DE112012001887T5 - Aerogel mit reduzierter Staubentwicklung und Elektrostatik sowie reduzierter Fluidität, sofern es in Körnchenform vorliegt - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein verbessertes Aerogel und dessen Herstellungsverfahren. Das verbesserte Aerogel weist gegenüber herkömmlichen Aerogelprodukten erheblich reduzierte Staubentwicklung (z. B. Aerogel-Feinstkörnchen) und Elektrostatik auf. Das Aerogel weist ferner einen ”klebrigen” Charakter auf, wodurch beliebige Stäube, Feinstkörnchen und/oder Feinstäube angezogen werden können und die Fließfähigkeit der Aerogelkörnchen z. B. aus einem gebrochenen Behälter hinaus eingeschränkt wird, wodurch der Verlust des Aerogelproduktes aus einer Öffnung minimiert wird.

Description

• FACHGEBIET DER ERFINDUNG
• Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung verbesserter Aerogele. Die verbesserten, sowohl hydrophoben als auch hydrophilen Aerogele weisen deutlich weniger Staub (z. B. Aerogelfeinstäube) sowie eine deutlich reduzierte statische Aufladung gegenüber den aus Formulierungen auf Silizium-, Zirkonium-, Aluminiumoxid-, Magnesium- oder Titanbasis hergestellten typischen Aerogelprodukten auf. Ein erfindungsgemäß hergestelltes Aerogel kann Agglomeratstrukturen bilden, die einen klebrigen Charakter aufweisen. Mit anderen Worten: Die Aerogelpartikel weisen entweder eine positive oder eine negative Ladung auf, die jeweils entgegengesetzt geladene Aerogelpartikel aufweisen und dadurch Klumpen bilden, die die Fließfähigkeit des Aerogels tendenziell einschränken, z. B. das Fließen des verbesserten Aerogels aus einem gebrochenen Behälter und/oder die Bewegungen der Aerogelkörnchen innerhalb eines Behälters minimieren. Die vorliegende Erfindung ermöglicht ferner eine deutliche Reduzierung der Staubentwicklung bei der Bearbeitung von Aerogelen.
• HINTERGRUND DER ERFINDUNG
• Die Aerogelbildung umfasst generell zwei Hauptschritte: im ersten wird ein solgelähnlicher Stoff ausgebildet, und im zweiten wird der solgelähnliche Stoff getrocknet, um das Aerogel zu bilden. In der Vergangenheit wurden die solgelähnlichen Stoffe mittels einer wässrigen Kondensation von Natriumsilikat oder einem ähnlichen Stoff hergestellt. Obwohl dieses Verfahren zwar relativ gut funktioniert, kommt es bei der Reaktion zu Salzbildung innerhalb des Gels; diese Salze müssen dann mittels einer kostenintensiven Ionentauschtechnik und wiederholten Waschens entfernt werden. Damit ist das herkömmliche Herstellungsverfahren zeitintensiv, teuer und umständlich.
• Aufgrund der jüngeren Entwicklungen der Solgelchemie in den letzten Jahrzehnten werden bei der Herstellung der großen Mehrheit der Silizium-Aerogele Siliziumalkoxid-Präkursoren verwendet. Die am häufigsten verwendeten Siliziumalkoxid-Präkursoren sind Tetramethylorthosilikat (Tetramethoxysilan (TMOS) Si(OCH₃)₄) und Tetraethylorthosilicat (Tetraethoxysilan (TEOS) Si(OCH₂CH₃)₄). Seltener vorkommende Aerogele können auch aus sonstigen Metallalkoxiden wie z. B. Tetrapropoxyzirkonium hergestellt werden. Zahlreiche weitere Alkoxide, die verschiedene organische funktionelle Gruppen enthalten, können aber verwendet werden, um dem Gel verschiedene Eigenschaften zu verleihen. Eine Solgelchemie auf Alkoxidbasis vermeidet allgemein die Bildung unerwünschter Salznebenprodukte und ermöglicht eine bessere Kontrolle des Endproduktes. Die ausgeglichene chemische Gleichung zur Bildung eines Kieselgels aus TEOS mit einem herkömmlichen Verfahren lautet: Si(OCH₂CH₃)₄(l) + 2H₂O(l)SiO₂(s) + 4HOCH₂CH₃(l)
• Für viele Anwendungen von Aerogelen werden die Aerogele in Körnchenform eingesetzt. Da Aerogele bessere Isolationseigenschaften als eine Vielzahl sonstiger Stoffe aufweisen, werden die Aerogelkörnchen häufig verwendet, um in verschiedenen Anwendungsbereichen Hohlräume, Behälter, Beutel, Platten, Gefäße usw. (die im Folgenden gemeinsam als ”Platte, Behälter oder Struktur” bezeichnet werden) zur Isolation zu füllen. Ein Hauptvorteil der Aerogele auf Siliziumdioxidbasis ist dabei, dass sie mit einem sehr niedrigen Brechungsindex mit gleichzeitig guter Lichtübertragung durch die Partikel hergestellt werden können. Durch die Kombination aus hoher Lichtübertragung und den ausgezeichneten Isolationseigenschaften der Aerogele auf Siliziumdioxidbasis eignen sie sich besonders für die Bedürfnisse der Fensterindustrie.
• Für einige Anwendungen werden der Solgel-Formulierung Hydrophobierungsmittel hinzugegeben, oder das Solgel wird in einer Lösung aus einem organischen Lösungsmittel und einem Hydrophobierungsmittel getränkt. Das Hydrophobierungsmittel bindet dann chemisch sowohl an die Innen- als auch die Außenflächen der Gelpartikel. Sind diese mit Hydrophobiemitteln modifizierten Aerogele einmal trocken, wird das Aerogel dann hydrophob. Bekannte Verfahren zur Herstellung hydrophober Aerogele beschreiben beispielsweise US-Patent Nr. 5,496,527 und 5,830,387 .
• Leider neigen Körnchenaerogele auf Siliziumdioxidbasis mit niedriger Dichte dazu, sehr schwach und bröckelig zu sein. Die zum Einfüllen einer Platte, eines Behälters oder einer Struktur mit den Aerogelpartikeln erforderliche Bearbeitung derartiger Aerogele führt häufig in einem gewissen Umfang zum Brechen der Aerogelpartikel. Diese Brüche der Aerogele führen wiederum zur Entwicklung von Aerogel-Feinstkörnchen oder Stäuben im Endprodukt. Diese Feinstkörnchen können zu erheblichen Defekten des Endproduktes führen, sofern sie sich in der gefüllten Platte, Behälter oder Struktur ansammeln können. Die Stäube und/oder Feinstkörnchen können sich letzten Endes absetzen oder aufschichten, was zu einer unerwünschten Verschlechterung der Aerogeleigenschaften, wie z. B. lokalen Unterschieden der Lichtübertragung, Luftspalten und einem kosmetisch wenig attraktiven Erscheinungsbild des Endproduktes führt. Der Staub lässt sich auch von Oberflächen schwer entfernen, wenn das Aerogelprodukt aus der gefüllten Platte, Behälter oder Struktur ausgeschüttet wird oder versickert.
• Hierbei ist ferner anzumerken, dass beim Fließen des Aerogels in eine Platte, Behälter oder Struktur eine erhebliche statische Aufladung entstehen kann. Diese Ladung neigt dazu, das gewünschte enge, dichte und einheitliche Packen des Aerogels innerhalb der Platten, Behälter oder Strukturen zu verhindern und kann zur Ansammlung oder Häufung von Aerogelpartikeln auf Oberflächen, Kleidung und/oder Haut des Verpackungspersonals führen. Außerdem ist anzumerken, dass eine hochgradige Elektrostatik auch eine ernsthafte Brand- oder Explosionsgefahr darstellt. Besondere Einfüllverfahren für Aerogele wie die in US-Patent Nr. 7,621,299 beschriebenen, die Schwingungen, Ableitung statischer Ladungen und Klopfen umfassen, werden häufig verwendet, um eine enge, dichte Verpackung der Platte, des Behälters oder der Struktur mit den Aerogelkörnchen zu ermöglichen. Trotz dieser besonderen Einfüllverfahren für Aerogele kommt es häufig weiterhin zum Absetzen der eingefüllten Aerogelkörnchen bei der weiteren Bearbeitung, dem Versand und/oder der Installation der Platte, des Behälters oder der Struktur.
• Anzumerken ist, dass Klopfen oder Schwingungen nach dem Abschluss des Einfüllverfahrens zum Zusammenbruch schwacher Körnchen und/oder zur Entstehung weiterer Stäube oder Feinstkörnchen im Aerogel-Endprodukt führen können. Wie oben angemerkt, ist die Entwicklung von Stäuben und/oder Feinstkörnchen im Endprodukt generell zu vermeiden.
