einen ersten Druckbehälter, einzutropfen, welche durch Reaktionen mit einem sauren oder basischen Prozessmedium, wie beispielsweise Kohlendioxid oder gasförmigem Ammoniak, unter einer pH-Wert-Änderung reagieren, wodurch gleichfalls eine instantane Gelbildung erfolgt.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des Lyogels aus einem Sol, insbesondere einem Precursor-Sol, d. h. einer Lösung oder Dispersion eines Precursors, lässt nahezu instantan ein formstabiles Gel herstellen. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise durch Eindüsen oder Eintropfen eines Sols in einen Reaktor, insbesondere einen Druckbehälter, beispielsweise einen Autoklaven, Lyogelpartikel und schlussendlich auch Aerogelpartikel erhalten, welche in ihrer äußeren Gestalt den in den Autoklaven eingebrachten Tropfen entsprechen. Dies bedeutet, dass in dem erfindungsgemäßen Verfahren nahezu sphärische bzw. zylindrische Aerogele, insbesondere Silica-Aerogele, zugänglich sind.
Eine maßgebliche Schwierigkeit bzw. Herausforderung in der Herstellung von Aerogelen besteht insbesondere darin, gleichförmige, einheitliche sowie strukturell homogen ausgeprägte Partikel zu erzeugen. Mit der erfindungsgemäßen Verfahrensweise, welche vorzugsweise von einer gezielten pH-Wertverschiebung beruht, kann diese Schwierigkeit zuverlässig überwunden werden. So erlaubt beispielsweise die gezielte Einbringung eines Precursorsols in einen Druckbehälter, welcher mit einem zur pH-Wertverschiebung geeigneten Prozessmedium, wie Kohlenstoffdioxid, gefüllt ist, oder die kontrollierte Dosierung bzw. Mischung von Precursorsolen mit unterschiedlichen pH-Werten es insbesondere, die Gelierung zeitlich so abzustimmen, dass eine instante bzw. zeitlich genau einstellbare Gelierung gewährleistet ist. Gleichfalls wird es im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich, die Gelbildung so zu steuern, dass ein stabiles Gel, insbesondere in Form sphärischer oder zylinderförmiger Gelpartikel, erhalten werden kann, wobei diese Partikel dann weiter zu, insbesondere sphärischen oder zylinderförmigen, Aerogelpartikeln umgesetzt werden können.
Hierbei ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren insbesondere auch möglich die Größe der Lyogelpartikel bzw. deren Partikelgrößenverteilung gezielt zu beeinflussen bzw. einzustellen. Insbesondere durch Steuerung der Gelierzeit bzw. der Dauer der Gelbildung und der Art und Weise, wie die Precursorsole in einen Reaktor, insbesondere einen Druckbehälter eingebracht, oder zunächst miteinander gemischt und unmittelbar darauf in die erfindungsgemäße Reaktionsvorrichtung eingebracht werden, wird eine gerichtete Erzeugung von Lyogelpartikeln mit definierter Form und Größe möglich. Speziell durch die Auswahl der Düse zur Erbringung des Sols und die Tropfgeschwindigkeit können Form und Größe der Gelpartikel gezielt eingestellt werden.
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlichen, insbesondere sphärischen oder zylinderförmigen, Aerogelpartikel zeichnen sich gegenüber bekannten Aerogelen des Standes der Technik, welche überwiegend ungleichmäßig geformt bzw. kubisch sind, durch eine bessere Fließfähigkeit, höhere Festigkeit bei uniaxialer Druckbelastung sowie eine optimalere Packungsdichte aus, was insbesondere auf die gleichmäßige sphärische bzw. zylindrische Form zurückgeführt werden kann.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann die Verfahrensdauer für die Herstellung von Silica-Aerogelen von der Gelbildung bis zum Trocknungsabschluss - wobei alle Verfahrensschritte, ggf. mit Ausnahme der Lyogelbildung unter erhöhtem Druck, insbesondere bei Drücken von mehr als 30 bar durchgeführt werden - auf Zeiten von 1 bis 2 Stunden, insbesondere weniger als 1,5 Stunden reduziert werden. Dies ist eine beträchtliche Zeiteinsparung gegenüber dem Stand der Technik und ermöglicht somit eine kontinuierliche bzw. quasi-kontinuierliche Herstellung von Aerogelen.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren können neben den Prozesszeiten durch die schnellere Produktion auch Kosten deutlich gesenkt werden, wodurch in industriellem Umfeld weitere Anwendungsbereiche für Aerogele erschlossen werden. Durch die Überführung bzw. den Transport der Partikel unter Druck von einen Druckbehälter in einen weiteren, insbesondere von einem Autoklaven in einen weiteren Autoklaven, lässt sich der Durchsatz deutlich erhöhen, da die Menge der notwendigen Druckbehälter an die jeweiligen Verfahrensdauern angepasst werden kann. Hierdurch ist eine ressourcenschonende Beschleunigung und ein Up-Scaling der Aerogelherstellung möglich.
Durch die nahezu instantane, d. h. sofortige Gelbildung ist es auch möglich, sowohl die Partikelgröße als auch die Partikelgrößenverteilung der erhaltenen Lyogelpartikel und somit auch der Aerogelpartikel gezielt einzustellen.
Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren, insbesondere die Lyogelbildung, in einer unter Druck stehenden Atmosphäre und/oder einem unter Druck stehenden Prozessmedium, insbesondere einem verdichteten Gas oder einem überkritischen Stoff oder Stoffgemisch, durchgeführt. Als Prozessmedium werden insbesondere Kohlenstoffdioxid und/oder Inertgase, insbesondere Stickstoff und/oder Argon, gegebenenfalls in Kombination mit weiteren Gasen bzw. Stoffen, eingesetzt. Bewährt hat es sich insbesondere, wenn Kohlenstoffdioxid und/oder Stickstoff, gegebenenfalls in Kombination mit weiteren Gasen bzw. Stoffen eingesetzt werden. Üblicherweise werden Kohlenstoffdioxid, Mischungen aus Kohlenstoffdioxid und Stickstoff oder Mischungen aus Stickstoff und Ammoniak als Prozessmedium eingesetzt.
Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren bei einem Druck von mehr als 2 bar, insbesondere mehr 5 bar, vorzugsweise mehr als 10 bar, bevorzugt mehr als 20 bar, durchgeführt.
Gleichermaßen kann es im Rahmen dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass das Verfahren bei einem Druck zwischen 2 und 300 bar, insbesondere im Bereich von 5 bis 250 bar, vorzugsweise im Bereich von 10 bis 200 bar, bevorzugt im Bereich von 20 bis 180 bar, durchgeführt wird.
Hierbei wird es insbesondere bevorzugt, wenn der Druck mit Ausnahme der Lyogelbildung in allen Verfahrensschritten bzw. -phasen auf Werte von mehr 20 bar, insbesondere mehr als 40 bar, insbesondere mehr als 50 bar, vorzugsweise mehr als 60 bar, bevorzugt mehr als 70 bar, besonders bevorzugt mehr als 74 bar, eingestellt wird.
Gleichermaßen wird im Rahmen dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bevorzugt, wenn der Druck mit Ausnahme der Lyogelbildung in allen Verfahrensschritten bzw. -phasen auf Werte zwischen 20 und 300 bar, insbesondere im Bereich von 40 bis 250 bar, vorzugsweise im Bereich von 50 bis 200 bar, bevorzugt im Bereich von 60 bis 180 bar, besonders bevorzugt im Bereich von 70 bis 160 bar, besonders bevorzugt im Bereich von 74 bis 150 bar, eingestellt wird.
Wenn im Rahmen der vorliegenden Erfindung, die Gelbildung über eine Reaktion mit dem Prozessmedium bzw. der Atmosphäre erzielt wird, werden besonders gute Ergebnisse erhalten, wenn die Bildung des Lyogels in verdichtetem Kohlenstoffdioxid, insbesondere überkritischem Kohlenstoffdioxid, durchgeführt wird. Die Verwendung von überkritischem Kohlenstoffdioxid hat insbesondere den Vorteil, dass auf ein Ansäuern des Sols zur Initiierung der Gelbildung bei der Herstellung von Silica-Aerogelen verzichtet werden kann und dem Sol auch keine anderweitigen Elektrolyte zugegeben werden müssen, welche anschließend wieder zu entfernen wären. Eine Initiierung der Gelbildung durch eine Verschiebung des pH-Werts kann auch durch die Verwendung von Mischungen aus Stickstoff oder Argon mit Ammoniak erreicht werden, wobei in diesem Fall das Sol vorzugsweise einen pH-Wert im sauren Bereich aufweist.
Was nun den Druck anbelangt, mit welchem eine Gelbildung durch Reaktion mit dem Prozessmedium bzw. der Atmosphäre bewirkt wird, so kann dieser naturgemäß in weiten Bereichen variieren. Es hat sich jedoch bewährt, wenn der Druck mehr als 20 bar, insbesondere mehr als 40 bar, vorzugsweise mehr als 60 bar, bevorzugt mehr als 70 bar, besonders bevorzugt mehr als 74 bar, beträgt.
Gleichermaßen kann es im Rahmen dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass der Druck zwischen 20 und 300 bar, insbesondere im Bereich von 40 bis 250 bar, vorzugsweise im Bereich von 50 bis 200 bar, bevorzugt im Bereich von 60 bis 180 bar, besonders bevorzugt im Bereich von 70 bis 160 bar, besonders bevorzugt im Bereich von 74 bis 150 bar, eingestellt wird.
Vorzugsweise wird somit gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das gesamte Verfahren bei den zuvor genannten Drücken durchgeführt.
Wird die Lyogelbildung insbesondere durch Mischen von zwei Flüssigkeiten, insbesondere zwei Precursorsolen, mit unterschiedlichen pH-Werten, bewirkt, so wird die Lyogelbildung vorzugsweise bei Drücken von weniger als 40 bar, insbesondere weniger als 30 bar, vorzugsweise weniger als 40 bar, insbesondere weniger als 10 bar durchgeführt. Noch weiter bevorzugt wird es im Rahmen dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wenn die Bildung des Lyogels bei einem Druck in einem Bereich von 1 bis 40 bar, insbesondere 1 bis 30 bar, vorzugsweise 1 bis 20 bar, bevorzugt 2 bis 10 bar, durchgeführt wird. Wenn die Lyogelbildung drucklos oder nahezu drucklos erfolgt, ist es üblicherweise vorgesehen, dass die Lyogelpartikel erst nach ihrer Bildung in einen ersten Druckbehälter überführt werden, in welchem sie dann weiterverarbeitet und in einen zweiten Druckbehälter überführt werden können.
Die vorgenannten bevorzugten Drücke bzw. Druckbereiche sind dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung als absolute Drücke bzw. Druckbereiche zu verstehen.
Besonders gute Ergebnisse werden darüber hinaus erhalten, wenn die Herstellung des Lyogels bei erhöhter Temperatur erfolgt. In diesem Zusammenhang hat es sich bewährt, wenn die Herstellung des Lyogels bei Temperaturen oberhalb von 50 °C, vorzugsweise 70 °C, bevorzugt 80 °C, durchgeführt wird.
Gleichermaßen kann es vorgesehen sein, dass die Herstellung des Lyogels bei Temperaturen im Bereich von 50 bis 200 °C, insbesondere 60 bis 180 °C, vorzugsweise 70 bis 160 °C, bevorzugt 80 bis 140 °C, durchgeführt wird.
Bei den zuvor genannten Drücken und Temperaturen lässt sich eine besonders rasche Gelbildung erreichen, wodurch beispielsweise nahezu sphärische Lyogele erhalten werden können, die formstabil sind und ihre Form auch im weiteren Verfahren beibehalten.
Darüber hinaus hat es sich bewährt, wenn die Weiterverarbeitung des Lyogels zu einem Aeorgel bei einem Druck von mehr als 50 bar vorgenommen wird. Unter der Weiterverarbeitung des Lyogels zu einem Aerogel sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorzugsweise sämtliche Maßnahmen und Verfahrensschritte zu verstehen, welche notwendig sind, das flüssige Löse- oder Dispersionsmittel aus dem Lyogel zu entfernen und ggf. das Gel chemisch zu modifizieren. Um diese Weiterverarbeitung möglichst effizient, insbesondere kosten- und energieeffizient, sowie zeitsparend durchzuführen, werden die Gelpartikel im nachfolgenden Verfahrensschritt unter Druck von mindestens einem ersten Druckbehälter in mindestens einen weiteren Druckbehälter überführt.
Wie zuvor ausgeführt, wird das Lyogel aus mindestens einem Sol erhalten. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es üblicherweise vorgesehen, dass das Sol eine Lösung oder Dispersion eines Precursors ist.
Unter einem Precursor ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Vorläufersubstanz zu verstehen, aus welcher durch chemische Reaktion, insbesondere beispielsweise durch Hydrolyse oder Solvolyse und anschließende Kondensation, die gewünschte Zielverbindung, insbesondere ein SiO₂-Netzwerk, entsteht.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können im Prinzip sämtliche Verbindungen als Precursoren eingesetzt werden, welche in der Lage sind, aus Precursoren ein Gel zu bilden. Die Gelbildung kann dabei insbesondere bei sauren pH-Werten, einem neutralen pH-Wert oder einem basischen pH-Wert, stattfinden.
Besonders gute Ergebnisse werden erhalten, wenn der Precursor ausgewählt ist aus Wasserglas, Kieselsäure, insbesondere kollodialer Kieselsäure, Kieselsolen, Silanen, vorzugsweise Tetraalkoxysilanen, Siloxanen und deren Mischungen. Die zuvor genannten Verbindungen bilden bei Hydrolyse ein gegebenenfalls organisch modifiziertes Siliziumdioxid-Netzwerk aus, welches sich hervorragend zur Herstellung von Silica-Aerogelen eignet.
Besonders gute Ergebnisse werden in diesem Zusammenhang erhalten, wenn der Precursor ausgewählt ist aus Wasserglas, Kieselsäuren, insbesondere kollodialer Kieselsäure, Kieselsolen, und Tetraalkoxysilanen, vorzugweise Tetraethoxysilanen und/oder Tetramethoxysilanen. Besonders bevorzugt wird es dabei, wenn der Preecursor ein Wasserglas oder eine Kieselsäure ist.
Wenn der Precusor ein Wasserglas ist, so hat es sich bewährt, wenn das Wasserglas ein Alkalimetallwasserglas, insbesondere Natriumwasserglas und/oder Kaliumwasserglas, ist. Überaschenderweise lassen sich basische Lösungen von Alkalimetallwassergläsern durch Einbringen ein unter Druck stehendes saures Prozessmedium, insbesondere Kohlenstoffdioxid, ohne vorherige Reinigung und ohne Entfernung der Alkalimetallionen in eine Lyogel, insbesondere ein Hydrogel, überführen. Die Alkalimetallionen können nachträglich durch Waschen mit wässrigen Lösungen entfernt werden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es weiterhin üblicherweise vorgesehen, dass das Sol mindestens ein Löse- oder Dispersionsmittel aufweist.
In diesem Zusammenhang hat es sich bewährt, wenn das Löse- oder Dispersionsmittel ausgewählt ist aus Alkoholen, insbesondere Methanol, Ethanol, Isopropanol, Ethern, Dimethylsulfoxid (DMSO), N,N-Dimethylformamid (DMF), Aceton, Propylencarbonat, Essigsäureethylester, Wasser und deren Mischungen.
Besonders gute Ergebnisse werden in diesem Zusammenhang erhalten, wenn das Löse- oder Dispersionsmittel aus Alkoholen, insbesondere Methanol, Ethanol. Isopropanol, Wasser und deren Mischungen besteht. Insbesondere Mischungen aus organischen Lösemitteln und Wasser, insbesondere Ethanol und Wasser, sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung besonders bevorzugt, da einerseits durch das Wasser eine rasche Hydrolyse und Kondensation der Precursorverbindung erfolgt und andererseits ein Anteil an organischen Lösemitteln die Entfernung des Löse- oder Dispersionsmittels aus den Poren des Lyogels befördert.
Gemäß einer besonderen und gleichermaßen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Löse- oder Dispersionsmittel Wasser.
Der Einsatz von organischen Lösungsmitteln wie Ethanol, Aceton, Dimethylsulfoxid zur Gelsynthese bietet die Möglichkeit, Hydrophobierungsmittel wie z. B. Trimethylsilanol, Methyltriethoxysilan, Diphenylsilandiol, Hexamethyldisilazan etc. ebenfalls direkt während des Gelierungsprozesses zu verwenden.
Insbesondere für die Herstellung von Silica-Aerogelen bzw. -Lyogelen werden zunächst Precursorlösungen vorzugsweise auf Basis von Wasserglas, Kieselsolen, kolloiden Kiesesäuren und Kieselsäuretetraethylestern hergestellt und vorgelegt. Im Falle der Kieselsole und der Kieselsäure handelt es sich um vorverkieseltes Wasserglas (Polykieselsäuren) mit unterschiedlichem Verkieselungsgrad und reduzierten Alkalianteil. Die im Allgemeinen mittels Ionenaustauscher hergestellten MonoKieselsäuren liegen aufgrund von Kondensationsprozessen überwiegend als Di- und Tri-Kieselsäuren vor.
Die Kieselsole hingegen weisen einen deutlich höheren Verkieselungsgrad auf und haben üblicherweise eine Primärpartikelgröße zwischen 5 und 40 mm. Im Vergleich zu den oftmals bei der Aerogel-Herstellung verwendeten Kieselsäuretetraethylestern (TMOS, TEOS) und Kaliwassergläsern bietet die Verwendung von Kieselsolen und Kieselsäuren die Möglichkeit der gezielten Steuerung des Gelierungs- und anschließenden Reifungsprozesses der Hydrogele. In den Kieselsolen und Kieselsäuren liegen die Kieselsäurenanopartikel im Allgemeinen über lonenladungen stabilisiert in Lösungen vor.
Eine Möglichkeit, Polykieselsäuren mit geringem Wassergehalt und einem höheren Anteil an organischen Lösemitteln zu erhalten, stellt der Einsatz von alkoholischen Kieselsäuretetraethylestern dar, die jedoch erst vorhydrolysiert werden müssen, um ausreichend schnelle Polykondensation der sich bildenden Monokieselsäure zu gewährleisten. Um den Anteil an Monokieselsäuren in der Precursorlösung zu erhöhen, kann nach einer erfolgten Hydrolyse der Kieselsäuretetraethylester wässrige Kieselsäurelösungen hinzugegeben werden und anschließend die Gelbildung initiiert werden, um so ein Organogel mit geringem Wassergehalt herzustellen.
Erfindungsgemäß wird es bevorzugt, wenn die Precursorsole übersättigte Sole sind. In diesem Zusammenhang hat es sich weiterhin als vorteilhaft ergeben, wenn die, insbesondere übersättigten, Precursorsole einen gewissen Feststoffgehalt aufweisen, sodass es zur Ausbildung eines formstabilen Gels kommt. Unter dem Feststoffgehalt des Sols ist dabei der Anteil des Sols zu verstehen, welcher nach Entfernung sämtlicher flüssiger Bestandteile zurückbleibt.
Es hat sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung dabei bewährt, wenn das Precursorsol oder die Precursorsole einen Feststoffgehalt von mindestens 2 Gew.%, insbesondere 2,5 Gew.%, vorzugsweise 3 Gew.%, bevorzugt 4 Gew.%, besonders 5 Gew.%, bezogen auf je das Sol, aufweisen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es in diesem Zusammenhang vorgesehen, dass das Precursorsol oder die Precursorsole, insbesondere einzeln bzw. unabhängig voneinander, einen Feststoffgehalt im Bereich von 2 bis 30 Gew.%, insbesondere 2,5 bis 20 Gew.%, vorzugsweise 3 bis 15 Gew.%, bevorzugt 4 bis 10 Gew.%, besonders bevorzugt 5 bis 9 Gew.%, bezogen auf je das Sol, aufweisen.
Mit Feststoffgehalten im vorgenannten Bereich lassen sich besonders rasch formstabile Lyogele erhalten, welche auch den gewünschten hohen Porenanteil aufweisen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat es sich darüber hinaus bewährt, wenn das Sol oder zumindest ein Sol einen pH-Wert größer oder gleich 7, insbesondere größer 7, vorzugsweise größer 8, bevorzugt größer 8,5, aufweist.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann es weiterhin vorgesehen sein, dass das Sol oder zumindest ein Sol einen pH-Wert im Bereich von 7 bis 14, insbesondere 8 bis 13, vorzugsweise 8 bis 12, bevorzugt 8,5 bis 11, aufweist. Wenn ein Wasserglas als Sol eingesetzt wird, so hat es sich bewährt, wenn das Sol einen pH-Wert im Bereich von 10 bis 13, insbesondere 11 bis 12,5, aufweist.
Durch die Verwendung eines Sols mit einem pH-Wert im basischen Bereich wird im Allgemeinen eine vorzeitige Gelbildung verhindert und kann speziell bei Verwendung von überkritischem CO₂ als Prozessmedium, insbesondere zur Erzeugung eines hohen Drucks, eine rasche Gelbildung erfolgen, da Kohlendioxid bei Anwesenheit von Wasser als Säure reagiert und das Sol somit bei vorzugsweise erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck, d. h. bei stark reaktiv beschleunigenden Umständen angesäuert wird. Dies führt zu einer sofortigen Gelbildung, die es ermöglicht, regelmäßige sphärische oder zylindrische Lyogelpartikel zu synthetisieren.
Speziell für die Herstellung von Silica-Aerogelen oder -Lyogelen können neben der Gelbildung durch Kohlendioxid als Prozessmedium noch weitere Möglichkeiten der Gebildung alternativ oder ergänzend genutzt werden.
Im Falle der Kieselsäuren kann die Gelbildung am einfachsten durch eine pH-Wert-Verschiebung in den neutralen pH-Bereich initiiert werden. Die Gelbildungszeiten können dabei im Sekundenbereich eingestellt werden.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass Precursorlösungen bzw. -sole, insbesondere Kieselsäurelösungen, mit pH-Wert im sauren Bereich eingesetzt werden und mit einem basischen Prozessmedium, beispielsweise einer Mischung aus Stickstoff und Ammoniak, in Kontakt gebracht wird. Hierdurch wird gleichfalls eine Gelbildung durch Verschiebung des pH-Werts induziert.
Alternativ kann es vorgesehen sein für die Bildung des Lyogels mindestens zwei Precursorsole, vorzugsweise zwei Precursorsole, miteinander gemischt werden, wobei ein erstes Precursorsol einen sauren pH-Wert oder einen basischen pH-Wert aufweist und ein zweites Precursorsole einen von dem ersten Precursorsol unterschiedlichen pH-Wert aufweist.
Es ist dabei ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass die Bildung des Lyogels, insbesondere die Geschwindigkeit, mit welcher das Lyogel gebildet wird, auf Basis der im Rahmen der Herstellung bzw. Bildung des Lyogels verwendeten Precursorsole, welche insbesondere spezifisch abgestimmte pH-Werte aufweisen, genau und zielgerichtet beeinflusst werden kann. Hierbei hat es sich bewährt, wenn das erfindungsgemäße Verfahren, insbesondere die Herstellung des Lyogels, innerhalb spezifischer pH-Wert-Bereiche durchgeführt wird, wobei diese anhand der erfindungsgemäßen Verfahrensführung präzise einstellbar sowie kontrollierbar sind. So kann bspw. durch eine Verschiebung des pH-Wertes vom neutralen in den schwach sauren bzw. basischen Bereich eine relative Verlangsamung der Gelbildung bzw. der Gelierung um einige Sekunden erreicht werden, sodass ein homogenes und gleichmäßiges Durchmischen der Precursorsole unmittelbar vor Einsetzen der Gelbildung möglich wird. Demgegenüber erfolgt bspw. eine insbesondere instantane Gelierung, wenn das erfindungsgemäße Verfahren bei neutralem pH-Wert durchgeführt wird.
Was nun die Durchführung gemäß dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens im Einzelnen betrifft, so ist es Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere vorgesehen, dass die Precursorsole miteinander gemischt und in eine Reaktionsvorrichtung eingebracht werden. Weiterhin bevorzugt wird es, wenn die Precursorsole gemischt und anschließend, insbesondere unmittelbar nach dem Mischen, in einen Reaktor eingebracht werden. In diesem Zusammenhang ist es wiederum weiter bevorzugt, wenn die Precursorsole, insbesondere unmittelbar nach dem Mischen, in Form von Tropfen, insbesondere tropfenweise, in einen Reaktor eingebracht werden.
Darüber hinaus hat es sich im Rahmen dieser Ausführungsform bewährt, wenn die Precursorsole für die Bildung des Lyogels kontinuierlich miteinander gemischt werden, insbesondere mittels eines Zulaufsystems, vorzugsweise mittels eines Zweistoffzulaufs.
Auf Basis dieser Verfahrensführung kann insbesondere erreicht werden, dass die zwei Precursorsole so gleichmäßig und homogen miteinander gemischt werden, dass die Gelbildung bzw. Gelierung kontrolliert, insbesondere nach einer kontrollierbaren bzw. einstellbaren Dauer, vorzugsweise von wenigen Sekunden, eintritt.
Dabei ist das Verfahren vorzugsweise so ausgelegt, dass die Gelbildung bzw. Gelierung insbesondere in dem Moment eintritt bzw. einsetzt, in dem die miteinander gemischten Precursorsole, vorzugsweise in Form von Tropfen bzw. tropfenweise, in die Vorrichtung eingebracht bzw. insbesondere eingedüst oder eingetropft, bevorzugt vertropft, werden sollen, d.h. in dem Moment einsetzt, indem die Precursorsole über eine Einlassöffnung, insbesondere eine Düse, in die Vorrichtung gelangen.
Damit kann im Moment der Tropfenbildung aufgrund der einsetzenden Gelierung sowohl die Form als auch die Größe der gebildeten Lyogelpartikel zuverlässig gesteuert und eingestellt werden. Dies bildet insbesondere die Grundlage für die Erzeugung eines im Hinblick auf seine Partikelgrößenverteilung einheitlichen Lyogels, welches ausgehend von seiner insbesondere tropfenweisen Einbringung in die Reaktionsvorrichtung bevorzugt kugelförmige bzw. sphärisch ausgebildet ist.
Auch gemäß dieser Ausführungsform hat es sich bewährt, wenn die Bildung des Lyogels in einem mit Druck beaufschlagbaren Reaktor, insbesondere einen ersten Druckbehälter, vorzugsweise einem Autoklav, erfolgt.
Im Hinblick auf die Bereitstellung der Precursorsole ist es im Rahmen dieser Ausführungsform bevorzugt, wenn die Precursorsole voneinander getrennt bereitgestellt werden.
Weiterhin hat es bewährt, wenn die Precursorlösungen für die Bildung des Lyogels voneinander getrennt dosiert und kontinuierlich einander zugeführt werden.
Diese Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich demnach also insbesondere dadurch aus, dass die verwendeten Precursorsole, welche voneinander unterschiedliche pH-Werte aufweisen, getrennt voneinander vorgehalten werden sowie auch getrennt voneinander dosiert werden, bevor diese dann dosiert kontinuierlich, insbesondere über ein Zulaufsystem, vorzugsweise einen Zweistoffzulauf, einander zugeführt werden und währenddessen oder nachfolgend, insbesondere in einer Mischstrecke, miteinander gemischt werden. Auf Grundlage dieses Verfahrensführung kann eine besonders homogene und gleichmäßige Durchmischung der Precursorsole erreicht werden, welche insbesondere dadurch noch weiter positiv beeinflusst werden kann, dass innerhalb der Mischstrecke statische Mischelemente angeordnet sind, welche zu der gründlichen Verwirbelung und Mischung der Precursorlösungen in der Mischstrecke beitragen.
Für die Ausbildung eines homogenen, gleichförmigen Gels hat es sich dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere als maßgeblich erwiesen, die Geschwindigkeit der Gelbildung auf Basis des pH-Wertes, welchen die, insbesondere gemischten, Precursorsole aufweisen, zu kontrollieren.
In diesem Zusammenhang hat es sich speziell bewährt, wenn das erste Precursorsol einen sauren pH-Wert aufweist und das zweite Precursorsol einen basischen pH-Wert aufweist.
Die konkreten pH-Werte, auf welche die Precursorsole dafür eingestellt werden, können dabei in weiten Bereichen des sauren bzw. basischen pH-Wertebereichs variieren. Es werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedoch besonders gute Ergebnisse erzielt, wenn der saure pH-Wert in einem Bereich von pH 0 bis 6, insbesondere pH 1 bis 4, vorzugsweise pH 1,5 bis 2,5, liegt. Gleichfalls hat es sich für das erfindungsgemäße Verfahren besonders bewährt, wenn der basische pH-Wert in einem Bereich von pH 7 bis 13, insbesondere pH 8 bis 12, vorzugsweise pH 9 bis 11, liegt.
Für das Verfahren ist hierbei letztlich insbesondere entscheidend, welchen pH-Wert die miteinander gemischten Precursorsole aufweisen. In diesem Zusammenhang hat es sich insbesondere bewährt, wenn die miteinander gemischten Precursorsole einen pH-Wert in einem Bereich von pH 4,5 bis 9,5, insbesondere pH 5 bis pH 9, vorzugsweise pH 5,3 bis 8,5, aufweisen.
Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn die miteinander gemischten Precursorsole einen schwach sauren pH-Wert, insbesondere in einem Bereich von pH 4,5 bis 6,8, vorzugsweise pH 5 bis 6,5, oder einen schwach basischen pH-Wert, insbesondere in einem Bereich von pH 7,5 bis 9,5, vorzugsweise pH 7,8 bis 9, aufweisen.
Im Rahmen dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden schließlich ganz besonders gute Ergebnisse erhalten, wenn die miteinander gemischten Precursorsole einen schwach sauren pH-Wert, insbesondere in einem Bereich von pH 4,5 bis 6,8, vorzugsweise pH 5 bis 6,5, aufweisen.
In diesem Zusammenhang kann es im Rahmen diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zusätzlich vorgesehen sein, dass den, insbesondere miteinander gemischten, Precursorsolen ein Puffer zugesetzt wird. Unter einem Puffer wird hierbei ein Stoffgemisch verstanden, dessen pH-Wert sich bei Zugabe einer Säure oder einer Base wesentlich weniger stark ändert, als dies in einem ungepufferten System der Fall wäre. Durch die zusätzliche Zugabe eines Puffers zu den, insbesondere gemischten, Precursorsolen kann damit eine noch genauere Kontrolle des pH-Wertes bzw. eine noch effizientere Stabilisierung des pH-Wertes, welcher insbesondere nach Mischen der Precursorsole vorliegt, erreicht werden.
Für die vorgenannten pH-Wertebereiche kann dabei beobachtet werden, dass sich ein hochtransparentes Lyogel, bzw. insbesondere Hydrogel, bildet, wobei dieses im basischen pH-Wertbereich insbesondere zusätzliche elastische Eigenschaften aufweist. Demgegenüber zeichnen sich Gele, die im Sauren gebildet wurden vorzugsweise durch eine höhere Festigkeit bzw. verminderte Elastizität im Vergleich zu den im basischen Bereich gebildeten Gelen aus. Für die aus diesen Lyogelen erhältlichen Aerogele hat sich gezeigt, dass sowohl im Basischen als auch im Sauren gebildete Lyogelpartikel zu hochporösen Gelen führen, die beispielhafte Porositäten von 95,7 % und mehr aufweisen. Weiterhin kann beobachtet werden, dass insbesondere Aerogele aus im Sauren gebildeten Lyogelpartikeln gegenüber Aerogelen aus im Basischen gebildeten Lyogelen eine größere spezifische Oberfläche nach BET sowie ein höheres Porenvolumen aufweisen, wobei hier im Hinblick auf die BET-Oberfläche nahezu ein Unterschied von Faktor 2 sowie im Hinblick auf das Porenvolumen ein Unterschied von Faktor 1,3 festgestellt werden kann.
Im Rahmen einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat es sich dabei insbesondere bewährt, wenn für das sauer eingestellte Precursorsol als Precursor Kieselsäure eingesetzt wird, welche bspw. aus Natronwasserglas mittels Ionenaustausches hergestellt wird sowie insbesondere einen Feststoffgehalt von bis 10 Gew.% aufweist. Der pH-Wert einer solchen Kieselsäurelösung liegt bei pH 3,5 bis 2,0. Für eine verbesserte Lagerstabilität kann der pH-Wert gegebenenfalls auch noch weiter gesenkt werden, z. B. mit Salzsäure auf einen Wert von ca. pH 1.
Für das basisch eingestellte Precursorsol wird es bevorzugt, wenn als Precursor eine basisch eingestellte Kieselsäurelösung, welche bspw. aus Natronwasserglas hergestellt und anschließend mit einer Base, z. B. Natronlauge und/oder Ammoniak, auf pH-Werte von 8,5 bis 9,5 eingestellt werden kann. Der Feststoffgehalt kann hierbei bevorzugt bis zu 10 Gew.% betragen.
Alternativ hat es sich ebenso als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn für das basisch eingestellte Precursorsol als Precursor eine Wasserglaslösung auf Basis von Natron- und/oder Kali-Wasserglas, insbesondere mit einem SiO₂-Gehalt von 10 Gew.%, verwendet wird. Wenn ein Wasserglas als Sol eingesetzt wird, so hat es sich bewährt, wenn das Sol einen pH-Wert im Bereich von 10 bis 13, insbesondere 11 bis 12,5, aufweist.
Auch kann es im Rahmen dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ganz besonders bevorzugt vorgesehen sein, dass für das basisch eingestellte Precursorsol als eine wässrige kolloidale Suspension nahezu kugelförmiger Polykieselsäure-Moleküle mit 10 bis 40 Gew.% SiO₂, insbesondere mit einem pH-Wert in einem Bereich von pH 8 bis 10, verwendet wird.
Nicht zuletzt hat es sich für diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens auch als besonders geeignet erwiesen, wenn für das basisch eingestellte Precursorsol als Precursor eine, insbesondere vorhydrolysierte und teilkondensierte, Alkoxysilanlösung, vorzugsweise mit einem Feststoffgehalt zwischen 10 und 20 Gew.%, verwendet wird. Bei einer solchen Lösung handelt es sich insbesondere um eine teilwässrige Lösung, wobei der Wassergehalt in Abhängigkeit des verwendeten Alkoxysilans eingestellt werden kann und im Molverhältnis H₂O:der Anzahl der Alkoxygruppen bevorzugt 1:1 bis 2:1 beträgt. Für diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat es sich außerdem als vorteilhaft erwiesen, wenn dem basisch eingestellten Precursorsol Tenside, bspw. etwa Cetyl-Trimethyl-Ammoniumchlorid, zugegeben werden, insbesondere da diese die Löslichkeit der teils organischen Alkoxysilanlösung in dem sauren Precursorsol, bspw. in einer wässrigen, sauren Kieselsäurelösung, erhöhen können.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann es im Allgemeinen vorgesehen sein, dass das Sol oder die Sole ein Hydrophobierungsmittel, insbesondere ein Silanisierungsmittel, enthält. Der Einsatz eines Hydrophobierungsmittels, insbesondere eines Silanisierungsmittels, in dem Sol oder den Solen führt insbesondere zu einem Einbau von hydrophoben Gruppen in das Gerüst des Lyogels. Dies wiederum bedingt eine elastischere Gelstruktur, welche bei einem eventuell ausgeführten Lösemittelaustausch oder auch bei der Trocknung deutlich belastbarer ist als beispielsweise eine reine SiO₂-Struktur.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird es bevorzugt, wenn das Hydrophobierungsmittel ausgewählt ist aus Organosilanen, insbesondere Monoorganosilanen, Diorganosilanen, Triorganosilanen, Silazanen, Silanolen, insbesondere Monoorganosilanolen, Diorganosilanolen, und deren Mischungen. Unter Organosilanen oder Organosilanolen sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung Silane bzw. Silanole mit organischen Gruppen, insbesondere hydrophoben organischen Gruppen, wie beispielsweise Alkyl, Alkenyl oder Aryl, zu verstehen.
Wenn im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Silan als Hydrophobierungsmittel eingesetzt wird, so kann dessen chemische Natur gleichfalls in weiten Bereichen variieren. Besonders gute Ergebnisse werden jedoch erhalten, wenn ein Silan der allgemeinen Formel I R¹ _nSiR² _4-n (I) mit