• Wird die mit dem Aerogel gefüllte Platte, der Behälter oder die Struktur dann installiert, ist es außerdem häufig erforderlich oder wünschenswert, eine oder mehrere Öffnungen oder Löcher durch die Platte, den Behälter oder die Struktur zu schaffen, um damit verbundene Leitungen, Stromkabel oder dergleichen zu installieren. Häufig hat man festgestellt, dass nach der Bildung einer Öffnung oder eines Lochs in der Platte, Behälter oder Struktur, die die eingefüllten Aerogelkörnchen enthalten, diese häufig durch die Öffnungen oder Löcher im Wesentlichen unmittelbar nach ihrer Ausbildung ohne weiteres schnell sickern oder fließen. Dies führt wiederum zum Verschütten des Aerogels aus der Platte, Behälter oder Struktur, was sich häufig schwer reinigen lässt. Außerdem ist es gerade mit statisch geladenen Aerogelkörnchen mitunter schwierig, die durchbrochene Platte, Behälter oder Struktur bis zum vollständig gefüllten Zustand wieder einzufüllen.
• ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
• Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben aufgeführten Mängel und Nachteile des Standes der Technik zu überwinden.
• Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Aerogelprodukt bereitzustellen, das die oben aufgeführten und beschriebenen Probleme der Aerogele im Allgemeinen sowie bei deren Bearbeitung und Einsatz behebt. Im Einzelnen minimiert die Ausbildung eines verbesserten Aerogelproduktes mit erheblich reduzierter Elektrostatik (d. h. einer Mischung aus Aerogelkörnchen mit generell ”neutraler” Ladung) die Staubentwicklung und bildet aufgrund der gegenseitigen Anziehung der positiv und negativ geladenen Aerogelpartikel Klumpen oder Agglomerate. Die Bildung von Agglomeraten oder Klumpen aus Aerogelpartikeln reduziert die Flüssigkeit oder Fließfähigkeit der Aerogelkörnchen nach ihrer Installation in einer Platte, Behälter oder Struktur erheblich.
• Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes granuliertes Aerogelprodukt, das eine erheblich reduzierte Elektrostatik, reduzierte Fließ- oder Körnchenflüssigkeitseigenschaften aufweist und generell weniger Staub und/oder sonstige Kleinpartikel und/oder Feinstkörnchen enthält. Erreicht wird dieses Ziel dadurch, dass Aerogelkörnchen mit entgegengesetzten elektrischen Ladungen erzeugt und anschließend miteinander kombiniert werden, und man anschließend die entgegengesetzt geladenen Körnchen einander anziehen, also ”klebrig” werden, lässt, wodurch Agglomerate oder Klumpen aus Aerogelpartikeln ausgebildet werden, die den Fließen des Aerogels entgegenwirken. Außerdem werden auch damit verbundene Stäube und/oder Feinstkörnchen von den größeren Agglomeraten oder Klumpen aus Aerogelpartikeln angezogen, was typischerweise zu größeren, generell neutral geladenen Granulatmassen oder -klumpen führt.
• Obwohl Aerogele auf Silizium-, Zirkonium-, Titan-, Aluminium- und Magnesiumbasis allgemein mit einer negativen elektrostatischen Ladung verbunden sind, kann die Zugabe von oder Reaktion mit einem ”Ladungsmodifikator” (CMA) mit der Solgel-Formulierung oder Einweichlösung vor dem Trocknen des Gels die Ladung des hergestellten Aerogels in eine elektrisch positive Ladung ändern, was sich mit einem Statometer oder einem ähnlichen Gerät messen lässt. Geeignete Ladungsmodifikatoren sind insbesondere reaktive Verbindungen wie z. B. N-Trimethoxisilylpropyl-N,N,N-Trimethylammoniumchlorid, Octadecyldimethyl(3-Trimethoxysilylpropyl)-Ammoniumchloride, Silylammoniumhalogenide, Silylaminsalzverbindungen, nicht reaktive Ammoniumsalze, Tetramethylammoniumhydroxid, Methyltributylammoniumhydroxid, Lautrimoniumchlorid, Behentrimoniumchlorid, Methyltriectylammoniumchlorid, quaternäre Ammoniumhalogenide oder Mischungen aus den oben aufgeführten Stoffen.
• Die Erfinder haben entdeckt, dass durch die Mischung negativ geladener Aerogelkörnchen mit positiv geladenen Aerogelkörnchen das resultierende Gemisch allgemein ein verbessertes Aerogelkörnchen ergibt, das im Wesentlichen neutral geladen ist, z. B. ein allgemein ”klebriges” Gemisch. Mit anderen Worten: Die einzelnen negativ geladenen Partikel und die positiv geladenen Partikel neigen dazu, einander anzuziehen und ”zusammenzuhalten”, um größere Partikel, Agglomerate, Massen oder Klumpen aus Aerogelkörnchen zu bilden. Hierbei ist anzumerken, dass die resultierenden größeren Partikel, Agglomerate, Massen oder Klumpen aus Aerogelkörnchen generell eine negative oder relativ niedrige statische Ladung aufweisen, z. B. weist das Aerogel generell eine positive Ladung auf, die z. B. zwischen 0,01 KV/Zoll und 1,0 KV/Zoll oder höher liegt.
• Die Erfinder haben ferner entdeckt, dass es möglich ist, den CMA in geeigneter Konzentration der Gesamtmenge an Aerogelkörnchen hinzuzugeben, um die Körnchenoberflächen auf uneinheitliche Weise zu verändern und dieselben lokalisierten Anziehungskräfte zu schaffen, wodurch auf die Herstellung und Mischung zweier gesonderter Aerogelzusammensetzungen verzichtet werden kann. Das verbesserte Aerogel kann ferner in Anwendungsbereichen eingesetzt werden, wo die Gefahr besteht, dass eine mit Aerogel gefüllte Platte, Behälter oder Struktur durchbrochen wird. Beispielsweise wird nach der Installation einer Fensterplatte ein Loch durch die Platte, Behälter oder Struktur gebohrt, damit z. B. damit verbundene Leitungen oder Stromkabel dieses durchlaufen oder sich dadurch erstrecken können. Ist das Loch einmal in die Platte, Behälter oder Struktur gebohrt, neigen die Aerogelkörnchen ohne die erfindungsgemäßen Veränderungen typischerweise dazu, durch das in der Platte, Behälter oder Struktur gebildete Loch zu fließen, wodurch etwas Aerogelstoff (womöglich in erheblichem Umfang) daraus verloren geht und/oder eine Verschüttung entsteht, die ein etwas schwieriges Rückgewinnungsverfahren erforderlich macht. Zu einem ähnlichen Verlust kann es auch dann kommen, wenn bei der Bearbeitung die Platte, Behälter oder Struktur teilweise gebrochen, durchbrochen oder sonst hinreichend beschädigt wird, dass in der Platte, Behälter oder Struktur eine Öffnung entsteht, durch die einige der Aerogelkörnchen ohne weiteres durchfließen können. Aufgrund der erfindungsgemäßen Verwendung von Gemischen aus entgegengesetzt geladenen Aerogelkörnchen wird die Tendenz der Aerogelpartikel, durch Brüche oder sonstige absichtlich oder versehentlich hergestellte Öffnungen der Platte, Behälter oder Struktur zu fließen, durch die Aerogelklumpen oder -agglomerate erheblich reduziert.
• Eine weitere Anwendung des erfindungsgemäßen Siliziumdioxid- oder sonstigen erfindungsgemäßen Aerogels besteht darin, dass die Aerogele mit Fasermatten kombiniert oder mit Fasern gemischt werden, um eine isolierte Decke oder Verbundstoff zu erzeugen, um so die bei der Installation, Bearbeiten und beim Schneiden derartiger Produkte häufig vorkommende Staubentwicklung und Aerogelverlust zu minimieren.
• Anzumerken ist, dass Aerogele hoch poröse keramische Materialien sind. Allgemein werden diese Materialien durch Bilden eines Lösungsmittelhaltigen Gels hergestellt. Nach der Entfernung des Lösungsmittels bildet sich eine poröse feste Komponente. Hierbei ist anzumerken, dass die Entfernung des Lösungsmittels unter Aufrechterhaltung der porösen Feststoffstruktur schwierig sein kann, da das Gel bei der Entfernung des Lösungsmittels häufig schrumpft, wodurch die poröse Feststoffstruktur zusammenbricht und ein optisch transparentes Material mit relativ kleiner Fläche und niedrigem Porenvolumen zurückbleibt, das als ”Zeolith” bezeichnet wird.
• Keller Companies, Inc. Manchester, NH, USA, (Anmelderin der vorliegenden Erfindung) hat ein Solgel-Modifikationsverfahren entwickelt, das zur Herstellung von Metallalkoxid-Solgelen in einem Lösungsmittel verwendet wird, das nach dem Trocknen positiv geladene Aerogele ergibt. Werden diese positiv geladenen Aerogele auf geeignete Weise mit herkömmlichen und typischen negativ geladenen Aerogelen kombiniert, ziehen die positiv und negativ geladenen Aerogele einander an; das resultierende Gemisch weist eine relativ neutrale oder niedrige statische Ladung auf, minimiert die Staubentwicklung, und weist allgemein einen zusammengeballten, klumpigen oder klebrigen Charakter auf, der die Fließfähigkeit der resultierenden Aerogelmischung minimiert.