n =: 1 bis 3, insbesondere 1 oder 2, vorzugsweise 1;
R1 =: C₁- bis C₃₀-Alkyl und/oder C₆- bis C₃₀-Aryl, insbesondere C₂- bis C₂₀-Alkyl und/oder C₆- bis C₂₀-Aryl, vorzugsweise C₃- bis C₂₀-Alkyl und/oder C₆- bis C₂₀-Aryl, bevorzugt C₄- bis C₁₅-Alkyl und/oder C₆- bis C₁₅-Aryl, besonders bevorzugt C₅- bis C₁₂-Alkyl und/oder C₆- bis C₁₂-Aryl, ganz besonders bevorzugt C₅- bis C₁₂-Alkyl;
R2 =: Halogenid, insbesondere Chlorid, Bromid und/oder lodid, OX mit X = Wasserstoff, Alkyl, Aryl, Polyether und/oder Carbonsäurederivat, insbesondere Alkyl, vorzugsweise C₁- bis C₈-Alkyl, bevorzugt C₂- bis C₄-Alkyl;

Besonders gute Ergebnisse werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung erhalten, wenn das Hydrophobierungsmittel ausgewählt ist aus Organochlorsilanen, insbesondere Monoorganochlorsilanen, Diorganochlorsilanen, Triorganochlorsilanen, Methoxyorganosilanen, insbesondere Trimethoxyorganosilanen, Dimethoxydiorganosilanen, Methoxytriorganosilanen, Ethoxyorganosilanen, insbesondere Triethoxyorganosilanen, Diethoxydiorganosilanen, Ethoxytriorganosilanen, Hexamethylendisilazan, Trimethylsilanol, Diphenylsilandiol, Phenyltriethoxysilan, Trimethylisopropenoxysilan und deren Mischungen. Durch den frühzeitigen Einsatz von Hydrophobierungsmitteln, insbesondere Silanisierungsmitteln, vor der Gelbildung kann die sich ausbildende Netzwerkstruktur beeinflusst und die sich bildenden Porengrößen gesteuert werden. Zudem kann eine Elastizierung des Gelnetzwerkes durch den Einbau von mono- und difunktionalen Silanisierungsmiteln erreicht werden. Beides kann genutzt werden, einen anschließenden Lösemittelaustausch des hergestellten Hydrogels zu beschleunigen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird es bevorzugt, wenn das Sol oder die Sole, insbesondere nach vorheriger Mischung, in Form von Tropfen in einem mit Druck beaufschlagte Vorrichtung, insbesondere in den mit Druck beaufschlagten ersten Druckbehälter, eingebracht wird, insbesondere eingetropft und/oder eingedüst wird, vorzugsweise vertropft wird.
Durch die Einbringung in Tropfenform, beispielsweise durch Eintropfen oder Eindüsen in eine mit Druck beaufschlagte Vorrichtung, vorzugsweise einen ersten Druckbehälter, insbesondere einen ersten Autoklaven, ist es möglich, Aerogele mit nahezu kreisförmigem Querschnitt zu synthetisieren. Je nach Einstellung der Tropfgeschwindigkeit bzw. der Eindüsbedingungen des Sols in die Vorrichtung können nahezu sphärische und/oder zylinderförmige Partikel erhalten werden. Die Düse kann dabei beispielsweise in Form einer Schlitzdüse oder einer Kapillare ausgestaltet werden und das Sol durch eine Pumpe, insbesondere Hochdruckpumpe, in die Vorrichtung eingebracht werden.
Die Tröpfchengröße kann hierbei insbesondere durch die gewählte Düsenöffnung und/oder die Geliergeschwindigkeit gesteuert werden und liegt beim Einsatz einer 2 mm-Düse typischerweise in einem Bereich zwischen 0,5 bis 5 mm. Durch die Auswahl einer kleineren Düse kann die Gelpartikelgröße weiter reduziert werden. Die sich ausbildenden Partikel weisen vorzugsweise eine Kugelform auf und behalten die Form auch bei den nachfolgenden Verfahrensschritten bei.
Die Einbringung des Sols in Form von Tropfen in eine mit Druck beaufschlagte Vorrichtung ermöglicht es somit, nahezu sphärische Lyogelpartikel zu erhalten, welche auch im weiteren Prozess formstabil bleiben. Hierdurch sind kugelförmige Aerogele zugänglich, welche gegenüber dem Stand der Technik verbesserte mechanische Eigenschaften aufweisen und dichtere Kugelpackungen bilden können, sich folglich besser als Wärmedämmmaterialien eignen, sowohl in loser Schüttung als auch beispielsweise zur Einarbeitung in Dämmputzsysteme.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass das Sol vor Einbringung in einen Reaktor, insbesondere einen ersten Druckbehälter, vorgeliert wird. Unter einer Vorgelierung ist die Bildung größerer Netzwerkstrukturen und Aggregate zu verstehen, wobei jedoch noch kein durchgehendes räumliches Netzwerk erhalten wird. Auch das vorgelierte Sol ist immer noch fließfähig und kann beispielsweise in eine Vorrichtung eingetropft oder eingedüst werden.
Eine Vorgelierung kann bspw. durch eine Anpassung der Weg- bzw. Mischstrecke bis zum Einbringen des Precursorsol bzw. der Precursorsole in die Reaktionsvorrichtung erfolgen. Die Dauer der Vorgelierung ist dabei von der Art und Konzentration der Precursor, dem pH-Wert und/oder der Größe und Form der zu bildenden Lyogel- bzw. Aerogelpartikel, etc. abhängig.
Zusätzlich zu der erfindungsgemäß bevorzugt durch pH-Wertregulierung kontrollierten bzw. initiierten Gelierung, kann die Gelierung, insbesondere auch eine Vorgelierung, der Precursorsole weiter durch Elektrolytzusätze, beispielsweise mehrwertige Metallsalze, und denaturierende Lösungsmittel wie Ethanol und Aceton beeinflusst bzw. insbesondere die Hydrolyse- und Kondensationsgeschwindigkeit der Silica-Sole beschleunigt werden. Die Polykondensationsfähigkeit des Precursors, bspw. insbesondere der Kieselsäuren, stellt hierbei den geschwindigkeitsbestimmenden Schritt bei der Bildung eines formstabilen, dreidimensionalen Netzwerks dar. Es hat sich gezeigt, dass durch die Verwendung von Ethanol und/oder Elektrolyten die gezielte Gelierung der Precursorsole bzw. insbesondere Kieselsäuren und/oder Kieselsole möglich ist. Organogele mit 66 Vol.-% Ethanolgehalt können so synthetisiert werden. Diese zeichnen sich durch eine hohe Hydrolyse- und Kondensationsgeschwindigkeit sowie die Bildung eines formstabilen Organogelnetzwerks aus.
Bevorzugte Kieselsäuretetraethylester wie beispielsweise Tetraethylorthosilikat (TEOS) und Tetramethylorthosilikat (TMOS) bieten - wie zuvor ausgeführt - die Möglichkeit zur Herstellung von Organolgelen mit geringem Wassergehalt, was bspw. einen nachfolgenden Lösemittelaustausch deutlich beschleunigen kann. Um die Geliergeschwindigkeiten dieser Precursorsole zu beschleunigen, kann eine Vorhydrolyse der Metallalkoholate erfolgen, die sowohl im sauren als auch basischen pH-Bereich durchgeführt werden kann, wobei die Ausbildung von dreidimensionalen Netzwerken im Sauren begünstigt ist.
Als Katalysatoren für die Vorgelierung bzw. -kondensation können mineralische Säuren wie Salzsäure verwendet werden. Insbesondere kann die Vorkondensation durch den Einsatz von Katalysatoren, wie beispielsweise organischen Säuren, insbesondere Essigsäure, anorganischen Säuren, wie Salzsäure, oder auf Lewissäuren, wie beispielsweise Titantetrabutanolat, beschleunigt werden.
Eine vorgeschaltete Hydrolyse der Kieselsäureester kann im basischen pH-Bereich unter Verwendung von z.B. Ammoniak bei einem pH-Wert von 9 erfolgen, um eine nachgeschaltete Hydrolyse zu beschleunigen.
Eine Vorkondensation mit Essigsäure bei pH-Werten von 3,5 bis 4,5 und stöchiometrischem Gehalt von Wasser zu Tetraethylorthosilikat von 2,5 bis 3,5 erzeugt innerhalb weniger Stunden Precursorsole, die durch pH-Wert Verschiebungen und Wasserzugabe geliert werden können. Zusätzlich ist es möglich, bei diesen vorkondensierten Tetraethylorthosilikatlösungen bzw. -solen den pH-Wert in den basischen Bereich zu verschieben.
Zusätzlich ist es möglich, bei vorkondensierten Tetraethylorthosilikat-Lösungen bzw. -solen den pH-Wert in den basischen Bereich zu verschieben und so durch pH-Verschiebung in den sauren pH-Bereich, eine, insbesondere CO₂-induzierte, Gelierung auszulösen, analog zur Gelierung der Kieselsäure. Zudem ist eine Verträglichkeit von Kieselsolen und insbesondere mit Kieselsäuren gegeben, so dass diese Lösungen gemischt eingesetzt werden können, welches die Gelbildungszeiten deutlich reduziert.
Wie zuvor beschrieben, liegt das Lyogel vorzugsweise in Form von Partikeln mit kreisförmigem Querschnitt, insbesondere in Form von sphärischen oder zylinderförmigen Partikeln vor.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es insbesondere durch die Einstellung der Bedingungen, unter welcher das Sol in den mit Druck beaufschlagten ersten Druckbehälter eingebracht wird, möglich, sowohl die Partikelgröße als auch die Partikelgrößenverteilung gezielt zu beeinflussen und einzustellen.
Wie zuvor bereits ausgeführt, sind mehrere Reaktorführungen möglich, um eine Gelierung der Precursorsole zu erzielen.
Vorzugsweise wird das Precursorsol oder Mischung von Precursorsolen bei Herstellung in einem Reaktor, insbesondere einem ersten Druckbehälter, beispielsweise mit Kohlendioxid gefüllten (Hoch-)Druckbehälter eindosiert. Idealerweise erfolgt die Eindosierung derart, dass sich eine Tropfenkette bzw. ein Gelstrang ausbildet. Die Precursorlösung liegt bei Eintritt in den Hochdruckbehälter flüssig oder teilgeliert vor und geliert vorzugsweise unmittelbar am Anschluss durch den Kontakt mit dem Kohlendioxid unter Bildung von Kohlensäure und eine entsprechende Änderung des pH-Werts vollständig oder die Precursorsole werden gemischt und gelieren bei Einbringung in den Reaktor unmittelbar vollständig.
Allgemein ist es möglich, durch eine gezielte Destabilisierung der Kieselsole und Kieselsäuren, insbesondere in einem Zweiprozessschritt, z. B. durch pH-Wert-Verschiebung oder Elektrolytzusatz, die Precursorlösungen gezielt zur Gelbildung zu bringen. Zur Hydrogelbildung lassen sich Elektrolytzusätze, pH-Wert-Verschiebungen durch Säuren oder Basen und denaturierende Lösungsmittel wie Ethanol und Aceton einsetzen und somit die Hydrolyse- und Kondensationsgeschwindigkeit der Silica-Sole oder Polykieselsäure beschleunigen. Die Polykondensationsfähigkeit der Kieselsäuren stellt hierbei den geschwindigkeitsbestimmenden Schritt bei der Bildung eines formstabilen, dreidimensionalen Netzwerks dar. Es hat sich gezeigt, dass durch die Verwendung von Ethanol und Elektrolyten die gezielte Gelierung der Kieselsäure bzw. Kieselsole möglich ist. Organogele mit 66 Vol.-% Ethanolgehalt können synthetisiert werden. Diese zeichnen sich durch eine hohe Hydrolyse- und Kondensationsgeschwindigkeit sowie die Bildung eines formstabilen Organogelnetzwerks aus.
Zur Vor- bzw. Teilgelierung der Precursorsole können insbesondere im Zweistoffzulauf Säuren oder Basen zu der jeweils basisch oder sauer stabilisierten Kieselsäure gegeben werden, wobei die Gelierzeiten über den resultierenden pH-Wert eingestellt werden kann. Die bevorzugte Möglichkeit stellt jedoch eine pH-Wert-Verschiebung durch das eingesetzte Trocknungsgas bzw. Prozessmedium dar. Bei verdichtetem CO₂ kann eine pH-Wert-Erniedrigung durch die Bildung von Kohlensäuren erfolgen, wie zuvor dargelegt, während eine pH-Wert-Erhöhung beispielsweise durch die Verwendung von Inertgasen, insbesondere Stickstoff und/oder Argon, in Kombination mit Ammoniak erfolgen kann.
Die vorliegende Erfindung betrifft somit insbesondere ein zuvor beschriebenes Verfahren zur kontinuierlichen oder quasi-kontinuierlichen Herstellung von Aerogelen mittels eines Sol-Gel-Verfahrens,

(i) wobei zunächst ein Sol oder mehrere Sole, insbesondere ein Precursorsol oder Precursorsole, bereitgestellt werden,
(ii) wobei das Sol oder die Sole, insbesondere nach Mischung, in einen Reaktor eingebracht werden, so dass ein Lyogel erhalten wird, wobei der Reaktor ein erster Druckbehälter ist oder die Lyogelpartikel nach ihrer Bildung in einen ersten Druckbehälter überführt werden, wobei in dem ersten Druckbehälter ein Druck von über 1 bar eingestellt ist oder eingestellt wird,
(iii) wobei die Lyogelpartikel zu einem Aerogel weiterverarbeitet werden und wobei die Lyogelpartikel bei der Weiterverarbeitung zu einem Aerogel in einer Flüssigkeit unter Druck aus dem ersten Druckbehälter in einen zweiten Druckbehälter überführt werden, vorzugsweise gemäß einem zuvor beschriebenen Verfahren.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft die vorliegende Erfindung ein zuvor beschriebenes Verfahren, wobei

(a) in einem ersten Verfahrensschritt mindestens ein Sol, insbesondere eine Lösung oder Dispersion eines Precursors, bereitgestellt wird,
(b) in einem auf den ersten Verfahrensschritt (a) folgenden zweiten Verfahrensschritt das Sol in einen mit Druck beaufschlagten ersten Druckbehälter eingebracht, insbesondere eingetropft oder eingedüst wird, wobei Lyogelpartikel erhalten werden, und
(c) in einem auf den zweiten Verfahrensschritt (b) folgenden dritten Verfahrensschritt die im Verfahrensschritt (b) erhaltenen Lyogelpartikel in einer Flüssigkeit unter Druck wie zuvor beschrieben von dem ersten Druckbehälter in einen zweiten Druckbehälter überführt werden.

Auf diese spezielle Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich sämtliche Vorteile und Besonderheiten sowie Merkmale, welche zuvor genannt wurden, gleichermaßen anwenden.
Insbesondere kann es auch vorgesehen sein, dass nicht nur ein Sol, insbesondere eine Lösung oder Dispersion eines Precursors bereitgestellt und insbesondere in Verfahrensschritt (b) in dem mit Druck beaufschlagten ersten Druckbehälter eingebracht wird, sondern dass zwei Precursorsole bereitgestellt und gemischt werden und die Mischung in den ersten Druckbehälter eingebracht wird.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es üblicherweise vorgesehen, dass die Lyogelpartikel, insbesondere in einem zweiten Verfahrensschritt (b), in eine Flüssigkeit eingebracht werden, insbesondere in einer Flüssigkeit dispergiert werden. Üblicherweise geschieht dies einfach dadurch, dass nach Eintropfen oder Eindüsen des Sols und die anschließende Bildung der Lyogelpartikel die Lyogelpartikel in eine in einem unteren Teil des Druckbehälters, insbesondere einen Auffang- und/oder Sammelabschnitt des Druckbehälters, vorhandene Flüssigkeit fallen. Die Partikel können dann - wie bereits zuvor im Rahmen des Verfahrens zur Überführung von Partikeln in der Flüssigkeit von einem ersten Druckbehälter in einen zweiten Druckbehälter ausgeführt, kontinuierlich oder diskontinuierlich aus dem ersten Druckbehälter in den zweiten Druckbehälter überführt werden. Zur diskontinuierlichen Überführung werden die Partikel - wie zuvor ausgeführt - zunächst in der Flüssigkeit gesammelt und anschließend in Gruppen bzw. batchweise von dem ersten Druckbehälter in den zweiten Druckbehälter überführt. Bei der kontinuierlichen Überführung wird beispielsweise derart vorgegangen, dass ein Auffang- und/oder Sammelabschnitt des Druckbehälters von der Flüssigkeit durchströmt wird, insbesondere der Boden des ersten Druckbehälters mit der Flüssigkeit überströmt wird, und die Partikel, nachdem sie in der Flüssigkeit dispergiert wurden, in den zweiten Druckbehälter überführt werden. Die Überführung kann dabei insbesondere beispielsweise durch eine Neigung des Behälterbodens, insbesondere in Form einer schiefen Ebene, Hochdruckpumpen oder auch Druckunterschiede zwischen dem ersten und dem zweiten Druckbehälter begünstigt bzw. bewirkt wird.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann es darüber hinaus vorgesehen sein, dass nach der Bildung des Lyogels das Lyogel altern gelassen wird. Falls das Lyogel altern gelassen wird, so wird es bevorzugt, wenn das Lyogel für einen Zeitraum von 1 Minute bis 1 Stunde, insbesondere 2 bis 50 Minuten, vorzugsweise 3 bis 40 Minuten, bevorzugt 5 bis 35 Minuten, besonders bevorzugt 10 bis 20 Minuten, altern gelassen wird. Durch eine Alterung des Lyogels werden insbesondere die Gelstrukturen verfestigt, so dass sie im nachfolgenden Trocknungsprozess deutlich stabiler und widerstandsfähiger sind. Die Alterung kann dabei entweder in dem ersten Druckbehälter oder auch in dem zweiten Druckbehälter durchgeführt werden.
Bevorzugt wird die Alterung des Lyogels bei der Temperatur durchgeführt, bei welcher die Bildung des Lyogels erfolgt. In diesem Zusammenhang wird es bevorzugt, wenn die Alterung des Lyogels im Temperaturbereich von 50 bis 130 °C, insbesondere 60 bis 120 °C, vorzugsweise 80 bis 110 °C, durchgeführt wird.
Die Drücke, bei welchen der Alterungsprozess durchgeführt wird, können in weiten Bereichen variieren. Besonders bevorzugt wird es jedoch im Rahmen der vorliegenden Erfindung, wenn die Alterung des Lyogels bei Drücken über 30 bar, insbesondere über 40 bar, vorzugsweise über 50 bar, bevorzugt über 70 bar, besonders bevorzugt über 74 bar, durchgeführt wird. Durch den hohen Druck wird insbesondere in einer CO₂-Atmosphäre eine deutlich schnellere Alterung des Lyogels erzielt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es somit möglich, die üblicherweise 4 Stunden und mindestens 2 Stunden dauernde Alterungszeit eines Lyogels, insbesondere eines Hydrogels, auf unter 1 Stunde und vorzugsweise 15 Minuten zu reduzieren.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann es vorgesehen sein, dass nach der Bildung des Lyogels, insbesondere im Anschluss an Verfahrensschritt (c), vorzugsweise nach Überführung in den zweiten Druckbehälter, ein Lösemittelaustausch vorgenommen wird, insbesondere in einem dritten Verfahrensschritt (d). Der Lösemittelaustausch kann dabei einer Reinigung des Lyogels dienen. Eine Reinigung des Lyogels kann insbesondere durchgeführt werden, um Salze oder andere Verunreinigungen aus dem Lyogel zu entfernen. Salze und andere polare Verunreinigungen werden vorzugsweise mit Wasser oder polaren organischen Lösemitteln, wie beispielsweise Alkoholen, entfernt, während unpolare Verunreinigungen mit unpolaren Lösemitteln, wie beispielsweise Alkanen, entfernt werden.
Ein Lösemittelaustausch kann auch notwendig sein, um eine nachfolgende Trocknung des Lyogels zu einem Aerogel zu erleichtern. Wasser ist im Trocknungsprozess durch Zufuhr thermischer Energie nur schwer aus dem üblicherweise hydrophilen Netzwerk, insbesondere SiO₂-Netzwerk des Lyogels zu entfernen. Dies gilt auch, wenn das Lyogel hydrophobiert wurde.
Insbesondere um den Wassergehalt der zuvor hergestellten Lyogele, insbesondere Hydro- oder Organogele, vor dem eigentlichen Trocknungsschritt zu erniedrigen, kann es nötig sein, die Gele einem Lösemittelaustausch zu unterziehen.
Darüber hinaus ist es auch möglich, den Lösemittelaustausch oder die Reinigung vor oder nach der Alterung des Gels durchzuführen. Dies hängt insbesondere davon ab, ob die Partikel kontinuierlich oder diskontinuierlich von dem ersten Druckbehälter in den zweiten Druckbehälter überführt werden. Bei der diskontinuierlichen bzw. batchweisen Überführung der Partikel wird üblicherweise das Lyogel in der Flüssigkeit, in welcher sie gesammelt werden, altern gelassen, wobei das Altern in diesem Fall auch ein erster Reinigungs- bzw. Waschschritt sein kann. Bei einer kontinuierlichen Überführung der Partikel werden die Partikel hingegen üblicherweise rasch von der zur Überführung verwendeten Flüssigkeit getrennt, insbesondere mittels Filtriermethoden.
Der Lösemittelaustausch kann dabei gleichermaßen in dem ersten Druckbehälter oder auch in dem zweiten Druckbehälter bzw. in weiteren nachfolgenden Druckbehältern vorgenommen werden. Da im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Lyogelpartikel in einer Flüssigkeit von dem ersten Druckbehälter in den zweiten Druckbehälter überführt werden können, ist es ohne Weiteres möglich, einen Lösemittelaustausch mit der Flüssigkeit vorzunehmen, in welcher die Lyogelpartikel von dem ersten Druckbehälter in den zweiten Druckbehälter überführt werden. So wird entweder - bei einer kontinuierlichen Überführung der Lyogelpartikel von dem ersten in den zweiten Druckbehälter - beispielsweise der Auffang- und/oder Sammelabschnitt des ersten Druckbehälters mit dem Lösemittel durchspült, insbesondere der Boden des ersten Druckbehälters mit dem Lösemittel überspült, gegen welches die in dem Lyogel vorhandene Flüssigkeit ausgetauscht werden soll.
Bei einer diskontinuierlichen bzw. batchweisen Überführung werden die Lyogelpartikel zunächst in dem Lösemittel, gesammelt, insbesondere in dem Auffang- und/oder Sammelabschnitt des ersten Druckbehälters, gegen welches die Flüssigkeit in den Lyogelpartikeln ausgetauscht werden soll.
Hierbei kann es insbesondere vorgesehen sein, dass auch ein mehrmaliger Lösemittelaustausch vorgenommen wird, beispielsweise indem die Lyogelpartikel zunächst in einer Flüssigkeit gesammelt werden und anschließend die Flüssigkeit aus dem Druckbehälter entfernt und gegen neue Flüssigkeit bzw. ein neues Lösemittel ausgetauscht werden, insbesondere indem die Partikel beispielsweise mit dem organischen Lösemittel überschichtet werden. Auf diese Weise ist es auch möglich, mehrfache Lösemittelwechsel durchzuführen. Gradielle bzw. sukzessive Lösemittelwechsel, bei welchen die Polarität des Lösemittels sukzessiv geändert wird, können notwendig sein, um jeweils einen vollständigen Lösemittelaustausch zu erzielen. So ist es in der Regel nicht möglich, Wasser unmittelbar gegen hydrophobe Lösemittel auszutauschen. Hier muss zunächst das Hydrogel durch Lösemittelaustausch mit einem Alkohol, insbesondere Ethanol, zu einem Alkogel umgesetzt werden, damit nachfolgend ein Austausch gegen ein unpolareres Lösemittel vorgenommen werden kann. Auch ist es möglich über die Flüssigkeit, in welcher die Lyogelpartikel von dem ersten Druckbehälter in den zweiten Druckbehälter überführt werden, mit dem Lösemittelaustausch die Lyogelpartikel zu reinigen, insbesondere um Salzanhaftungen oder Katalysatorrückstande zu entfernen. Gleichermaßen ist es auch möglich, der Flüssigkeit Funktionalisierungsmittel, insbesondere Hydrophobierungsmittel zuzusetzen, um die Lyogelpartikel direkt zu funktionalisieren, insbesondere zu hydrophobieren. Vorzugsweise wird vor der Funktionalisierung jedoch bereits ein Lösemittelaustausch vorgenommen.
In diesem Zusammenhang wird es bevorzugt, wenn zur Durchführung des Lösemittelaustausches oder Reinigung des Lyogels das Lyogel mit einem flüssigen oder gasförmigen Lösemittel, insbesondere einem organischen Lösemittel, in Kontakt gebracht wird.
Als Lösemittel können dabei alle geeigneten organischen Lösemittel und Wasser verwendet werden. Insbesondere können alle im Zusammenhang mit der Herstellung des Precursorsols und der Flüssigkeit zur Überführung der Partikel genannten Lösemittel eingesetzt werden.
Das organische Lösemittel kann dabei gasförmig in den Reaktionsraum eingebracht werden und verdrängt dann in den Poren des Lyogels eingelagertes Wasser oder andere dort eingelagerte organische Lösemittel. Ein Lösemittelaustausch über die Gasphase bietet sich beispielsweise an, wenn die Lyogelpartikel kontinuierlich von dem ersten Druckbehälter in den zweiten Druckbehälter überführt werden, in welchem sie üblicherweise von der Flüssigkeit zur Überführung der Partikel getrennt werden.
Gleichermaßen ist es auch möglich, dass das Lyogel mit dem flüssigen Lösemittel in Kontakt gebracht, insbesondere in diesem dispergiert oder mit diesem überschichtet wird, und so beispielsweise durch mehrfaches Überschichten mit Lösemitteln und Entfernen des Gemisches von Wasser und/oder organischen Lösemitteln ein weitgehender Lösemittelaustausch erreicht wird. Vorzugsweise ist das Lösemittel, mit welchen Lösemittelaustausch vorgenommen wird, in einem Trocknungsgas, insbesondere Kohlenstoffdioxid, löslich. Auf diese Weise ist es möglich, eine überkritische Trocknung mit Kohlenstoffdioxid deutlich schneller und schonender durchzuführen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird es auch bevorzugt, wenn durch den Lösemittelaustausch insbesondere der Wassergehalt des Lyogels auf einen Wert von weniger als 30 Gew.-%, insbesondere weniger als 25 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 20 Gew.-%, bevorzugt weniger als 15 Gew.-%, besonders bevorzugt weniger als 10 Gew.-%, bezogen auf das Lyogel, gesenkt wird. Durch eine Senkung des Anteils an insbesondere Wasser in dem Lyogel wird eine zielführende und schonende Trocknung mit Kohlenstoffdioxid im überkritischen Bereich möglich. Im Rahmen der vorliegend Erfindung ist es möglich, effiziente Trocknungsverfahren bei Wassergehalten des Lyogels von 5 bis 30 Gew.-%, insbesondere 10 bis 25 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 12 bis 20 Gew.-%, bezogen auf das Lyogel, durchzuführen. Üblicherweise können im Stand der nur Lyogele mit einem Wassergehalt von weniger als 5 Gew.-%, bezogen auf das Lyogel, getrocknet werden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es vorzugsweise vorgesehen, dass der Lösemittelaustausch, insbesondere das Inkontaktbringen des Lyogels mit dem Lösemittel, unter erhöhtem Druck vorgenommen wird. Durch einen Lösemittelaustausch unter erhöhtem Druck wird der Lösemittelaustausch deutlich beschleunigt, insbesondere können einer komprimierten und unter Druck stehenden Gasphase nur geringe Mengen an insbesondere gasförmigen organischen Lösemitteln beigemischt werden, welche dann trotzdem ausreichen, um Wasser oder andere Lösemittel aus den Poren des Lyogels zu verdrängen. Vorzugsweise wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung während des Lösemittelaustauschs entweder flüssiges Lösemittel bzw. ein Gemisch aus Wasser und organischem Lösemittel aus der Vorrichtung entfernt oder die mit Wasser verunreinigte Gasphase wird zumindest teilweise aus dem Reaktor entfernt und neues Lösemittel in gasförmigem Zustand in den Reaktor eingebracht, um einen möglichst vollständigen Lösemittelaustausch zu erhalten.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden besonders gute Ergebnisse erhalten, wenn der Lösemittelaustausch, insbesondere das Inkontaktbringen des Lyogels mit dem Lösemittel, bei Drücken von mehr als 30 bar, insbesondere mehr als 50 bar, vorzugsweise mehr als 70 bar, bevorzugt mehr als 100 bar, besonders bevorzugt mehr als 120 bar, durchgeführt wird.
Gleichermaßen ist es möglich, dass der Lösemittelaustausch, insbesondere das Inkontaktbringen des Lyogels mit dem Lösemittel, bei Drücken im Bereich von 30 bis 300 bar, insbesondere 50 bis 250 bar, vorzugsweise 70 bis 200 bar, bevorzugt 100 bis 180 bar, besonders bevorzugt 120 bis 170 bar, durchgeführt wird.
Was nun den Temperaturbereich anbelangt, mit welchem der Lösemittelaustausch durchgeführt wird, so hat es sich bewährt, wenn der Lösemittelaustausch bei erhöhter Temperatur durchgeführt wird. Besonders gute Ergebnisse werden in diesem Zusammenhang erhalten, wenn der Lösemittelaustausch, insbesondere das Inkontaktbringen des Lyogels mit dem Lösemittel, bei Temperaturen oberhalb von 50 °C, insbesondere oberhalb von 60 °C, vorzugsweise oberhalb 70 °C, bevorzugt oberhalb von 80 °C, besonders bevorzugt oberhalb von 90 °C, durchgeführt wird. Durch eine hohe Temperatur wird speziell in Verbindung mit einem hohen Druck eine möglichst rascher und vollständiger Lösemittelaustausch erreicht.
In diesem Zusammenhang kann es gleichermaßen vorgesehen sein, dass der Lösemittelaustauch, insbesondere das Inkontaktbringen des Lyogels mit dem Lösemittel, bei Temperaturen im Bereich von 50 bis 180 °C, insbesondere 60 bis 150 °C, vorzugsweise 70 bis 120 °C, bevorzugt 80 bis 110 °C, besonders bevorzugt 80 bis 100 °C, durchgeführt wird.
Wenn der Lösemittelaustausch zur Vorbereitung der Trocknung oder zur Funktionalisierung des Lyogels dient, werden vorzugsweise organische Lösemittel als Lösemittel eingesetzt.
Was nun das organische Lösemittel anbelangt, so hat es sich bewährt, wenn das Lösemittel ausgewählt ist aus der Gruppe der hydrophilen organischen Lösemittel, der hydrophoben organischen Lösemittel und deren Mischungen. Besonders bevorzugt wird es im Rahmen der vorliegenden Erfindung, wenn das organische Lösemittel in Kohlendioxid löslich ist.
Unter einem organischen Lösemittel ist dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Löse- oder Dispersionsmittel zu verstehen, welches organische Gruppe aufweist.
Was nun das organische Lösemittel anbelangt, so hat es sich bewährt, wenn das organische Lösemittel ausgewählt ist aus der Gruppe der von Gruppe von Alkoholen, Ethern, Dimethylsulfoxid, N,N-Dimethylformamid, C₅- bis C₈-Alkanen und deren Mischungen. Besonders gute Ergebnisse werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung erhalten, wenn das organische Lösemittel ausgewählt ist aus Methanol, Ethanol, Isopropanol, Dimethylsulfoxid, n-Pentan, n-Hexan, n-Heptan, cyclo-Hexan und deren Mischungen. Mit den vorgenannten Lösemitteln lässt sich nicht nur ein Lösemittelaustausch und eine einfache nachfolgende Trocknung erzielen. Die Lösemittel eignen sich auch hervorragend, um das Lyogel mit Funktionalisierungs- oder Modifizierungsreagenzien in Kontakt zu bringen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann es insbesondere vorgesehen sein, dass das organische Lösemittel gemeinsam mit einem Hydrophobierungsmittel, insbesondere einem Silanisierungsmittel, mit dem Lyogel in Kontakt gebracht wird. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es somit möglich, auch während des Lösemittelaustausches eine Hydrophobierung, insbesondere Silanisierung, des Lyogels vorzunehmen, um so nachfolgend eine einfache Trocknung und Überführung des Hydrogels in ein Aerogel zu ermöglichen. Um eine besonders wirksame Hydrophobierung, insbesondere Silanisierung, zu erreichen, ist es von Vorteil, wenn zu Beginn des Inkontaktbringens des organischen Lösemittels und des Hydrophobierungsmittel Lyogel der Wasseranteil des Lyogels mindestens 50 Gew.-%, insbesondere mindestens 60 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 70 Gew.-% beträgt. Auf diese Weise ist eine schnelle Hydrolyse und Reaktion der reaktiven Gruppen des Hydrophobierungsmittels, insbesondere des Silanisierungsmittels, gegeben. Vorzugsweise wird die Hydrophobierung daher vor bzw. zu Beginn eines Lösemittelaustauschs durchgeführt.
Was nun die chemische Natur des Hydrophobierungsmittels anbelangt, so hat es sich bewährt, wenn das Hydrophobierungsmittel ausgewählt ist aus Organosilanen, insbesondere Monoorganosilanen, Diorganosilanen, Triorganosilanen, Silazanen, Silanolen, insbesondere, Monoorganosilanolen, Diorganosilanolen und deren Mischungen.
Wenn im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Silan als Hydrophobierungsmittel eingesetzt wird, so kann dessen chemische Natur in weiten Bereichen variieren. Besonders gute Ergebnisse werden jedoch erhalten, wenn ein Silan der allgemeinen Formel I R¹ _nSiR² _4-n (I) mit