• Genauer ausgedrückt werden zur Herstellung positiv geladener Körnchen Aerogele, die mit einem CMA, wie z. B. N-Trimethoxisilylpropyl-N,N,N-Trimethylammoniumchlorid, Octadecyldimethyl(3-Trimethoxysilylpropyl)Ammoniumchlorid, Silylammoniumhalogenide, Silylaminsalzverbindungen, nicht reaktive Ammoniumsalze, Tetramethylammoniumhydroxid, Methyltributylammonium-4-hydroxid, Lautrimoniumchlorid, Behentrimoniumchlorid, Methyltriectylammoniumchloride, quaternäre Ammoniumhalogenide oder Kombinationen davon, modifiziert sind, mit den nicht modifizierten, herkömmlichen, negativ geladenen Aerogelkörnchen, wie sie z. B. bei der Cabot Corporation aus Billerica, Mass. 01821 erhältlich und mit ”Lumira”^TM bezeichnet sind, oder mit sonstigen hydrophoben und hydrophilen Aerogelen, die häufig aus hydrolysiertem Tetramethoxysilan, Tretraethoxysilan, Polydisiloxanen, Polytrisiloxanen hergestellt werden, oder mit aus Wasserglassilikaten in herkömmlichen und bekannten Formulierungen und Verfahren abgeleiteten Aerogelen gemischt, um so ein allgemein statikfreies, z. B. klumpiges oder klebriges Aerogelprodukt aus positiv und negativ geladenen Partikeln herzustellen.
• Ferner können auf herkömmliche Weise ausgebildete Aerogele (z. B. solche, die typischerweise negativ geladen sind), noch einmal in einem geeigneten Lösungsmittel und CMA getränkt und dann wieder getrocknet werden, um positiv geladene Aerogele herzustellen, die sich mit herkömmlichen Aerogelen oder sonstigen negativ geladenen Aerogelen kombinieren lassen, um eine Mischung mit einer niedrigeren Elektrostatik, reduzierter Staubentwicklung sowie reduzierten Flüssigkeits-, Fluss- oder Fließbarkeitseigenschaften zu ergeben. Um die vorteilhaften Wirkungen der vorliegenden Erfindung zu erzielen, kann das Volumenverhältnis der positiv geladenen Aerogelpartikel zu den negativ geladenen Aerogelpartikeln zwar variieren, liegt jedoch vorzugsweise im Bereich von etwa 20:80 bis etwa 80:20, weiter bevorzugt liegt das Volumenverhältnis der negativ zu den positiv geladenen Aerogelpartikeln zwischen etwa 40:60 und etwa 60:40; und im Idealfall ist das Volumen bzw. die Menge an positiv geladenen Aerogelpartikel ungefähr gleich dem Volumen bzw. der Menge an negativ geladenen Aerogelpartikeln, z. B. etwa im Verhältnis 50:50.
• Der CMA kann den flüssigen Formulierungskomponenten entweder vor dem Mischen und der anschließenden Gelierung, während der Herstellung des Solgels, oder einer Aufweichlösung aus Ethanol oder einem ähnlichen Lösungsmittel nach der Bildung der Solgelkörnchen hinzugegeben und mit den Innen- und Außenflächen des Gels im Laufe der Zeit und/oder bei erhöhter Temperatur reagiert werden. Nur eine mäßige Temperatur von etwa 20°C bis etwa 60°C und eine relativ kurze Dauer von etwa 1 bis 24 Stunden sind typischerweise erforderlich, um eine Mehrheit des Gels mit dem CMA zu reagieren oder zu beschichten. Anzumerken ist hierbei, dass sonstige Hydrophobierungsmittel in die Formulierung und Aufweichlösung aufgenommen werden können, wie es z. B. für Verfahren zur Herstellung hydrophober Aerogele typisch ist und in den US-Patenten Nr. 5,830,387 und 5,496,527 beschrieben wird. Alternativ können auch vorher gebildete hydrophobe und hydrophile Aerogelkörnchen für eine ähnliche Dauer und bei einer ähnlichen Temperatur in einer Lösung aus einem CMA und einem Lösungsmittel getränkt, mit typischen Trocknungsverfahren mit flüssigem CO₂, superkritischem CO₂, Ofentrocknung bei erhöhten Temperaturen und Umgebungsdruck oder sonstigen flüssigen und superkritischen organischen Gasen wieder getrocknet werden. Die resultierenden Aerogele und Xerogele (im Falle einer Trocknung mit Umgebungsdruck) bilden klumpige, zusammengeballte Aerogele mit reduzierter neutraler statischer Ladung und/oder Staubentwicklung, wenn sie mit den nicht modifizierten herkömmlichen Aerogelen gemischt werden.
• Hierbei ist anzumerken, dass die Reaktions- und Trocknungszeiten des Aerogels von der Porengröße, Partikelgrößenverteilung, Gewundenheit der Poren und der Dicke der hergestellten Aerogelproben abhängen, da sich der für die Wärme- und Massendiffusion während der Reaktion und bei der Trocknung erforderliche Abstand nach der Dicke, d. h. der größten Dimension der Aerogelprobe, bestimmt. Die für den Lösungsmittelaustausch erforderliche Dauer steht im ungefähren Verhältnis zum Quadrat der Probendicke. Die Herstellung kleinerer Gel- und später Aerogelkörnchen vereinfacht das Mischen der positiv und negativ geladenen Aerogele zur Ausbildung einer Mischung mit niedriger oder im Wesentlichen neutraler Elektrostatik, niedriger oder im Wesentlichen keiner Staubentwicklung und eines Produktes, das sich zusammenballt und einen ”klebrigen” Charakter aufweist. Im Idealfall liegen die Partikelgrößen der Körnchen zwischen 0,2 und 20 Millimeter; besonders bevorzugt wird eine Partikelgröße zwischen 1 und 5 Millimeter.
• Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Aerogels mit reduzierter Staubentwicklung und relativ niedriger oder im Wesentlichen neutraler statischer Ladung, umfassend die nachfolgenden Schritte:
• a) (1) Herstellen einer Präkursorlösung aus TEOS, TMOS oder einem sonstigen Metallalkoxid, Wasser, Ethanol oder Methanol oder einem sonstigen geeigneten Lösungsmittel und einer geringen Menge einer konzentrierten starken Säure wie z. B. Oxal-, Salz-(HCl) oder Schwefelsäure (H2SO4), (2) Wärmen und langsames Reagieren der Lösung für etwa 1 bis etwa 24 Stunden. Alternativ sind hydrolysierte Präkursoren wie z. B. hydrolysiertes TEOS auf Siliziumdioxidbasis im Handel erhältlich; im Wesentlichen werden diese Präkursoren mit demselben Herstellungsverfahren wie im Schritt (a-1) hergestellt und weisen auch im Wesentlichen dieselben Endeigenschaften auf. Ein im Schritt (a-1) brauchbares handelsübliches Produkt wird unter der Marke ”H-5” von Silbond Corporation aus Weston, MI, 49289, USA vertrieben; alternativ können herkömmliche Wasserglaslösungen hergestellt oder gekauft werden.
• b) Herstellen einer ”basischen” Katalysatorlösung mit einem pH-Wert zwischen 7,5 und 13 mit Gemischen aus Wasser, Ethanol oder Methanol oder einem sonstigen geeigneten Lösungsmittel und einer starken Base bzw. Lauge wie z. B. Ammoniumhydroxid, Hydrazin, Guanidin, Tetramethylguanidin, Kaliumhydroxid, Natriumhydroxid, Tetramethylammoniumsalzen oder sonstigen starken Basen bzw. Laugen.
• c) Falls gewünscht: Herstellen einer Hydrophobierungslösung aus Ethanol oder Methanol oder einem sonstigen geeigneten Lösungsmittel und einem Hydrophobiermittel, wie z. B. Hexamethyldisilazan (HMDZ), Hexamethyldisiliziumoxid (HMDSO), Trimethylethoxysilan (TMES), Trimethylchlorosilan (TMCS) oder einer ähnlichen Verbindung.
• d) Herstellen einer CMA-Lösung durch Mischen von Salzen, wie z. B. N-Trimethoxisilylpropyl-N,N,N-Trimethylammoniumchlorid, Octadecyldimethyl(3-Trimethoxysilylpropyl)-Ammoniumchloride, Silylammoniumhalogenide, Silylaminsalze, nicht reaktive Ammoniumsalze, Tetramethylammoniumhydroxid, Methyltributylammoniumhydroxid, Lautrimoniumchlorid, Behentrimoniumchlorid, Methyltriectylammoniumchlorid, quaternäre Ammoniumhalogenide oder Mischungen aus den oben aufgeführten Stoffen mit Ethanol, Methanol oder einem sonstigen geeigneten Lösungsmittel, das mit der Präkursorlösung vereinbar ist. Wahlweise kann im Falle der Verwendung einer Hydrophobierungslösung der CMA der Hydrophobierungslösung des Schritts (c) hinzugegeben werden, wenn sie vor der Kombinierung der Lösungen und der anschließenden Gelierung der Formulierung hinzugegeben werden soll. Die oben beschriebenen CMAs können dem getrockneten Produkt auch hydrophobe Eigenschaften verleihen, wodurch die zur Ausbildung eines wasserabweisenden Aerogels erforderliche Menge an alternativen Hydrophobierungsmitteln reduziert wird.