Besonders gute Ergebnisse werden in diesem Zusammenhang erhalten, wenn das Hydrophobierungsmittel ausgewählt ist aus Organochlorsilanen, insbesondere Monoorganochlorsilanen, Diorganochlorsilanen, Triorganochlorsilanen, Methoxyorganosilanen, insbesondere Trimethoxyorganosilanen, Dimethoxydiorganosilanen, Methoxytriorganosilanen, Ethoxyorganosilanen, insbesondere Triethoxyorganosilanen, Diethoxydiorganosilanen, Ethoxytriorganosilanen, Hexamethyldenisilazan, Trimethylsilanol, Diphenylsilandiol, Phenyltriethoxysilan, Trimethylisopropenoxysilan und deren Mischungen.
Die während des Lösemittelaustauschs bevorzugt eingesetzten Hydrophobierungsmittel entsprechen somit den Hydrophobierungsmitteln, welche auch bei der Hydrophobierung bzw. Silanisierung des Sols eingesetzt werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es besonders bevorzugt, wenn sowohl das Precursorsol mit einem Hydrophobierungsmittel, insbesondere einem Silanisierungsmittel, versetzt wird, als auch nach der Lyogelbildung eine weitere Hydrophobierung vorgenommen wird.
Durch die Hydrophobierung nach Bildung des Lyogels, insbesondere im Rahmen eines Lösemittelaustauschs oder als eigenständiger Verfahrensschritt, wird eine Hydrophobierung der Poren des Lyogels erzielt. Während des Lösemittelaustauschs kann eine Hydrophobierung der Poren, insbesondere eine Porensilanisierung, mit dem Einsatz weiterer Hydrophobierungsmittel, insbesondere Silanisierungsmittel erfolgen. Hierbei wurde insbesondere festgestellt, dass durch die Verwendung weiterer Hydrophobierungsmittel, wie z B. Hexamethyldisilazan, ein benötigter Lösemittelaustauschschritt deutlich beschleunigt werden kann. Für eine erfolgreiche Silanisierung sollte der Restwassergehalt der Lyogele ausreichend hoch sein, vorzugsweise oberhalb von 50 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Lyogels.
Die pH-Werte der Lösungen oder Dispersion des Hydrophobierungsmittels, insbesondere der Silanisierungslösungen, können in Abhängigkeit der verwendeten Hydrophobierungsmittel, insbesondere der Silanisierungsmittel variieren. Beim Einsatz von Trimethylsilanol, Diphenylsilandiol, Hexamethyldisilazan und Hexamethyldisiloxan sowie weiterer Silanole oder Silanol bildender Substanzen haben sich pH-Werte größer 8 als vorteilhaft erwiesen. Als Silanisierungslösung können organische Lösungen wie unpolare Substanzen (Hexan), aprotische Lösemittel oder alkoholische Lösemittel, wie z. B. Methanol, Ethanol, Isopropanol oder dgl. eingesetzt werden, denen die zuvor genannten Hydrophobierungsmittel, insbesondere Silanisierungsmittel, zugesetzt werden. Die Lyogele können in der das Hydrophobierungsmittel enthaltenden Lösung oder Dispersion gebadet bzw. mit dieser übersichtet werden, wobei die Kontaktzeiten bei bis zu 30 Minuten liegen.
Alternativ können die Hydrophobierungsmittel, insbesondere Silanisierungsmittel auch in einer mit organischen Lösemitteln gesättigten oder teilweise gesättigten verdichteten Phase, insbesondere dem Prozessmedium, vorzugsweise einer CO₂-Phase, eingesetzt werden, wobei die Phase sowohl eine unterkritische Gasphase als eine überkritische Phase sein kann. Als organische Lösemittel eignen sich sowohl unpolare Lösemittel, wie Hexan, aprotische Lösemittel, wie Dimethylsulfoxid, oder alkoholische Lösemittel, wie Ethanol. Die verwendeten Lösemittel können die Löslichkeit der Hydrophobierungsmittel, insbesondere der Silanisierungsmittel in der verdichteten CO₂-Phase verbessern. Bei ausreichender Löslichkeit der Hydrophobierungsmittel, insbesondere der Silanisierungsmittel im Prozessmedium, insbesondere im verdichteten CO₂, kann auf den Einsatz organischer Lösemittel verzichtet werden. Wenn ein Lösemittelaustausch oder eine Funktionalisierung über die Gasphase oder in kritischer Phase stattfindet, wird anschließend eine Überführung der Gelpartikel von einem ersten Druckbehälter in einen zweiten Druckbehälter eine Flüssigkeit in den ersten Druckbehälter eingebracht bzw. Druck und Temperatur auf unterkritische Werte eingestellt, so dass sich eine flüssige Phase bildet, in welcher die Partikel dispergiert sind. In der Flüssigkeit werden die Partikel dann von dem ersten Druckbehälter in den zweiten Druckbehälter überführt.
Im Rahmen des Lösemittelaustausches wird vorzugsweise ein CO₂-lösliches Lösemittel in das Verfahren eingebracht. Der Lösemittelaustausch erfolgt dann beispielsweise unter einem Druck von 80 bar und 120 °C. Bei dieser Verfahrensvariante reicht Einlösung des Lösemittels in die CO₂-Phase aus, um das Wasser aus den Poren zu verdrängen. Alternativ kann das insbesondere im Autoklaven lagernde Gel mit flüssigen Lösemittel überschichtet werden. Dies erfolgt vorzugsweise bei einem Druck von 160 bar und einer Temperatur von 120 °C.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann es vorgesehen sein, dass der Lösemittelaustausch in mehreren Verfahrensstufen durchgeführt wird, insbesondere in 2 bis 15, vorzugsweise 3 bis 10, bevorzugt 3 bis 4, Verfahrensstufen. In diesem Zusammenhang kann es vorgesehen sein, dass das Lyogel mehrfach mit dem organischen Lösemittel in Kontakt gebracht wird. Vorzugsweise wird dabei vorgegeben, dass in jeder Verfahrensstufe zumindest ein Teil eines Gemisches aus Lösemittel und Wasser oder zu ersetzendem Lösemittel aus dem Reaktor entfernt wird und neues organisches Lösemittel eingebracht wird.
Besonders bevorzugt ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung, wenn durch den Lösemittelaustausch der Wassergehalt des Lyogels auf unter 30 Vol.-%, vorzugsweise unter 25 Vol.-%, bevorzugt unter 20 Vol.-%, bezogen auf das Gesamtvolumen an Löse- oder Dispersionsmitteln, gesenkt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann der Lösemittelaustausch durch den Einsatz von mit Wasser mischbaren Lösemitteln, wie beispielsweise Ethanol, Methanol, Isopropanol und Dimethylsulfoxid, erfolgen. Hierbei zeigt sich, dass der Restwassergehalt in den sphärischen Lyogelpartikeln vorzugsweise auf kleiner 10 Vol.-% gesenkt werden sollte, bevor eine nachgeschaltete Trocknung gestartet wird. Alternativ und gleichermaßen bevorzugt können auch hydrophobe organische Lösemittel für diesen Prozessschritt eingesetzt werden, wie z. B. Hexan, Penthan oder Cyclohexan, welche bei einer ausreichenden Vorsilanisierung das in den Poren eingelagerte Wasser aus dem Lyogel verdrängen können. Der Lösemittelaustausch erfolgt vorzugsweise im verdichteten Kohlendioxid. Hierbei wird das Lösemittel in einem Druckbehälter, insbesondere in einem Autoklaven, unter Druck eindosiert. Überraschenderweise zeigt sich, dass ein Lösemittelaustausch auch dann erfolgreich durchgeführt werden kann, wenn das Lösemittel nicht in flüssiger Form mit den Gelpartikeln in Kontakt tritt. Es reicht vielmehr aus, wenn sich das Lösemittel im verdichteten CO₂ löst und so in das Gel eindringt und das Wasser aus den Poren verdrängt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Aerogel wie zuvor beschrieben, wobei

(a) in einem ersten Verfahrensschritt mindestens ein Sol, insbesondere mindestens eine Lösung oder Dispersion eines Precursors, bereitgestellt wird,
(b) in einem auf den ersten Verfahrensschritt (a) folgenden zweiten Verfahrensschritt das Sol in einen mit Druck beaufschlagten ersten Druckbehälter eingebracht, insbesondere eingetropft oder eingedüst, wird, wobei Lyogelpartikel erhalten werden,
(c) in einem auf den zweiten Verfahrensschritt (b) folgenden dritten Verfahrensschritt die in Verfahrensschritt (b) erhaltenen Lyogelpartikel in einer Flüssigkeit unter Druck von dem ersten Druckbehälter in den zweiten Druckbehälter überführt werden, und wobei vor und/oder nach Verfahrensschritt (c) ein Lösemittelaustausch und/oder eine Hydrophobierung des Lyogels durchgeführt wird.

Der Lösemittelaustausch kann dabei über einen Zeitraum von bis zu 50 Minuten, insbesondere bis zu 40 Minuten, insbesondere bis zu 30 Minuten erfolgen. Besonders bevorzugt ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung, wenn der Lösemittelaustausch über einen Zeitraum von 10 bis 50 Minuten, insbesondere 20 bis 40 Minuten, vorzugsweise 20 bis 30 Minuten, durchgeführt wird.
Für die zuvor beschriebene Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gelten alle zuvor genannten weiteren Ausführungsformen, Merkmale und Besonderheiten, welche zuvor genannt waren.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es üblicherweise vorgesehen, dass das Lyogel durch Entfernung des Löse- oder Dispersionsmittels in ein Aerogel überführt wird, insbesondere in einem nachfolgenden Verfahrensschritt (d).
In diesem Zusammenhang kann es vorgesehen sein, dass im Anschluss an einen Lösemittelaustausch und/oder eine Hydrophobierung des Lyogels, - eine Entfernung des Löse- oder Dispersionsmittels - durchgeführt wird, wobei Verfahrensschritt (d) in jedem Fall nach Verfahrensschritt (c) durchgeführt wird, insbesondere im Anschluss an Verfahrensschritt (c), das Lyogel in ein Aerogel überführt wird. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird es bevorzugt, wenn die Entfernung des Lösemittels unter erhöhtem Druck durchgeführt wird.
Im Allgemeinen ist es vorgesehen, dass zur Überführung des Lyogels in ein Aerogel das Lyogel mit einem Trocknungsmedium, insbesondere ein Trocknungsgas oder ein überkritisches Medium in Kontakt gebracht wird. Bevorzugt handelt es sich bei dem Trocknungsmedium um Kohlendioxid. In diesem Zusammenhang kann es vorgesehen sein, dass das Lyogel kontinuierlich oder diskontinuierlich dem Trocknungsmedium, insbesondere dem Trocknungsgas oder dem überkritischen Medium, in Kontakt gebracht wird. Bei einem diskontinuierlichen Inkontaktbringen wird das Lyogel in einer Vorrichtung mit einer vorgegebenen Menge des Trocknungsmedium über eine vorgewählten Zeitraum in einer Vorrichtung in Kontakt gebracht. Anschließend wird das mit Lösemittel verunreinigte Trocknungsmedium entfernt und gegebenenfalls gegen frisches Trocknungsmedium ausgetauscht bis der gewünschte Trocknungsgrad erreicht ist. Bei dem kontinuierlichen Inkontaktbringen des Lyogels mit dem Trocknungsmedium, auch kontinuierliche Trocknung genannt, wird das Lyogel in einer Vorrichtung von dem Trocknungsmediums überstrichen oder durchströmt bis der gewünschte Trocknungsgrad erreicht ist.
Besonders gute Ergebnisse werden in diesem Zusammenhang erhalten, wenn die Entfernung des Lösemittels bei Drücken von mehr als 50 bar, insbesondere mehr als 60 bar, vorzugsweise mehr als 70 bar, bevorzugt mehr als 74 bar, durchgeführt wird. Gleichermaßen kann es vorgesehen sein, dass die Entfernung des Lösemittels im Bereich von 50 bis 180 bar, insbesondere 55 bis 160 bar, vorzugsweise 60 bis 140 bar, bevorzugt 70 bis 130 bar, besonders bevorzugt 74 bis 130 bar, durchgeführt wird.
Was nun die Temperaturen anbelangt, bei welchem die Entfernung des Lösemittels durchgeführt wird, so hat es sich bewährt, wenn diese bei erhöhten Temperaturen durchgeführt wird.
Üblicherweise wird die Entfernung des Lösemittels bei Temperaturen oberhalb von 50 °C, insbesondere oberhalb von 55 °C, vorzugsweise oberhalb von 60 °C, durchgeführt.
In diesem Zusammenhang kann es gleichermaßen vorgesehen sein, dass die Entfernung des Lösemittels bei Temperaturen im Bereich von 50 bis 160 °C, insbesondere 70 bis 160 °C, vorzugsweise 90 bis 150 °C, bevorzugt 100 bis 140 °C, besonders bevorzugt 110 bis 130 °C, durchgeführt wird.
Durch eine Entfernung des Lösemittels bei den vorgenannten Drücken und Temperaturen kann insbesondere durch eine überkritische Trocknung mittels CO₂ besonders rasch ein Aerogel erhalten werden. Üblicherweise ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass das Lösemittel innerhalb von 10 bis 50 Minuten, vorzugsweise 20 bis 30 Minuten, aus dem Lyogel entfernt wird.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise ein Verfahren zur Herstellung eines Aerogels wie zuvor beschrieben, wobei

(a) in einem ersten Verfahrensschritt mindestens ein Sol, insbesondere eine Lösung oder Dispersion eines Precursors, bereitgestellt wird,
(b) in einem auf den ersten Verfahrensschritt (a) folgenden zweiten Verfahrensschritt das Sol in einen mit Druck beaufschlagten ersten Druckbehälter eingebracht, insbesondere eingetropft oder eingedüst, wird, wobei Lyogelpartikel erhalten werden,
(c) in einen auf den zweiten Verfahrensschritt (b) folgenden dritten Verfahrensschritt die in Verfahrensschritt (b) erhaltenen Lyogelpartikel in einer Flüssigkeit unter Druck von dem ersten Druckbehälter in einen zweiten Druckbehälter überführt werden, wobei gegebenenfalls vor und/oder nach Verfahrensschritt (c) ein Lösemittelaustausch und/oder eine Hydrophobierung des Lyogels durchgeführt wird, und
(d) in einem nachfolgenden Verfahrensschritt (d) das Lyogel durch Entfernung des Löse- oder Dispersionsmittels in ein Aerogel überführt wird.

Auf diese besondere und bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung lassen sich sämtliche zuvor genannten Verfahrensmerkmale und Ausführungsformen, insbesondere auch Vorteile und Besonderheiten, ohne Einschränkung lesen.
Was nun die Gesamtdauer des zuvor beschriebenen Verfahrens anbelangt, so wird das erfindungsgemäße Verfahren üblicherweise mit einer Gesamtdauer über die Verfahrensschritte (a) bis (d) unter Verwirklichung des Lösemittelaustauschs und der Hydrophobierung in einem Zeitraum von 1 bis 2 Stunden, vorzugsweise 1 bis 1,5 Stunden, durchgeführt.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird dabei in mehreren Druckbehältern, insbesondere mindestens zwei Druckbehältern durchgeführt, insbesondere wobei die einzelnen Schritte oder auch mehreren Verfahrensschritte in mehreren hintereinandergeschalteten und/oder parallel geschalteten Druckbehältern, insbesondere Autoklaven durchgeführt werden. Besonders bevorzugt ist es jedoch im Rahmen der vorliegenden Erfindung, wenn sämtliche Verfahrensschritte unter erhöhtem Druck, insbesondere in einer CO₂-Atmosphäre, durchgeführt werden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass die Lyogelbildung in einem ersten Druckbehälter durchgeführt wird und die Partikel anschließend kontinuierlich und/oder diskontinuierlich von einem ersten Druckbehälter in einen zweiten Druckbehälter überführt werden, wobei mehrere zweite Druckbehälter vorgesehen sind, in welchen die nachfolgenden Schritte durchgeführt werden. Dies bietet sich insbesondere an, da die Lyogelbildung unter innerhalb weniger Sekunden abgeschlossen ist, während die nachfolgenden Verfahrensschritte jeweils Verfahrensdauern im Minutenbereich aufweisen. Auf diese Weise kann beispielsweise die sehr schnell erfolgende aber apparativ schwierig einzustellende Lyogelbildung stets in einem ersten Druckbehälter, insbesondere Autoklaven, unter konstanten Bedingungen hergestellt werden und die gebildeten Lyogelpartikel werden anschließend in weitere zweite Druckbehälter zur Weiterverarbeitung überführt.
Hierbei kann es wiederum vorgesehen sein, dass sämtliche weiteren Verfahrensschritte in jeweils einem Druckbehälter durchgeführt werden, d.h. dass die in den zweiten Druckbehälter überführten Lyogelpartikel dort bis zur Trocknung und Aerogelherstellung verbleiben. Gleichermaßen kann es jedoch auch sein, dass jeder Verfahrensschritt in einem weiteren Druckbehälter durchgeführt wird, wobei die Partikel jeweils in einer Flüssigkeit unter Druck von einem ersten Druckbehälter in einen zweiten Druckbehälter überführt werden. Darüber hinaus kann es auch vorgesehen sein, dass beispielsweise der erste Druckbehälter mit einer Vielzahl von zweiten Druckbehältern, insbesondere zwei bis zehn, vorzugsweise drei bis fünf, zweiten Druckbehältern, verbunden ist, in welchen über Schleusen oder Ventile die Überführung der Partikel in der Flüssigkeit gesteuert werden kann, so dass die Lyogelbildung kontinuierlich und die Aerogelherstellung insgesamt quasi-kontinuierlich erfolgen kann.
Weiterhin ist es auch möglich, dass die zur Herstellung Aerogelen notwendigen Verfahrensschritte parallel in mehreren zweiten Druckbehältern bzw. Autoklaven durchgeführt werden, wobei die Verfahrensschritte in einzelnen zweiten Druckbehältern unter zumindest teilweise unterschiedlichen Verfahrensbedingungen durchgeführt werden. Insbesondere können der Druck, die Temperatur, die verwendeten Lösemittel und Reagenzien, wie beispielsweise das Hydrophobierungsmittel, in allen oder einigen zweiten Druckbehältern voneinander abweichen. Auf diese Weise können parallel Aerogele mit unterschiedlichen und auf den jeweiligen Anwendungszweck angepassten Eigenschaften hergestellt werden.
Darüber hinaus kann es gleichermaßen vorgesehen sein, dass der erste Druckbehälter und der zweite Druckbehälter bzw. die zweiten Druckbehälter lösbar miteinander verbunden sind, insbesondere über Schleusen. So ist es beispielsweise möglich, ein oder mehrere zweite Druckbehälter mit dem ersten Druckbehälter lösbar zu verbinden und bei Bedarf auszutauschen und zur Weiterverarbeitung an einen anderen Ort zu verbringen.
Die Trocknung der Partikel erfolgt vorzugsweise in überkritischem CO₂. Die Trocknungszeit der von erhaltenen sphärischen Gelpartikeln mit einer Größe von 0,5 bis 5 mm kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren unter Hydrophobierung der Lyogele auf 10 bis 30 Minuten gesenkt werden. Die gilt zumindest eine Aerogelherstellung im Technikumsmaßstab.
Insbesondere durch eine Einspeisung von komprimiertem Kohlendioxid als Trocknungsmedium kann der Gasstrom zur gezielten kontinuierlichen Trocknung der Organogele genutzt, und eine einstufige Aerogelpartikelerzeugung, d. h. in einem Reaktorgefäß bzw. Reaktor, sichergestellt werden.
Die vorliegenden Erfindung betrifft somit insbesondere ein Verfahren zur kontinuierlichen oder quasi-kontinuierlichen Herstellung von Aerogelen mittels eines Sol-Gel-Verfahrens, wobei zunächst ein Sol, oder mehre Sole, insbesondere ein Precursorsol oder mehrere Precursorsole, bereitgestellt werden, wobei das Sol oder die Sole, insbesondere nach Mischung, in einen Reaktor eingebracht werden zu einem Lyogel umgesetzt werden, wobei der Reaktor ein erster Druckbehälter ist oder die Lyogelpartikel nach ihrer Bildung in einen ersten Druckbehälter überführt werden, wobei in dem ersten Druckbehälter ein Druck von über 1 bar eingestellt ist oder eingestellt wird, wobei die Lyogelpartikel anschließend zu Aerogelpartikeln weitervarbeitet werden und wobei die Lyogelpartikel bei der Weiterverarbeitung zu einem Aerogel in einer Flüssigkeit unter Druck aus dem ersten Druckbehälter in einen zweiten Druckbehälter überführt werden, vorzugsweise gemäß dem zuvor beschriebenen Verfahren,
wobei das Verfahren die weiteren Verfahrensschritte umfasst:

(i) Altern des Lyogels
(ii) optional Reinigen des Lyogel
(iii) optional Lösemittelaustausch
(iv) Hydrophobieren des Lyogels
(v) Trocknen des Lyogel zu einem Aerogel.