• e) Lösungen aus den Schritten (a), (b) und (c) und wahlweise Schritt (d) werden dann schnell entweder der Reihe nach oder gleichzeitig miteinander unter Mischen kombiniert, um eine Mischung mit einem pH-Wert zwischen 7,2 und 12 zu ergeben.
• f) Je nach den Konzentrationen der Komponenten, der Menge an Lösungsmittel und der Temperatur geliert die Lösung typischerweise binnen 0,3 bis 240 Minuten, um ein Solgel zu bilden.
• g) Nach der Gelierung lässt sich das Gel falls gewünscht in kleine Stücke oder Körnchen schneiden, um die Trocknung sowie die Einheitlichkeit der Mischung zu verbessern.
• h) Nach der Gelierung wird das Gel mit einer geeigneten Lösungsmittel-Einweichlösung, z. B. aus Ethanol, Methanol oder einer sonstigen geeigneten Lösung gedeckt, und bei Temperaturen zwischen etwa 20°C und 70°C zwischen etwa 1 und etwa 24 Stunden lang gealtert, um den Reaktionsprozess abzuschließen.
• i) Wurde die CMA-Lösung aus dem Schritt (d) der Gelformulierung nicht hinzugegeben, wird sie dann der im Schritt (h) beschriebenen Einweichlösung hinzugegeben, und die Mischung aus Gel, Deckungslösungsmittel und antistatischer Lösung in diesem Schritt gealtert. Erwünschtenfalls können die Lösungen aus den Schritten (b) und (c) sowie wahlweise (d) vor dem Mischen mit der Präkursorlösung aus Schritt (a) kombiniert werden.
• j) Entweder Trocknen des Gels (1.1.1) bei einer Temperatur von mindestens 97°F (36°C) bei Umgebungsdruck oder (1.1.2) in einem unter Druck bei einer Temperatur über der superkritischen Temperatur des organischen Lösungsmittels gewärmten Hochdruckgefäß mit anschließender Entlüftung des Gases unter Beibehaltung der superkritischen Temperatur, um das Aerogel zu bilden; oder (2) Entfernen der Lösungsmittel mit flüssigen oder superkritischen CO₂-Extraktionsverfahrens ergibt ein Aerogel mit niedriger Dichte und ”positiver” Ladung. Dieses positiv geladene Aerogel kann dann mit einem – ohne Zugabe des CMA hergestellten – typischen oder herkömmlichen Aerogel gemischt werden, um das in 1 gezeigte erfindungsgemäße Aerogel mit niedriger Elektrostatik, geringer Staubbildung und Fließfähigkeit zu bilden.
• Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren und eine neue Chemie zur Herstellung verschiedener Aerogelprodukte, insbesondere Körnchen, Folien, Monolithen und hybrider Verbundstoffe.
• Unter dem Begriff ”Aerogel”, wie er in der Patentanmeldung und den beigefügten Ansprüchen verwendet wird, werden im vorliegenden Sinne auch Strukturen verstanden, die mikroporös sind oder eine nanoporöse Gitterstruktur aufweisen, aus denen ein Lösungsmittel entfernt worden ist, wie z. B. Xerogel, Silika- bzw. Kieselgel und Wasserglas.
• Unter dem Begriff ”Körnchen”, wie er in der Patentanmeldung und den beigefügten Ansprüchen verwendet wird, werden im vorliegenden Sinne generell Aerogelkörper mit generell organisierter dimensionaler Geometrie für konkrete Anwendungen verstanden, die zum effizienten Endverbrauch optimiert wurden. Körnchen weisen typischerweise ein Volumen von unter 300 ccm auf.
• Unter dem Begriff ”Monolith”, wie er in der Patentanmeldung und den beigefügten Ansprüchen verwendet wird, wird im vorliegenden Sinne generell ein einzelner Aerogelkörper mit einer Mindestdimension, d. h. Dicke, verstanden, wobei die anderen beiden Dimensionen größer sind als die Dicke, oder ein zylindrisches Objekt mit einem Durchmesser. Die Dicke oder der Durchmesser liegt typischerweise im Bereich von einigen Millimetern bis mehreren zehn Zentimetern.
• Unter dem Begriff ”Hybrid”, wie er in der Patentanmeldung und den beigefügten Ansprüchen verwendet wird, wird im vorliegenden Sinne generell ein Aerogel, das mit einem anderen Stoff ausgebildet wurde, z. B. in den Gelen dispergierte Glasfasern oder mit Aerogelrohstoffen dotierte Glasfasern (Präkursor-Lösungsmittel-Katalysator), oder eine neue Chemie verstanden, die ein modifiziertes Siliziumdioxid-Rückgrat umfasst.
• Unter dem Begriff ”Lösungsmittel”, wie er in der Patentanmeldung und den beigefügten Ansprüchen verwendet wird, wird im vorliegenden Sinne generell das zur Ausbildung der Gele verwendete flüssige Dispersionsmedium verstanden, das später zur Ausbildung des erfindungsgemäßen Aerogels entfernt wird, wenn die Lösung anfängt, pseudoelastische Eigenschaften aufzuweisen und die Viskosität der Lösung gestiegen ist und allgemein im Bereich von etwa 5500–10000 cps (Centipoise) oder vorzugsweise zwischen 7500–8000 cps liegt, was die Gelierung der Lösung andeutet.
• Unter den Begriffen ”Standard-” oder ”herkömmliches Aerogel”, wie er in der Patentanmeldung und den beigefügten Ansprüchen verwendet wird, wird im vorliegenden Sinne ein nach einem der bekannten Verfahren hergestelltes, generell negativ geladenes Aerogel verstanden.
• Unter dem Begriff ”modifiziertes Aerogel”, wie er in der Patentanmeldung und den beigefügten Ansprüchen verwendet wird, wird im vorliegenden Sinne generell ein Aerogel verstanden, das erfindungsgemäß hergestellt wurde, so dass das sich ergebende Aerogel im Allgemeinen positiv geladen ist.
• Unter dem Begriff ”Ladungsmodifikator” (CMA), wie er in der Patentanmeldung und den beigefügten Ansprüchen verwendet wird, wird im vorliegenden Sinne eine Verbindung verstanden, die bei ihrer Zugabe zur Solgel-Formulierung oder einer Einweichlösung entweder vor oder während des Trocknungsvorgangs die elektrische Ladung des Aerogels verändert.
• Unter dem Begriff ”Aerogelzusammensetzung”, wie er in der Patentanmeldung und den beigefügten Ansprüchen verwendet wird, wird im vorliegenden Sinne generell eine Aerogelzusammensetzung verstanden, die sowohl positiv als auch negativ geladene Aerogelpartikel sowie unter Umständen Aerogel-Feinstkörnchen und/oder Staub umfasst.
• Unter dem Begriff ”neutrale Ladung”, wie er in der Patentanmeldung und den beigefügten Ansprüchen verwendet wird, wird im vorliegenden Sinne generell eine Aerogelzusammensetzung verstanden, in der die sich ergebende Ladung, aus positiv als auch negativ geladenen Aerogelpartikeln, im Wesentlichen gleich Null ist, obwohl sie eine leichte positive oder negative Ladung aufweisen kann.
• KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Die Erfindung wird nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
• 1 eine diagrammatische Darstellung von (1) negativ geladenen Aerogelkörnchen (–), (2) sowohl positiv als auch negativ geladenen Aerogelkörnchen, die miteinander gemischt sind, um eine zusammengeballte, im Wesentlichen neutral geladene erfindungsgemäße Aerogelzusammensetzung zu ergeben (+ –) und (3) positiv geladenen Aerogelkörnchen (+) ist, und
• 2 eine diagrammatische Darstellung der festgestellten Ergebnisse aus dem Beispiel 8 ist, wenn Ampullen, die jeweils mit unmodifizierten negativ geladenen Aerogelkörnchen (Ampulle A), einem 50/50-Gemisch aus negativ und positiv geladenen Aerogelkörnchen (Ampulle B) und positiv geladenen Körnchen (Ampulle C) gefüllt sind und von den Ampullen A, B und C nur das 50/50-Gemisch der Ampulle B eine am Ampullenboden haftende Agglomeration bildet, wenn sie jeweils auf den Kopf gestellt werden
• AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
• Aerogele sind offenporige Stoffe mit einer Porosität pro Volumeneinheit von mindestens etwa 80% sowie einer Porengröße im Bereich zwischen 1–50 nm, wobei die Porengröße vorzugsweise im Bereich von 5–30 nm und besonders bevorzugt zwischen 20–25 nm liegt. Aerogele können aus beliebigen gelbildenden Stoffen hergestellt werden, aus denen das zur Gelierung verwendete Lösungsmittel mittels eines Trocknungsverfahrens entfernt werden kann, ohne die Porenstruktur zu vernichten, erheblich zu verkleinern und/oder zum Zusammenbruch zu bringen. Die Trocknung kann z. B. mittels superkritischer Extraktion, atmosphärischer Trocknung, Gefriertrocknung, Vakuumtrocknung oder dgl. erfolgen. Im Stand der Technik werden Aerogele typischerweise mittels Trocknung/Extraktion bei Umgebungsdruck, flüssiger oder superkritischer CO₂-Extraktion des Lösungsmittels (oder eines beliebigen flüssigen Ersatzes für das Lösungsmittel), das zur Herstellung der Ausgangsgele verwendet wurde, hergestellt.