Die Verfahrensschritte (i) bis (v) werden vorzugsweise alle unter erhöhtem Druck durchgeführt, wobei die die Reihenfolge der Schritte (i) bis (iv) nicht festgelegt, sondern variabel ist. Die Schritte (i) bis (iv) können in der jeweils günstigsten Reihenfolge durchgeführt werden. Die Überführung der Lyogelpartikel von einem ersten in einen zweiten Druckbehälter kann zwischen der Lyogelbildung und jedem der weiteren Verfahrensschritte (i) bis (v) erfolgen. Gleichermaßen ist es auch möglich, dass zwischen jedem Verfahrensschritt eine Überführung der Lyogelpartikel von einem ersten Druckbehälter in einem zweiten Druckbehälter vorgenommen wird.
Durch die kugelige Partikelform und die typischen Partikeldurchmesser zwischen 0,5 und 5 mm kann die überkritische Trocknung in einem Zeitfenster von bis zu 30 Minuten durchgeführt werden bei einem Druck von 120 bar und einer Temperatur von 60 bis 120 °C.
Wie zuvor bereits dargelegt, zeichnen sich die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlichen Aerogele durch einen insbesondere kreisförmigen Querschnitt aus, wodurch zum einen die mechanische Belastbarkeit und zum anderen die Fähigkeit zur Bildung dichter Kugelpackungen deutlich erhöht wird.
Üblicherweise ist es vorgesehen, dass die Aerogelpartikel sphärisch oder zylinderförmig sind.
Was nun die Partikelgröße der Aerogelpartikel anbelangt, so können diese naturgemäß in weiten Bereichen variieren. Es hat sich jedoch bewährt, wenn das Aerogel Partikelgrößen im Bereich von 0,1 bis 10 mm, insbesondere 0,2 bis 8 mm, vorzugsweise 0,3 bis 7 mm, bevorzugt 0,5 bis 5 mm, aufweist.
Gleichermaßen kann es im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass die Aerogelpartikel eine monodisperse Teilchengrößenverteilung aufweisen.
Es ist jedoch auch möglich, dass die Aerogelpartikel eine polydisperse Teilchengrö-ßenverteilung aufweisen. Die Teilchengrößenverteilung kann insbesondere gezielt über eine Variation der Eindüs- oder Eintropfbedingungen in den Reaktor gesteuert werden. Vorzugsweise weisen die Aerogelpartikel eine monodisperse Teilchengrö-ßenverteilung auf.
Bei den Aerogelpartikeln handelt es sich um hochporöse Feststoffe. Üblicherweise weist das Aerogel eine Porosität von über 94 %, insbesondere von über 95 %, vorzugsweise von über 96 %, auf.
Gleichermaßen kann es vorgesehen sein, dass das Aerogel eine Porosität von 94 bis 99,5 %, insbesondere 95 bis 99 %, vorzugsweise 96 bis 98 %, aufweist.
Darüber hinaus weisen die Aerogele hohe innere Oberflächen auf. So kann es vorgesehen sein, dass das Aerogel eine BET-Oberfläche von mindestens 500 m²/g, insbesondere 600 m²/g, vorzugsweise 650 m²/g, bevorzugt 700 m²/g, besonders bevorzugt 800 m²/g, aufweist.
Gleichermaßen kann es vorgesehen sein, dass das Aerogel eine BET-Oberfläche im Bereich von 500 bis 1.000 m²/g, insbesondere 600 bis 1.050 m²/g, vorzugsweise 650 bis 1.000 m²/g, bevorzugt 700 bis 950 m²/g, besonders bevorzugt 800 bis 900 m²/g, aufweist.
Was nun die Wärmeleitfähigkeit des Aerogels anbelangt, so kann diese in weiten Bereichen variieren. Üblicherweise weist das Aerogel jedoch sehr niedrige Wärmeleitfähigkeiten auf. Besonders gute Ergebnisse werden erhalten, wenn das Aerogel eine Wärmeleitfähigkeit von höchstens 0,025 W/mK, insbesondere höchstens 0,022 W/mK, vorzugsweise 0,020 W/mK, bevorzugt 0,019 W/mK, aufweist.
Üblicherweise weist das Aerogel eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 0,012 bis 0,025 W/mK, insbesondere 0,013 bis 0,022 W/mK, vorzugsweise 0,014 bis 0,020 W/mK, bevorzugt 0,015 bis 0,019 W/mK, auf.
Darüber hinaus kann es vorgesehen sein, dass das Aerogel eine Dichte im Bereich von 0,01 bis 0,60 g/cm³, insbesondere 0,11 bis 0,55 g/cm³, vorzugsweise 0,12 bis 0,50 g/cm³, bevorzugt 0,13 bis 0,50 g/cm³, aufweist.
Für weitergehende Einzelheiten zu dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Aerogelen kann auf die obigen Ausführungen zu dem ersten Erfindungsaspekt verwiesen werden, welche in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Aerogelen entsprechend gelten.
Weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung - gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung - ist eine Vorrichtung zur Verarbeitung von insbesondere scherempfindlichen Partikeln unter Druck, insbesondere eine Vorrichtung zur Herstellung und Verarbeitung von Gelpartikeln unter Druck, aufweisend mindestens einen ersten Druckbehälter und mindestens einen zweiten Druckbehälter, wobei die Vorrichtung dazu ausgebildet ist, die Partikel, insbesondere die Gelpartikel, in einer Flüssigkeit von dem ersten Druckbehälter in den zweiten Druckbehälter zu überführen.
Üblicherweise ist die Vorrichtung im Rahmen der vorliegenden Erfindung derart ausgebildet, dass die Partikel kontinuierlich und/oder quasi-kontinuierlich bzw. batchweise von einem ersten Druckbehälter in einen zweiten Druckbehälter überführt werden.
Gleichermaßen ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung üblicherweise vorgesehen, dass die Vorrichtung, insbesondere der erste und der zweite Druckbehälter, Einrichtungen zur Erzeugung und/oder Regelung von Druck, insbesondere in dem ersten Druckbehälter und/oder in dem zweiten Druckbehälter, aufweist.
Vorzugsweise sind die Einrichtungen zur Erzeugung und/oder Regelung von Druck derart ausgebildet, dass ein Druckaufbau in den Druckbehältern mittels Einleitung von komprimierten Gasen oder überkritischen Stoffen, insbesondere komprimiertem CO₂ und/oder überkritischem CO₂ erfolgt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es üblicherweise vorgesehen, dass der erste Druckbehälter und der zweite Druckbehälter miteinander verbunden sind, insbesondere über mindestens einer Leitung, vorzugsweise einer Rohrleitung.
Gleichermaßen kann es im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass mehrere zweite Druckbehälter oder auch dritte und weitere Druckbehälter vorgesehen sind, welche mit dem ersten Druckbehälter verbunden sind, beispielsweise über ein Leitungssystem. Das Leitungssystem kann dabei verschiedene Verzweigungen, insbesondere zu mehreren zweiten oder weiteren Druckbehältern und/oder Ventile und/oder Schleusen etc. aufweisen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann es weiterhin vorgesehen sein, dass der erste und der zweite Druckbehälter lösbar bzw. reversibel miteinander verbunden sind, insbesondere über eine Schleuse. Eine lösbare bzw. reversible Verbindung ermöglicht es insbesondere, unterschiedliche zweite Druckbehälter mit dem ersten Druckbehälter sequentiell, d.h. aufeinanderfolgend zu verbinden. Alternativ kann es jedoch auch vorgesehen sein, dass eine Vielzahl zweiter Druckbehälter mit einem oder mehreren ersten Druckbehältern, insbesondere einem ersten Druckbehälter, verbunden ist, insbesondere über ein Leitungssystem, wobei diese selbstverständlich bei Bedarf auch reversibel mit dem ersten Druckbehälter verbunden sein können.
Gleichermaßen kann es vorgesehen sein, dass die Vorrichtung weitere Druckbehälter aufweist, aus welchen die Partikel aus dem zweiten Druckbehälter überführt werden. Im Rahmen der Erfindung werden diese mehreren Druckbehälter oftmals als zweite Druckbehälter bezeichnet. Die Überführung der Partikel findet dafür entsprechend der Überführung aus dem ersten Druckbehälter in den zweiten Druckbehälter statt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass ein Druckunterschied zwischen dem ersten Druckbehälter und dem zweiten Druckbehälter eingestellt werden kann. Auf diese Weise können die Partikel insbesondere mithilfe eines Überdrucks im ersten Druckbehälter in den zweiten Druckbehälter überführt werden. Eine Flüssigkeit, in welcher die Partikel dispergiert sind, wird somit einfach aus dem ersten Druckbehälter herausgepresst.
Alternativ und/oder ergänzend ist es möglich, dass die Vorrichtung eine Pumpe zur Überführung der Partikel in der Flüssigkeit von dem ersten Druckbehälter in den zweiten Druckbehälter aufweist. Wenn eine Pumpe eingesetzt wird, so handelt es sich vorzugsweise um eine Hochdruckpumpe mit großem Schlupf, da auf diese Weise eine mechanische Beschädigung der transportierten Partikel durch Einwirkung der Pumpe vermieden werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass der Boden des ersten Druckbehälters geneigt ist, insbesondere in Form einer schiefen Ebene ausgebildet ist.
Eine schiefe Ebene erleichtert insbesondere die Überführung der Partikel aus dem ersten Druckbehälter in den zweiten Druckbehälter.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weiterhin vorgesehen, dass der zweite Druckbehälter Mittel zur Trennung der Partikel von der Flüssigkeit aufweist. Insbesondere können hier Filter vorgesehen sein, vorzugsweise Filtervliese und/oder Siebe, vorzugsweise Filtervliese.
Über eine Abfolge von Filtern bzw. Sieben mit unterschiedlichen Maschenweiten ist es insbesondere möglich, die Partikel zu klassieren. Eine Klassierung kann beispielsweise auch erfolgen, indem die Partikel von dem einen Druckbehälter in mehrere in Reihe geschaltete Druckbehälter überführt werden, die allesamt Filtereinrichtungen mit unterschiedlichen Filterwerten aufweisen. Die Überführung der Partikel von einem ersten zweiten Druckbehälter zu zweiten und dritten zweiten Druckbehältern erfolgt analog der Überführung der Partikel von dem ersten Druckbehälter in den zweiten Druckbehälter.
Weiterhin ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung üblicherweise vorgesehen, dass der erste Druckbehälter und/oder der zweite Druckbehälter Mittel zum Einleiten und/oder zum Ausleiten von Flüssigkeiten in und/oder aus dem ersten Druckbehälter und/oder in und/oder aus dem zweiten Druckbehälter aufweisen.
Derartige Mittel zum Einleiten oder Ausleiten von Flüssigkeiten sind insbesondere vorgesehen, um beispielsweise einen Lösemittelaustausch in den Druckbehältern vorzunehmen oder auch die chemische Zusammensetzung der Flüssigkeit zu ändern bzw. auch reaktive Chemikalien, insbesondere Hydrophobierungsmittel, zuzusetzen.
Weiterhin kann es vorgesehen sein, dass die Druckbehälter Einrichtungen zur Einstellung und Regelung der Temperatur aufweisen. In diesem Zusammenhang wird es bevorzugt, wenn die Temperatur in jedem Druckbehälter separat eingestellt und geregelt werden kann.
Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend in nicht beschränkter Weise exemplarisch anhand der Figurendarstellungen erläutert.
Es zeigt 1 beispielhaft eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1, welche zur diskontinuierlichen bzw. batchweisen Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist. Die Vorrichtung 1 weist einen ersten Druckbehälter 2 und einen zweiten Druckbehälter 3 auf. Der erste Druckbehälter 2 und der zweite Druckbehälter 3 sind über eine Leitung 4, vorzugsweise in Form einer Rohrleitung, verbunden. Gemäß der in der Figurendarstellung dargestellten Ausführungsform sind der erste Druckbehälter 2 und der zweite Druckbehälter 3 reversibel und lösbar über die Leitung 4 miteinander verbunden.
Die reversible Verbindung ist beispielsweise mittels einer Schleuse 5 möglich, die vorzugsweise Ventile 6 aufweist, welche einen Verschluss der Leitung 4 und eine Trennung der Leitung 4 an der Schleuse 5 erlauben. Auf diese Weise können mehrere zweite Druckbehälter 3 sequenziell bzw. zeitlich aufeinanderfolgend an den ersten Druckbehälter 2 angeschlossen werden.
1 verdeutlicht ein Verfahren zum Transport von Partikeln aus dem ersten Druckbehälter 2 in einen zweiten Druckbehälter 3 anhand der Herstellung eines Aerogels mittels eines Sol-Gel-Verfahrens.
In 1 wird dabei eine quasi-kontinuierliche Herstellung der Partikel beschrieben, in welcher die Partikel 7 in einer Flüssigkeit 8 in einem Auffang- und/oder Sammelabschnitt 9 des ersten Druckbehälters 2 gesammelt werden.
Vorzugsweise wird zur Herstellung der Gelpartikel derart vorgegangen, dass ein Silica-Precursorsol bzw. eine Mischung von Silica-Precursorsolen, insbesondere auf Basis von Kieselsäure oder Silanhydrolysaten, durch eine Düse 10 in den mit Druck beaufschlagten ersten Druckbehälter 2 eingebracht wird. Der Druck im ersten Druckbehälter 2 beträgt dabei vorzugsweise mehr als 30 bar und die Temperatur mehr als 60 °C. Vorzugsweise wird die Eintropfung des Sols durch die Düse 10 in den ersten Druckbehälter 2 bei 100 bis 120 bar und Temperaturen von 60 bis 160 °C durchgefü h rt.
Der Druckaufbau im ersten Druckbehälter 2 erfolgt dabei vorzugsweise mittels eines komprimierten Gases, insbesondere mittels komprimierten oder überkritischen Kohlenstoffdioxids. Zur Herstellung der Lyogelpartikel 7 kann dabei derart vorgegangen werden, dass ein vorzugsweise wässriges Silica-Sol, dessen pH-Wert leicht basisch eingestellt ist, durch die Düse 10 in den ersten Druckbehälter 2 eingetropft wird. Durch sofortige Reaktion mit dem im Druckbehälter 2 vorhandenen Kohlendioxid setzt eine instantane Gelierungsreaktion einsetzt, wodurch in Abhängigkeit der Eintropfgeschwindigkeit durch Düse 10 sphärische oder zylinderförmige Gelpartikel 7 erhalten werden.
Die Gelpartikel 7 sammeln sich in der Flüssigkeit 8 in einem Auffang- und/oder Sammelabschnitt 9 vorzugsweise einen unteren Abschnitt des ersten Druckbehälter 2.
Das Sol kann entweder aus einem Vorratsbehälter durch die Düse 10 in den ersten Druckbehälter 2 eingepumpt werden und die Gelierung findet ausschließlich durch eine pH-Wertverschiebung, welche durch Reaktion mit einem im ersten Druckbehälter 2 vorhandenen Prozessmedium, wie beispielsweise komprimiertem, Kohlendioxid, eingeleitet wird, statt. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Sol um eine Wasserglaslösung, insbesondere um eine wässrige Lösung von Natrium-Wasserglas, welches auf eine pH-Wert zwischen 8 und 11 eingestellt wurde. Diese Ausführungsform ist nicht in der Figurendarstellung gezeigt. Die Firgurendarstellung zeigt vielmehr eine alternative Ausführungsform, gemäß der die Gelierung des Sols bereits unmittelbar vor Einbringung in den ersten Druckbehälter 2 initiiert wird. Hierzu werden beispielsweise in einem Zweistoffzulaufsystem unterschiedliche Lösungen Dispersionen, insbesondere wässrige Lösungen oder Dispersionen mit unterschiedlichen pH-Werten, vorzugsweise wässrige Precursorsole mit unterschiedlichen pH-Werten, vorgelegt.
So kann beispielsweise eine Lösung A in Form eines sauren, Kieselsol, Kieselsäure oder Silanhydrolysat enthaltenden Sols vorgelegt werden, welches in einem Behälter 13 vorgelegt wird. In einem weiteren Behälter 14 wird dann ein Lösung B in Form eines basischen Silica-Sols vorgehalten. Die Lösungen A und B werden jeweils über Leitungen 15 und 16 mittels Pumpen 17 und 18 in eine Mischkammer 19 eindosiert werden, in welche die Gelierung bzw. Gelbildung initiiert wird. Das vor- bzw. teilgelierte Gel wird dann über eine oder mehrere Düsen 10 in den ersten Druckbehälter 2 eingedüst bzw. eingetropft, wobei die Reaktion in Gegenwart des hohen Druckes und der erhöhten Temperatur nochmals deutlich beschleunigt wird und wobei durch Verwendung von Kohlendioxid als Prozessmedium noch eine weitere Beschleunigung der Reaktion erzielt werden kann. Der Zulauf der Stoffe ist dabei kritisch und muss genau dosierbar sein, beispielsweise über die Pumpen 18 und 19 und/oder über Ventile 21 und 22.
Der Druckbehälter 2 weist ferner Einrichtungen zur Einleitung und/oder Austeilung von Gasen 11A, auf, insbesondere zur Einstellung und Regelung von Druck. Weiterhin weist der erste Druckbehälter 2 Einrichtungen zur Einleitung und Ausleitung von Flüssigkeiten 12A auf. Es können auch jeweils getrennte Einrichtungen zur Einleitung und Einrichtungen zur Ausleitung von Gasen aus dem ersten Druckbehälter vorliegen. Gleiches gilt auch für die Einrichtungen zur Einleitung bzw. Ausleitung von Flüssigkeit 12 sowie für den zweiten Druckbehälter 3. Aus Gründen der Übersichtlichkeit zeigen die Figurendarstellung jeweils nur eine Einrichtungen.
Die Partikel 12 werden in der Flüssigkeit 8 in einem Auffang- und/oder Sammelabschnitt des ersten Druckbehälter 2 gesammelt und können dort bereits in Abhängigkeit der Wahl der Flüssigkeit entweder einen Alterungsprozess, einen Lösemittelaustausch oder auch einer Funktionalisierung, insbesondere einer Hydrophobierung, vorzugsweise mit reaktiven Silanen, unterzogen werden. Die reaktiven Silane können dabei entweder über die Einrichtungen zur Einleitung und/oder Austeilung von Gasen 11A der die Einrichtungen zur Einleitung bzw. Ausleitung von Flüssigkeit 12A in den ersten Druckbehälter 2 eingebracht werden.
Ein Vorteil der Verwendung einer Schicht der Flüssigkeit 8 im unteren Teil des ersten Druckbehälters 2 liegt darin, dass die Partikel 7 in die Flüssigkeit 8 fallen und dort räumlich voneinander getrennt sind und folglich nicht verklumpen können, was oftmals der Fall ist, wenn die Partikel 7 auf den Kolonnenboden, d.h. den Boden des Druckbehälters 2 fallen. Auch wird so vermieden, dass die Partikel 7 bei zunehmender Füllung des Druckbehälters 2 durch ihr Eigengewicht verformt oder zerstört werden. Wenn die Partikel 7 eine vorbestimmte Zeit in dem ersten Druckbehälter 2 verbracht haben, werden die Ventile 6 der Leitung 4 geöffnet und die Flüssigkeit 8 mit den Partikeln 7 wird in den zweiten Druckbehälter 3 überführt. Nach Beendigung der Überführung werden die Ventile 6 geschlossen und die Schleuse 5 kann geöffnet werden, wobei weitere Einrichtungen beispielsweise zum Druckausgleich oder zur Erzeugung von Vakuum zur Druckanpassung vorgesehen sein können. Anschließend kann ein weiterer zweiter Druckbehälter 3 über die Schleuse 5 mit dem ersten Druckbehälter 1 verbunden werden.
2 zeigt den Zustand der Vorrichtung 1 nach Überführung der Partikel in den zweiten Druckbehälter 3.
Der zweite Druckbehälter 3 weist vorzugsweise eigene Einrichtungen zur Einstellung und Regelung des Drucks und der Temperatur auf, insbesondere Einrichtungen zur Einleitung und Ausleitung von Gas 11 B sowie weitere Einrichtungen zum Einleiten und Ausleiten von Flüssigkeiten 12B auf. Auch können für die Ein- und Ausleitung jeweils Einrichtungen Mittel vorliegen.
Darüber weist der zweite Druckbehälter 3 mindestens einen Auslass 25 zur Entfernung der Partikel aus dem zweiten Druckbehälter 3 aus. Die Überführung der Partikel 7 aus dem ersten Druckbehälter 2 in den zweiten Druckbehälter 3 kann dabei beispielsweise durch einen nicht in der Figurendarstellung gezeigte Hochdruckpumpe erfolgen, wobei bei Verwendung einer Hochdruckpumpe eine Hochdruckpumpe mit einem hohen Schlupf bevorzugt wird, um eine mechanische Beschädigung der Partikel 7 zu vermeiden. Vorzugsweise wird zur Überführung der Partikel 7 jedoch ein Druckunterschied zwischen dem ersten Druckbehälter 2 und dem zweiten Druckbehälter 3 eingestellt. Vorzugsweise ist dabei der Druck im ersten Druckbehälter 2 höher eingestellt als im zweiten Druckbehälter 3. Durch den Druckunterschied wird dann die Flüssigkeit 8 mit den Partikeln 7 aus dem ersten Druckbehälter 2 in den zweiten Druckbehälter 3 überführt.
Vorzugsweise ist der Boden des ersten Druckbehälters 2 in Form einer schiefen Ebene ausgebildet, was eine vollständige und restlose Überführung der Flüssigkeit 8 und der Partikel 7 von dem ersten Druckbehälter 2 in den zweiten Druckbehälter 3 ermöglicht.
Im zweiten Druckbehälter 3 kann dann die weitere Modifizierung der Verarbeitung der Partikel vorgenommen werden, insbesondere können die Gelpartikel in diesem Behälter altern oder es wird eine Hydrophobierung durchgeführt oder es wird ein Lösemittelaustausch vorgenommen oder eine Trocknung, welche vorzugsweise in überkritischen CO₂ stattfindet. Die Schritte können alle jeweils in separaten zweiten Druckbehältern 3 durchgeführt werden, wobei es selbstverständlich auch möglich ist, dass jeweils nur einzelne Teilschritte in einzelnen Druckbehältern 3 durchgeführt werden und die Partikel 7 im Anschluss an jeden einzelnen Verfahrensschritt oder eine Abfolge von Verfahrensschritten in weitere Druckbehälter überführt werden, insbesondere wiederum in einer Flüssigkeit und unter Druck.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit die Trennung der sehr schnell durchführbaren Gelierung von den weiteren deutlich zeitintensiveren Verfahrensschritten der Aerogelherstellung, wobei eine sehr flexible Anpassung möglich ist, je nach den vorherrschenden Bedingungen und den Zielvorgaben. So kann beispielsweise nur der erste Verfahrensschritt, nämlich die Bildung der Gelpartikel in dem ersten Druckbehälter 2 vorgenommen werden; alternativ können weitere Verfahrensschritte auch im ersten Druckbehälter 2 durchgeführt werden, wobei es selbstverständlich gleichfalls möglich ist, dass diese Schritte allesamt in dem zweiten Druckbehälter 3 oder in weiteren Druckbehältern durchgeführt werden.
Es zeigt 3 eine weitere Konfiguration der erfindungsgemäßen Vorrichtung 2 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche sich in besondere Weise für eine kontinuierliche Herstellung des Aerogels bzw. der Gelpartikel 7 eignet. In der Figurendarstellung gemäß 2 ist der erste Druckbehälter 2 zur Durchführung eines kontinuierlichen Verfahrens im unteren Bereich verbreitert. Dies ist nicht zwingend, erleichtert aber die kontinuierliche Verfahrensführung. Der Unterschied zu der in 1 dargestellten quasi-kontinuierlichen Herstellung von Gelpartikeln 7 liegt darin, dass gemäß der Verfahrensweise und der Vorrichtung nach 3 der Boden des ersten Druckbehälters 2 mit einer Flüssigkeit 8 überströmt wird, welche die Partikel 7 nach Bildung bei Ankunft am Boden des ersten Druckbehälters 2 unmittelbar im zweiten Druckbehälter 2 überführt. In der Figurendarstellung ist dargestellt, dass der erste Druckbehälter 2 mit einer Mehrzahl von zweiten Druckbehältern 3A bis 3C verbunden ist und zwar über ein Leitungssystem 4. Diese Möglichkeit ist selbstverständlich auch bei den in 1 dargestellten Ausführungsformen zu verwirklichen, d.h. die lösbare Verbindung gemäß 1, insbesondere die Schleuse 5 ist mit dem Leitungssystem 4 und einer Vielzahl von zweiten Druckbehältern 3 kombinierbar.
Die Flüssigkeit 8 mit den Partikeln 7 kann über Einstellung der Ventile 6A bis 6C jeweils in einem der zweiten Druckbehälter 3A bis 3C geleitet werden. Die zweiten Druckbehälter 3A bis 3C weisen vorzugsweise Filtereinrichtungen 23 auf, um die Partikel 7 von der Flüssigkeit 8 zu trennen. Hierbei können entweder beispielsweise Siebe oder Filtervliese, vorzugsweise Filtervliese, zum Einsatz kommen. Auch ist es möglich, die Partikel 7 durch mehrere hintereinander geschaltete Filtereinrichtungen 23 zu klassieren, d.h. in verschiedenen Größenfraktionen zu trennen. Gleiches kann auch erreicht werden, indem mehrere zweite Druckbehälter 3 hintereinander geschaltet werden, welche Siebe mit unterschiedlichen Siebgrößen oder Filter mit unterschiedlichen Durchlässigkeiten aufweisen. Eine Klassierung der Partikel ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung üblicherweise nicht notwendig, da Partikel 7 vorzugsweise eine sehr geringe Partikelgrößenverteilung aufweisen. Die Flüssigkeit 8 kann anschließend über ein Leitungssystem wiederum in den ersten Druckbehälter 2 zurückgeführt werden. Hierbei wird vorzugsweise eine Zwischenlagerung in einem Zwischenlager 24 vorgesehen. Darüber hinaus kann es gleichfalls vorgesehen sein, dass beispielsweise eine Feinsiebung von nicht abgetrennten sehr feinen Gelpartikein 7 erfolgt. Gleichermaßen kann auch eine Reinigung der Flüssigkeit 8 vorgesehen sein, welche diese beispielsweise von Salzfracht oder auch von nicht umgesetzten Chemikalien oder Reaktionsprodukten oder Abspaltungsprodukten getrennt wird.
Die Überführung der Partikel 7 in der Flüssigkeit 8 von einem ersten Druckbehälter 2 in den oder die zweiten Druckbehälter 3 kann dabei wie zuvor beschrieben erfolgen, beispielsweise durch Druckunterschiede zwischen dem ersten Druckbehälter 2 und dem zweiten Druckbehälter 3 oder auch durch Hochdruckpumpen.
Auch ist es möglich, statt der Ventile 6 Schleusen oder Schleusensysteme 5 vorzusehen, welche auch ein Entfernen der zweiten Druckbehälter 3 und einen Austausch gegen neue Druckbehälter 3 ermöglicht.
Die Verwendung mehrerer zweiter Druckbehälter 3 welche lösbar oder auch dauerhaft mit dem ersten Druckbehälter 2 verbunden sind, hat den Vorteil, dass tatsächlich eine kontinuierliche Bildung der Gelpartikel 7 erfolgen kann. Der Schritt der Bildung der Lyogelpartikel 7 erfolgt in der Regel sehr schnell, nämlich innerhalb von 1 bis 5 Sekunden, während die nachfolgenden Schritte jeweils zwischen 15 bis 30 Minuten benötigen. Es ist daher sinnvoll, die Partikel bis zu einer gewünschten Füllmenge in einen zweiten Druckbehälter 3A einzufüllen und anschließend in einen weiteren zweiten Druckbehälter 3B. Während der zweite Druckbehälter 3B gefüllt wird, kann dann der Druckbehälter 3A entweder über ein Schleusensystem abgekoppelt und durch einen neuen zweiten Druckbehälter 3A ersetzt werden oder es sind weitere Druckbehälter 3 an das Leitungssystem 4 angekoppelt, um stets eine kontinuierliche Aufnahme der in dem ersten Druckbehälter 2 gebildeten Partikel 7 zu gewährleisten.
Auf diese Weise ist es möglich, sphärische oder zylinderförmige Aerogelpartikel, welche eine besonders hohe mechanische Belastbarkeit aufweisen und sich gut zur Einarbeitung in Baustoffe eignen, in industriellem Maßstab herzustellen.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Erster Druckbehälter
3: Zweiter Druckbehälter
4: Leitung
5: Schleuse
6: Ventil
7: Partikel
8: Flüssigkeit
9: Auffang- und/oder Sammelbereich
10: Düse
11: Einruchtungen zur Einleitung und/oder Ausleitung von Gasen
12: Einrichtungen zur Einleitung und/oder Ausleitung von Flüssigkeit
13: Vorratsbehälter
14: Vorratsbehälter
15: Leitung
16: Leitung
17: Pumpen
18: Pumpen
19: Mischkammer
20: Ventil
21: Ventil
22: Einlass
23: Filtereinrichtung
24: Zwischenlager
25: Auslass

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 1811353 A [0009]
DE 102018128410 A1 [0015, 0043]
EP 3478400 B1 [0018]
FR 3053263 B1 [0022]

Claims

Verfahren zur Überführung von Partikeln unter Druck von einem ersten Druckbehälter in einen zweiten Druckbehälter, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel in einer Flüssigkeit von dem ersten Druckbehälter in den zweiten Druckbehälter überführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel mechanisch labil, insbesondere scherempfindlich sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel ein Gel aufweisen oder aus einem Gel bestehen, insbesondere Gelpartikel sind.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel Lyogelpartikel, insbesondere Hydrogelpartikel, sind.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel einen Feststoffanteil von höchsten 25 Gew.-%, insbesondere höchstens 20 Gew.-%, vorzugsweise höchstens 15 Gew.-%, bevorzugt höchstens 10 Gew.-%, besonders bevorzugt höchstens 8 Gew.-%, bezogen auf die Partikel, aufweisen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel einen Feststoffanteil im Bereich von 1 bis 25 Gew.-%, insbesondere 2 bis 20 Gew.-%, vorzugsweise 3 bis 15 Gew.-%, bevorzugt 4 bis 10 Gew.%, besonders bevorzugt 5 bis 8 Gew.-%, bezogen auf die Partikel, aufweisen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck auf Werte über 10 bar, insbesondere über 30 bar, vorzugsweise über 40 bar, bevorzugt über 50 bar, besonders bevorzugt über 60 bar, ganz besonders bevorzugt über 70 bar, insbesondere bevorzugt über 73 bar, speziell bevorzugt über 80 bar, eingestellt wird, insbesondere während der Überführung.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck auf Werte in einem Bereich von 10 bis 250 bar, insbesondere 30 bis 240 bar, vorzugsweise 40 bis 230 bar, bevorzugt 50 bis 220 bar, besonders bevorzugt 60 bis 200 bar, ganz besonders bevorzugt 70 bis 190 bar, insbesondere bevorzugt 73 bis 180 bar, speziell bevorzugt 80 bis 170 bar, im Besonderen bevorzugt 100 bis 150 bar, eingestellt wird, insbesondere während der Überführung.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur auf Werte über 30°C, insbesondere über 40°C, vorzugsweise über 50°C, bevorzugt über 60°C, eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur in einem Bereich von 30 bis 200°C, insbesondere 40 bis 190°C, vorzugsweise 50 bis 180°C, bevorzugt 60 bis 160°C, eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit einen Stoff ausgewählt aus der Gruppe von Wasser, organischen Lösemitteln und deren Mischungen enthält oder hieraus besteht, insbesondere ausgewählt ist aus der Gruppe von Wasser, Alkoholen, insbesondere Methanol, Ethanol, 1-Propanol, 2-Propanol, Butanol, Aceton, N,N-Dimethylformamid, Dimethylsulfoxid und deren Mischungen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Druckbehälter Auffang- und/oder Sammelabschnitt für Partikel aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel in der Flüssigkeit kontinuierlich von dem ersten Druckbehälter in den zweiten Druckbehälter überführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel in der Flüssigkeit in dem ersten Druckbehälter gesammelt werden und nachfolgend in der Flüssigkeit in den zweiten Druckbehälter überführt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel über eine Leitung, insbesondere eine Rohrleitung, von dem ersten Druckbehälter in den zweiten Druckbehälter überführt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Druckbehälter und der zweite Druckbehälter lösbar miteinander verbunden sind, insbesondere über eine Schleuse.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel in dem zweiten Druckbehälter von der Flüssigkeit getrennt werden.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit nach Abtrennung der Partikel wieder in den ersten Druckbehälter zurückgeführt wird, gegebenenfalls nach vorheriger Reinigung.
Verfahren zur kontinuierlichen oder quasi-kontinuierlichen Herstellung von Aerogelen mittels eines Sol-Gel-Verfahrens, wobei zunächst aus einem Sol oder mehreren Solen ein Lyogel hergestellt und das Lyogel anschließend zu einem Aerogel weiterverarbeitet wird und wobei die Bildung des Lyogels zumindest teilweise unter einem Druck von mehr als 1 bar in einem ersten Druckbehälter durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass Lyogelpartikel in einer Flüssigkeit unter Druck aus dem ersten Druckbehälter in einen zweiten Druckbehälter überführt werden, insbesondere mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 18.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck mehr als 40 bar, insbesondere mehr als 50 bar, vorzugsweise mehr als 60 bar, bevorzugt mehr als 70 bar, besonders bevorzugt mehr als 74 bar, beträgt und/oder dass die Herstellung des Lyogels bei Temperaturen oberhalb von 50°C, insbesondere 60°C, vorzugsweise 70°C, bevorzugt 80°C, durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Sol eine Lösung oder Dispersion eines Precursors ist.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Precursor ausgewählt ist aus Kieselsäuren, insbesondere kolloidaler Kieselsäure, Kieselsolen, Silanen, Silikasolen, vorzugsweise Tetraalkoxysilanen, Siloxanen und deren Mischungen.
Verfahren nach einem der einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Sol in Form von Tropfen in den ersten Druckbehälter eingebracht wird, insbesondere eingetropft und/oder eingedüst wird.
Verfahren nach einem der einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Lyogel, insbesondere im Anschluss an einen Lösemittelaustausch und/oder eine Hydrophobierung des Lyogels, zu einem Aerogel weiterverarbeitet wird.
Vorrichtung zur Verarbeitung von insbesondere scherempfindlichen Partikeln unter Druck, insbesondere Vorrichtung zur Herstellung und Verarbeitung von Gelpartikeln unter Druck, aufweisend mindestens einen ersten Druckbehälter und mindestens einen zweiten Druckbehälter, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung dazu ausgebildet ist, die Partikel, insbesondere die Gelpartikel, in einer Flüssigkeit von dem ersten Druckbehälter in den zweiten Druckbehälter zu überführen.
Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel kontinuierlich oder diskontinuierlich (batchweise) von dem ersten Druckbehälter in den zweiten Druckbehälter überführt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung, insbesondere der erste und der zweite Druckbehälter Einrichtungen zur Erzeugung und Regelung von Druck, insbesondere in dem ersten Druckbehälter und/oder in dem zweiten Druckbehälter, aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Druckbehälter und der zweite Druckbehälter miteinander verbunden sind, insbesondere über eine Leitung, vorzugsweise eine Rohrleitung.
Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Druckbehälter und der zweite Druckbehälter lösbar/reversibel miteinander verbunden, insbesondere über eine Schleuse.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckunterschied zwischen dem ersten Druckbehälter und dem zweiten Druckbehälter eingestellt werden kann und/oder dass die Vorrichtung eine Pumpe zur Überführung der Partikel in der Flüssigkeit von dem ersten Druckbehälter in den zweiten Druckbehälter aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Druckbehälter Mittel zur Trennung der Partikel von der Flüssigkeit aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Druckbehälter und/oder der zweite Druckbehälter Einrichtungen zum Einleiten und/oder zum Ausleiten von Flüssigkeit in und/oder aus dem ersten Druckbehälter und/oder in und/oder aus dem zweiten Druckbehälter aufweist.