• Im erfindungsgemäßen Verfahren werden die Aerogele der erfindungsgemäßen Aerogelzusammensetzung im Idealfall entweder mittels flüssiger oder superkritischer CO₂-Extraktion getrocknet. Die gewünschten Eigenschaften der erfindungsgemäßen Aerogelzusammensetzung können jedoch auch mit den anderen herkömmlichen zur Aerogelbildung verwendeten Trocknungsmethoden erzielt werden.
• Die Präkursoren zur Synthese dieser Kolloide können beispielsweise Metallalkoxide umfassen. Die am häufigsten verwendeten Alkoxide sind dabei die Alkoxysilane, wie z. B. Tetramethoxysilan (TMOS) und Tetraethoxysilan (TEOS). Als Ausgangsstoff kann auch Natriumsilikat verwendet werden; hierzu ist jedoch die Entfernung der ausgebildeten Natriumsalze vor der Modifikation und Trocknung erforderlich.
• Mit dem Silierungsprozess sowie der OH-Deckelung werden freie Hydroxylgruppen gedeckelt; zu diesem Zeitpunkt wird das Gel hydrophob. Die bevorzugten Silierungsmittel sind dabei Hexamethyldisilazan (HMDZ) und/oder Trimethylethoxysilan (TMES), es können aber auch sonstige Mittel, wie z. B. Trimechylchlorsiloxan (TMCS) verwendet werden. Die primären Hydrophobierungsmittel können auch mit den Silylaminsalzen (Antistatika) kombiniert werden, um sowohl das antistatische positiv geladene Aerogel sowie weitere hydrophobe Eigenschaften des Aerogels zu erzielen. Der Einsatz eines Hydrophobierungsmittels ist bekannt und in einem herkömmlichen Verfahren wird das Hydrophobierungsmittel ins Gel aufgenommen. Die primären Hydrophobierungsmittel können mittels einer der nachfolgenden Methoden hinzugegeben werden.
• Typischerweise wird das Hydrophobierungsmittel einer ”Einweichlösung” nach der Gelbildung und für eine geeignete Dauer und bei einer geeigneten Temperatur hinzugegeben, damit das Hydrophobierungsmittel zur Anbindung des Hydrophobierungsmittels an das Gel mit der Oberflächenstruktur des Solgels reagiert. Da das Hydrophobierungsmittel in die Einweichlösung dispergiert oder aufgelöst wird, sind generell höhere Konzentrationen des/der Hydrophobierungsmittel erforderlich als der Fall wäre, wenn das Hydrophobierungsmittel sich unmittelbar an das Gel binden lässt.
• Hierbei ist anzumerken, dass durch das Vorreagieren des Hydrophobierungsmittels in die Gelstruktur – durch Hinzugabe des Hydrophobierungsmittels zu den Formulierungslösungen vor der Gelierung und nicht zu einer Einweichlösung – ein zweiter Einweichvorgang oder Schritt zur Reaktion des CMA mit dem Solgel entfallen kann. Entsprechend wird das Hydrophobierungsmittel vorzugsweise mittels dieses zweiten Verfahrens bzw. Methode hinzugegeben.
• Nach der Gelbildung kann das Gel unmittelbar in eine Einweichlösung gegeben werden, die den CMA enthält, und bei einer Temperatur zwischen etwa 20°C und etwa 70°C gealtert werden, um die Reaktion(en) abzuschließen. Ebenfalls möglich ist es, den CMA vor der Gelierung zur Formulierung hinzuzugeben, dann wird die positive elektrische Ladung aber auf der Oberfläche und innerhalb des Gelpartikels verteilt. Vorzugsweise befindet sich die positive Ladung nur auf der Geloberfläche und nach der Trocknung auf der Oberfläche des Aerogels.
• Zur Ausbildung der erfindungsgemäßen Aerogelverbindung wird das vorliegend beschriebene, positiv geladene, CMA-modifizierte Aerogel mit einem hierzu beschriebenen Verfahren hergestellten negativ geladenen Aerogel gemischt, aber ohne Zugabe des CMA vor dem Trocknungsvorgang oder mit einem in einem alternativen Verfahren hergestellten sonstigen negativ geladenen Aerogel.
• Nachfolgend werden Beispiele von Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen verbesserten Aerogels beschrieben. Hierbei ist anzumerken, dass diese Beispiele nicht abschließend aufgezählt sind und die vorliegende Erfindung auf keinerlei Weise einschränken sollen. Zahlreiche sonstige verwandte Verfahren und Prozesse sind vom Grundgedanken und Schutzumfang der Erfindung zur Erreichung der Vorteile der Erfindung umfasst.
• Beispiel 1
• A. Herstellung der Präkursorlösung
• Masse der Alkoxidlösung (Silbond H-5) = 100 g; dabei setz sich die Alkoxidlösung zusammen aus:
• Masse des Silikathydrats = 27 g
• Masse des Ethanols = 73 g
• B. Herstellung der Katalysatorlösung
• Masse des reinen EtOH = 100 g
• Masse des gekühlten deionisierten Wassers = 65 g
• Masse des Ammoniumhydroxids = 1,75 g
• Masse des Hydrophobierungsmittels HMDZ = 10 g
• C. Herstellung des Solgels
• Nachdem die Lösungen A und B solange gemischt wurden, bis sich ein Gel herausbildete (30 bis 150 Sekunden), ließ man das Gel dann weitere 5 bis 30 Minuten lang weiterreagieren, bis ein festes, ”krümeliges” Gel gebildet wird. Das Gel wurde dann in etwa 5 bis 20 mm große Stückchen geschnitten. Eine hinreichende Menge an zusätzlichem reinem Ethanol wurde dann hinzugegeben, um die Gelpartikel zuzudecken (etwa 50 ml). Lösung und Gel wurden etwa 1 Stunde lang bei 50°C gealtert.
• D. Herstellung des positiv geladenen Solgels
• Nach dem Altern ließ man das Lösungsmittel aus dem Gel ablaufen und 10 g Octadecyldimethyl(3-Trimethoxysilylpropyl)-Ammoniumchlorid wurde der gefilterten, gesammelten Alterungslösung hinzugegeben; diese Lösung wurde dann wieder zur Deckung des Solgels verwendet. Die Mischung wurde etwa 12 Stunden lang bei 50°C gealtert.
• E. Trocknung des Solgels zur Bildung eines Aerogels
• Nach dem Altern wurde die Lösung aus dem Schritt D gefiltert und die Gelpartikel wurden in ein Hochdruck-CO₂-Trocknungsgefäß, wie z. B. ein typischerweise zur Herstellung von Aerogelen durch Extraktion der Flüssigkeiten aus der Siliziumdioxidstruktur eingesetztes Gefäß, gelegt. Das Gefäß wurde mit 100%igem Ethanol gefüllt und verschlossen. Flüssiges CO₂ aus einem ausgespülten Tank ließ man durch das Gefäß bei Raumtemperatur bei einem Druck zwischen etwa 600 und etwa 900 psi etwa 2 Stunden lang fließen. Der CO₂-Fluss wurde dann gestoppt und das Gefäß wurde isoliert. Nach der Isolierung wurde das Gefäß langsam erwärmt, bis Innendruck und Temperatur höher als erforderlich waren, um superkritisches CO₂ innerhalb des Gefäßes und der Gelstückchen zu erreichen. Das Gefäß wurde unter langsamer Ablüftung weiter erwärmt, um die superkritischen Bedingungen unter Reduzierung der vorhandenen Menge an CO₂ aufrechtzuerhalten. Sobald die Innentemperatur des Gefäßes etwa 60°C erreichte, wurde die Erwärmung abgebrochen und das verbleibende CO₂ wurde langsam abgelüftet, bis innerhalb des Gefäßes der Umgebungsdruck erreicht wurde. Das (CMA-modifizierte) Aerogel wies eine Dichte von 0,06 g/cm³ mit 25%iger Transmission des sichtbaren Lichts und hochgradig transparentem Erscheinungsbild auf. Das resultierende körnchenförmige Aerogel wurde ferner mit einem Statometer gemessen; die gemessene Ladung betrug 0,4 KV/Zoll. #
• Dieses Aerogel wurde dann mit einer gleichen Menge eines mit dem oben beschriebenen Verfahren unter Fortlassen des Schritts D (Zugabe der Silylammoniumsalzverbindung) (Standard-)Aerogels kombiniert. Die gemessene Ladung des (nicht mit Silylammoniumsalz modifizierten) Standard-Aerogels betrug –0,5 KV/Zoll.
• Die positiv geladenen (modifizierten) Aerogelpartikel und die negativ geladenen (Standard-)Aerogelpartikel wurden miteinander kombiniert; das resultierende Gemisch bildete eine im Wesentlichen neutral geladene Aerogelzusammensetzung, die dieselbe Lichtübertragungs- und Dichteeigenschaften aufwies. Obwohl sie frei von Restfeuchte oder Lösungsmittel war, wies das resultierende Gemisch die Konsistenz eines klumpigen, ”matschigen” oder ”klebrigen” Agglomerats auf, z. B. die positiv und negativ geladenen Partikel zogen einander an und bildeten Klumpen und/oder Agglomerationen. Die gemessene statische Ladung des resultierenden Gemisches war leicht positiv, z. B. 0,05 KV/Zoll
• Beispiel 2
• A. Herstellung der Präkursorlösung
• Masse der Alkoxidlösung (Silbond H-5) = 100 g
• Masse des Silikathydrats = 27 g
• Masse des Ethanols = 73 g
• B. Herstellung der Katalysatorlösung
• Mischen:
• Masse des reinen EtOH = 100 g
• Masse des gekühlten deionisierten Wassers = 65 g
• Masse des Ethanolamins = 6 g
• Masse des Hydrophobierungsmittels HMDZ = 15 g
• C. Herstellung des Solgels
• Nachdem die Lösungen A und B solange gemischt wurden, bis sich ein Gel herausbildete (60 bis 120 Sekunden), ließ man das Gel dann weitere 5 bis 30 Minuten lang weiterreagieren, bis ein festes, ”krümeliges” Gel gebildet wurde. Das Gel wurde dann in etwa 5 bis 20 mm große Stückchen geschnitten. Eine hinreichende Menge an zusätzlichem reinem Ethanol (etwa 50 ml) wurde dann hinzugegeben, um die Gelpartikel zuzudecken. Lösung und Gel wurden dann etwa 1 Stunde lang bei 50°C gealtert.
• D. Herstellung des positiv geladenen Solgels
• Nach dem Altern ließ man das Lösungsmittel aus dem Gel ablaufen und 10 g des Antistatikums Octadecyldimethyl(3-Trimethoxysilylpropyl)-Ammoniumchlorid wurde der gefilterten, gesammelten Alterungslösung hinzugegeben; diese Lösung wurde wieder zur Deckung des Solgels verwendet. Die Mischung wurde etwa 12 Stunde lang bei 50°C gealtert.
• E. Trocknung des Solgels zur Bildung eines Aerogels
• Nach dem Altern wurde die Lösung wieder ablaufen gelassen und die Gelpartikel wurden in ein Hochdruck-CO₂-Trocknungsgefäß, wie z. B. ein typischerweise zur Herstellung von Aerogelen durch Extraktion der Flüssigkeiten aus der Siliziumdioxidstruktur eingesetztes Gefäß, gelegt. Das Gefäß wurde dann mit 100%igem Ethanol gefüllt und verschlossen. Flüssiges CO₂ aus einem ausgespülten Tank ließ man durch das Gefäß bei Raumtemperatur bei einem Druck zwischen etwa 600 und etwa 900 psi etwa 2 Stunden lang fließen. Der CO₂-Fluss wurde dann gestoppt und das Gefäß wurde isoliert. Nach der Isolierung wurde das Gefäß langsam erwärmt, bis Innendruck und Temperatur höher als erforderlich waren, um superkritisches CO₂ innerhalb des Gefäßes mit den Gelstückchen zu erreichen. Das Gefäß wurde unter Ablüftung weiter erwärmt, um die superkritischen Bedingungen unter Reduzierung der im Gefäß vorhandenen Menge an CO2 aufrechtzuerhalten. Sobald die Innentemperatur des Gefäßes etwa 80°C erreichte, wurde die Erwärmung abgebrochen und das verbleibende CO₂ wurde langsam abgelüftet. Das resultierende Aerogel wies eine Dichte von 0,07 g/cm³ auf.
• Dieses (modifizierte) Aerogel wurde dann mit einer gleichen Menge eines zweiten mit dem oben beschriebenen Verfahren unter Fortlassen des Schritts D (Zugabe der Silylammoniumsalzverbindung) (Standard-)Aerogels kombiniert. Nach der Kombination wies das resultierende Gemisch dieselben Lichtübertragungs- und Dichteeigenschaften sowie dieselben klumpigen, klebrigen Eigenschaften wie im Beispiel 1 auf.
• Beispiel 3
• Das mit den Verfahren des Beispiels 1 hergestellte CMA-modifizierte Aerogel wird in verschiedenen Verhältnissen mit im Handel erhältlichen Cabot Nanogel-Körnchen gemischt. Die Ergebnisse der verschiedenen Mischungen sind der nachfolgenden Tabelle zu entnehmen:

  Volumenverhältnis des CMA-modifizierten Aerogels zum Cabot Nanogel	Erscheinungsbild	Klebrigkeit	Antistatische Eigenschaften	Staubigkeit nach Abschütteln
  0:100	Sehr lichtdurchlässig	Nein	Nein	Ja
  20:80	Sehr lichtdurchlässig	Ja, mit geringer Absetzung auf Ampullenboden	Ja	Nein
  40:60	Sehr lichtdurchlässig	Ja, ohne Absetzung auf Ampullenboden	Ja	Nein
  50:50	Sehr lichtdurchlässig	Ja, ohne Absetzung auf Ampullenboden	Ja	Nein
  60:40	Sehr lichtdurchlässig	Ja, ohne Absetzung auf Ampullenboden	Ja	Nein
  80:20	Sehr lichtdurchlässig		Ja
  		Ja, mit geringer Absetzung von Körnchen auf Ampullenboden		Geringe Menge Staub am Ampullenboden
  Volumenverhältnis des CMA-modifizierten Aerogels zum Cabot Nanogel	Erscheinungsbild	Klebrigkeit	Antistatische Eigenschaften	Staubigkeit nach Abschütteln
  100:0	Sehr lichtdurchlässig		Nein	Ja
  		Nein, mit Absetzung aller Körnchen auf Ampullenboden

• Beispiel 4
• A. Herstellung der Präkursorlösung
• Masse des Tetraethoxysilans = 20 g
• Masse des Methanols = 60 g
• Masse von 0,0001 M Oxalsäurelösung in H₂O = 8 g Die oben aufgeführten Komponenten wurden gemischt und dann etwa 24 Stunden lang bei 25°C gealtert.
• B. Herstellung der Katalysatorlösung
• Masse von 3 M Ammoniumhydroxid = 1,06 g
• Masse des H₂O = 2 g
• Masse von 0,1 M Ammoniumfluoridlösung = 2 g Die oben aufgeführten Komponenten wurden miteinander gemischt.
• C. Herstellung des Aerogels
• Nachdem die Lösungen A und B solange gemischt wurden, bis sich ein Gel herausbildete (typischerweise 15 bis 20 Minuten), ließ man das Gel dann weitere 4 Stunden lang weiterreagieren, bis ein festes, ”krümeliges” Gel gebildet wird. Das Gel wurde dann in etwa 5 bis 20 mm große Stückchen geschnitten. Eine hinreichende Menge Methanol (etwa 50 ml) wird dann hinzugegeben, um die Gelpartikel zuzudecken. Lösung und Gel wurden etwa 4 Stunde lang bei 50°C gealtert. Das Lösungsmittel lässt man vom Gel abfließen und das Gel wird noch einmal mit einer frischen Methanolbeschichtung (z. B. etwa 50 ml) beschichtet. Der Ablaß- und Beschichtungsvorgang wurde noch zweimal wiederholt.
• Das Gel wird dann gefiltert und dem Gel wird Hexan zusammen mit 15 g des Hydrophobierungsmittels HMDZ hinzugegeben. Das Gel wird über Nacht (etwa 8 Stunden) bei 50°C gealtert. Das Lösungsmittel lässt man vom Gel abfließen und das Gel wird bei 300°F für etwa 12 Stunden in einen Ofen gelegt. Das Endprodukt ist ein Aerogel mit leicht trübem Erscheinungsbild und einer Dichte von 0,09 g/cm³.
• D. Herstellung des positiv geladenen Aerogels
• Nachdem die Lösungen A und B solange gemischt wurden, bis sich ein Gel herausbildet (typischerweise 15 bis 20 Minuten), ließ man das Gel dann weitere 4 Stunden lang weiterreagieren, bis ein festes, ”krümeliges” Gel gebildet wird. Das Gel wurde dann in etwa 5 bis 20 mm große Stückchen geschnitten. Eine hinreichende Menge Methanol (etwa 50 ml) wurde dann hinzugegeben, um die Gelpartikel zuzudecken. Lösung und Gel wurden etwa 4 Stunde lang bei 50°C gealtert. Das Lösungsmittel ließ man vom Gel abfließen und das Gel wird noch einmal mit einer frischen Methanolbeschichtung (z. B. etwa 50 ml) beschichtet. Der Ablaß- und Beschichtungsvorgang wurde noch zweimal wiederholt.
• Das Gel wird dann gefiltert und dem Gel wird Hexan zusammen mit 15 g des Hydrophobierungsmittels HMDZ hinzugegeben. Das Gel wurde über Nacht (etwa 8 Stunden) bei 50°C gealtert. Das Lösungsmittel ließ man vom Gel abfließen und 3 g Octadecyldimethyl(3-Trimethoxysilylpropyl)-Ammoniumchlorid in 50 ml Hexan wurde hinzugegeben, um das Gel zuzudecken. Die Mischung wurde etwa 24 Stunde lang bei 50°C gealtert. Das resultierende Gel wurde dann etwa 8 Stunden lang bei 350°F getrocknet, um ein Aerogel mit niedriger Dichte zu ergeben, dessen Erscheinungsbild dem nach den oben beschriebenen Schritten A bis C hergestellten Aerogel ähnlich war.
• Dieses (modifizierte) Aerogel wurde dann mit einer gleichen Menge an (Standard-)Aerogel gemischt, das nach dem oben beschriebenen Schritt C hergestellt wurde. Das resultierende Gemisch behielt dasselbe trübe Erscheinungsbild sowie die Dichteeigenschaften bei und war dabei frei von Restfeuchte oder Lösungsmitteln und wies einen klumpigen oder klebrigen Charakter auf. Bei diesem Aerogelprodukt wurden keine elektrostatischen Eigenschaften festgestellt.
• Beispiel 5
• A. Herstellung der Präkursorlösung
• Masse der Alkoxidlösung (Silbond H-5) = 100 g
• B. Herstellung der Katalysatorlösung
• Masse des reinen EtOH = 100 g
• Masse des gekühlten deionisierten Wassers = 65 g
• Masse des Tetramethylguanidins = 3 g
• Masse des Trimethylethoxysilans = 12 g
• C. Herstellung des Solgels
• Nachdem die Lösungen A und B solange gemischt wurden, bis sich ein Gel herausbildet (typischerweise 3 bis 6 Minuten), wurde das Gel mit Ethanol zugedeckt; dann ließ man das Gel weitere 15 Minuten lang bei Raumtemperatur weiterreagieren. Das Gel wurde dann in etwa 5 bis 20 mm große Stückchen geschnitten. Eine hinreichende Menge an zusätzlichem reinem Ethanol (etwa 50 ml) wurde dann hinzugegeben, um die Gelpartikel zuzudecken. Lösung und Gel wurden dann etwa 18 Stunden lang bei etwa 50°C gealtert.
• D. Herstellung des positiv geladenen Solgels
• Nach dem Altern ließ man das Lösungsmittel vom Gel abfließen und 3 g Octadecyldimethyl(3-Trimethoxysilylpropyl)-Ammoniumchlorid in 50 ml Ethanol wurde hinzugegeben, um das Solgel zuzudecken. Die Mischung wurde etwa 12 Stunde lang bei 50°C gealtert. Das Gel wurde mit einer neuen Menge an Ethanol (z. B. 50 ml Ethanol) noch zweimal gespült.
• E. Trocknung des Solgels zur Bildung eines Aerogels Die Lösung wurde gefiltert und die Gelpartikel wurden in ein Hochdruck-CO₂-Trocknungsgefäß, wie z. B. ein typischerweise zur Herstellung von Aerogelen durch Extraktion der Flüssigkeiten aus der Siliziumdioxidstruktur eingesetztes Hochdruck-CO₂-Trocknungsgefäß, gelegt. Superkritisches CO₂ floss dann etwa 4 Stunden lang durch das Druckgefäß. Der CO₂-Fluss wurde dann gestoppt und das CO₂ wurde langsam abgelüftet. Das resultierende Aerogel wies eine Dichte von 0,05 g/cm³ auf. Beim Gießen dieses Aerogels in den Sammelbehjälter wurde keine Elektrostatik festgestellt.
• Dieses Aerogel wurde dann mit einer gleichen Menge eines mit dem oben beschriebenen Verfahren unter Fortlassen des Schritts D (Zugabe der Silylammoniumsalzverbindung) (Standard-)Aerogels kombiniert. Das resultierende Gemisch aus dem ersten (modifizierten) Aerogel und dem zweiten (Standard-)Aerogel wies dieselben Lichtübertragungs- und Dichteeigenschaften sowie dieselben klumpigen, klebrigen Eigenschaften wie im Beispiel 1 auf.
• Beispiel 6
• A. Herstellung der Präkursorlösung
• Masse der Alkoxidlösung (Silbond H-5) = 100 g
• B. Herstellung der Katalysatorlösung
• Masse des reinen EtOH = 100 g
• Masse des gekühlten deionisierten Wassers = 65 g
• Masse des Ammoniumhydroxids = 1,75 g
• Masse des Hydrophobierungsmittels HMDZ = 10 g
• C. Herstellung des Solgels
• Nachdem die Lösungen A und B solange gemischt wurden, bis sich ein Gel herausbildete (60 bis 120 Sekunden), ließ man das Gel dann weitere 5 bis 30 Minuten lang weiterreagieren, bis sich ein festes, ”krümeliges” Gel entwickelte. Das Gel wurde dann in etwa 5 bis 20 mm große Stückchen geschnitten. Eine hinreichende Menge an zusätzlichem reinem Ethanol (z. B. etwa 50 ml) wurde dann hinzugegeben, um die Gelpartikel zuzudecken. Lösung und Gel wurden etwa 1 Stunde lang bei 50°C gealtert.
• D. Herstellung des positiv geladenen Solgels
• Nach dem Altern ließ man das Lösungsmittel aus dem Gel ablaufen und 10 g des Antistatikums Octadecylbis(Triethoxysilylpropyl)-Ammoniumchlorid wurde der gefilterten, gesammelten Alterungslösung hinzugegeben; diese Lösung mit dem Antistatikum wurde wieder zur Deckung des Solgels verwendet. Die Mischung wurde etwa 12 Stunden lang bei 50°C gealtert.
• E. Trocknung des Solgels zur Bildung eines Aerogels
• Nach dem Altern wurde die Alterungslösung mit dem Antistatikum gefiltert, und die Gelpartikel wurden in ein typischerweise zur Herstellung von Aerogelen durch Extraktion der Flüssigkeiten aus der Siliziumdioxidstruktur eingesetztes Hochdruck-CO₂-Trocknungsgefäß gelegt. Das Gefäß wurde dann mit 100%igem Ethanol gefüllt und verschlossen. Flüssiges CO₂ aus einem ausgespülten Tank ließ man durch das Gefäß bei Raumtemperatur bei einem Druck zwischen etwa 600 und etwa 900 psi etwa 2 Stunden lang fließen. Der CO₂-Fluss wurde dann gestoppt und das Gefäß wurde isoliert. Nach der Isolierung wurde das Gefäß langsam erwärmt, bis Innendruck und Temperatur des Gefäßes höher als erforderlich waren, um superkritisches CO₂ innerhalb des Gefäßes und der Gelstückchen zu erreichen. Das Gefäß wurde unter Ablüftung weiter erwärmt, um die superkritischen Bedingungen unter Reduzierung der im Gefäß vorhandenen Menge an CO₂ aufrechtzuerhalten. Sobald die Innentemperatur des Gefäßes 75°C erreichte, wurde die Erwärmung abgebrochen und das verbleibende CO₂ wurde langsam abgelüftet.
• Das resultierende (modifizierte) Aerogel wies eine Dichte von 0,06 g/cm³ auf, wies aber ein sehr trübes Erscheinungsbild mit geringer Lichtübertragung auf. Dieses modifizierte Aerogel wurde dann mit einer gleichen Menge eines mit dem im Beispiel 6 beschriebenen Verfahren unter Fortlassen des Schritts D (Zugabe der Silylammoniumsalzverbindung) (Standard-)Aerogels kombiniert. Das resultierende Gemisch aus dem ersten (modifizierten) Aerogel und dem zweiten (Standard-)Aerogel wies die gleiche Dichte wie die einzelnen Chargen vor der Kombinierung, und war zwar frei von Restfeuchte oder -Lösungsmittel, wies aber die Konsistenz eines klumpigen, klebrigen Materials ohne erkennbare bzw. mit relativ geringer Elektrostatik auf.
• Beispiel 7
• A. Herstellung der Präkursorlösung
• Masse der Alkoxidlösung (Silbond H-5) = 100 g
• B. Herstellung der Katalysatorlösung
• Masse des reinen EtOH = 100 g
• Masse des gekühlten deionisierten Wassers = 65 g
• Masse des Tetramethylguanidins = 3 g
• Masse des Trimethylethoxysilans = 12 g
• Masse des CMA Octadecyldimethyl(3-Trimethyoxysilylpropyl)-Ammoniumchloride = 3 g
• C. Herstellung des Solgels
• Nachdem die Lösungen A und B solange gemischt wurden, bis sich ein Gel herausbildete (typischerweise 3 bis 6 Minuten), wurde das Gel mit Ethanol zugedeckt; dann ließ man das Gel weitere 15 Minuten lang bei Raumtemperatur weiterreagieren. Das Gel wurde dann in etwa 5 bis 20 mm große Stückchen geschnitten. Eine hinreichende Menge an zusätzlichem reinen Ethanol (z. B. etwa 50 ml) wurde dann hinzugegeben, um die Gelpartikel zuzudecken. Lösung und Gel wurden dann etwa 18 Stunden lang bei etwa 50°C gealtert und anschließend mit einer neuen Menge Ethanol (z. B. etwa 50 ml) gespült.
• D. Trocknung des Solgels zur Bildung eines Aerogels
• Die Lösung wurde gefiltert und die Gelpartikel wurden in ein Hochdruck-CO₂-Trocknungsgefäß, wie z. B. ein typischerweise zur Herstellung von Aerogelen durch Extraktion der Flüssigkeiten aus der Siliziumdioxidstruktur eingesetztes Hochdruck-CO₂-Trocknungsgefäß, gelegt. Superkritisches CO₂ ließ man dann etwa 4 Stunden lang durch das Druckgefäß fließen. Der superkritische CO₂-Fluss wurde dann gestoppt und das CO₂ wurde langsam aus dem Trocknungsgefäß abgelüftet. Das resultierende (modifizierte) Aerogel wies eine Dichte von 0,07 g/cm³ auf. Das Erscheinungsbild des Aerogels war trübe und hellblau.
• Dieses modifizierte Aerogel wurde dann mit einer gleichen Menge eines mit dem im Beispiel 6 beschriebenen Verfahren aber mit Cabot Nanogel-Körnchen hergestellten (Standard-)Aerogels kombiniert. Das resultierende Gemisch wies einen klumpigen, klebrigen antistatischen Charakter auf, der den im Beispiel 1 festgestellten Eigenschaften ähnlich war.
• Beispiel 8 (Ladungsmodifikation des getrockneten Aerogels)
• A. Herstellung der positiv geladenen Aerogelkörnchen
• 20 g hydrophober ”Cabot Nanogel”-Aerogelkörnchen wurden in einer Lösung aus 50 g 100%iges Ethanol und 1 g des CMA Octadecyldimethyl (3-Trimethoxysilylpropyl)-Ammoniumchlorid solvatisiert. Das solvatisierte Cabot Nanogel-CMA-Gemisch wurde dann 26 Stunden lang bei 50°C gealtert.
• Die überflüssige Flüssigkeit (Lösungsmittel und nicht reagierter CMA) wurde aus dem obigen Gemisch gefiltert, um ein CMA-modifiziertes Cabot Nanogel-Solgel zu ergeben. Das CMA-modifizierte Solgel wurde dann 24 Stunden lang bei etwa 150°C gealtert. Nach dem Trocknen ergab sich ein positiv geladenes Aerogel mit niedriger Dichte.
• B. Herstellung des elektrostatik- und staubarmen agglomerierten Aerogelgemisches
• 5 g hydrophober Cabot Nanogel-Körnchen wurden in einer Ampulle mit 5 g des obigen Cabot Nanogel-CMA (modifizierten) Aerogels gemischt und in eine Ampulle gegeben (z. B. Ampulle B). Die Ampulle, die das Gemisch enthielt, wurde geschüttelt und am Boden geklopft, um das Aerogel zu konsolidieren. Zum Vergleich wurden 10 g Cabot Nanogel-Aerogelkörnchen (negativ geladen) in eine ähnliche Ampulle (Ampulle A) gegeben und 10 g des CMA-modifizierten Cabot Nanogel-Aerogels (positiv geladen) in eine weitere Ampulle gegeben (Ampulle C). Diese Ampullen wurden ebenfalls geschüttelt und geklopft.
• C. Ergebnisse
• Die Aerogelkörnchen der Ampullen A und C blieben locker und flossen ohne weiteres aus der jeweiligen Ampulle heraus, als diese auf den Kopf gestellt wurden. Das Gemisch aus unmodifiziertem und CMA-modifiziertem Aerogel der Ampulle B bildete eine Agglomeratstruktur, die am Ampullenboden haften blieb, als die Ampulle auf den Kopf gestellt wurde. Die Ergebnisse zeigt die 2. Nach Ablauf von 10 Monaten blieb das Aerogelgemisch an der Ampulle B weiterhin haften. Außerdem wurden im Gemisch aus positiv und negativ geladenen Aerogelkörnchen der Ampulle B keine losen Aerogel-Feinstkörnchen festgestellt.
• Beispiel 9
• A. Herstellung der Präkursorlösung
• Masse der Alkoxidlösung (Silbond H-5) = 100 g
• Masse des Silikathydrats = 27 g
• Masse des Ethanols = 73 g
• B. Herstellung der Katalysatorlösung
• Mischen:
• Masse des reinen EtOH = 100 g
• Masse des gekühlten deionisierten Wassers = 65 g
• Masse des Ethanolamins = 6 g
• Masse des Hydrophobierungsmittels HMDZ = 15 g
• C. Herstellung des Solgels
• Nachdem die Lösungen A und B solange gemischt wurden, bis sich ein Gel herausbildete (typischerweise binnen 60 bis 120 Sekunden), ließ man das Gel dann weitere etwa 5 bis 30 Minuten lang weiterreagieren, bis ein festes, ”krümeliges” Gel gebildet wurde. Das Gel wurde dann in 5 bis 20 mm große Stückchen geschnitten. Eine hinreichende Menge an zusätzlichem reinem Ethanol wurde dann hinzugegeben, um die Gelpartikel zuzudecken (etwa 50 ml). Lösung und Gel wurden etwa 1 Stunde lang bei 50°C gealtert.
• D. Herstellung des positiv geladenen Solgels
• Nach dem Altern ließ man das Lösungsmittel aus dem Gel ablaufen und 10 g Mason Chemical LATAC-30 aus Laurtrimoniumchlorid wurde der gesammelten Alterungslösung hinzugegeben; diese Lösung wurde wieder zur Deckung des Solgels verwendet. Die Mischung wurde 12 Stunden lang bei 50°C gealtert.
• E. Trocknung des Solgels zur Bildung eines Aerogels
• Nach dem Altern wurde die Lösung gefiltert und die Gelpartikel wurden in ein Hochdruck-CO₂-Trocknungsgefäß, wie z. B. ein typischerweise zur Herstellung von Aerogelen durch Extraktion der Flüssigkeiten aus der Siliziumdioxidstruktur eingesetztes Gefäß, gelegt. Das Gefäß wurde dann mit 100%igem Ethanol gefüllt und verschlossen. Flüssiges CO₂ aus einem ausgespülten Tank ließ man durch das Gefäß bei Raumtemperatur bei einem Druck zwischen etwa 600 und etwa 900 psi etwa 2 Stunden lang fließen. Der CO₂-Fluss wurde dann gestoppt und das Gefäß wurde isoliert. Nach der Isolierung wurde das Gefäß langsam erwärmt, bis Innendruck und Temperatur höher als erforderlich waren, um superkritisches CO₂ innerhalb des Gefäßes mit den Gelstückchen zu erreichen. Das Gefäß wurde unter Ablüftung weiter erwärmt, um die superkritischen Bedingungen unter Reduzierung der im Gefäß vorhandenen Menge an CO₂ aufrechtzuerhalten. Sobald die Innentemperatur des Gefäßes etwa 80°C erreichte, wurde die Erwärmung abgebrochen und das verbleibende CO₂ wurde langsam abgelüftet. Das resultierende Aerogel wies eine Dichte von 0,07 g/cm³ auf.
• Dieses modifizierte Aerogel wurde dann mit einer gleichen Menge eines mit dem im Beispiel 9 beschriebenen Verfahren unter Weglassen des Schritts D (Zugabe des CMA) hergestellten (Standard-)Aerogels kombiniert. Das resultierende Gemisch bildete eine zusammengeballte Masse unter Beibehalten derselben Lichtübertragungs- und Dichteeigenschaften, wie sie beim Aerogelprodukt des Beispiels 1 festgestellt wurden.
• Beispiel 10
• A. Herstellung der Präkursorlösung
• Masse der Alkoxidlösung (Silbond H-5) = 100 g
• Masse des Silikathydrats = 27 g
• Masse des Ethanols = 73 g
• B. Herstellung der Katalysatorlösung
• Mischen:
• Masse des reinen EtOH = 100 g
• Masse des gekühlten deionisierten Wassers = 65 g
• Masse des Ethanolamins = 6 g
• Masse des Hydrophobierungsmittels HMDZ = 15 g
• C. Herstellung des Solgels
• Nachdem die Lösungen A und B solange gemischt wurden, bis sich ein Gel herausbildete (typischerweise binnen 60 bis 120 Sekunden), ließ man das Gel dann weitere etwa 5 bis 30 Minuten lang weiterreagieren, bis ein festes, ”krümeliges” Gel gebildet wird. Das Gel wurde dann in 5 bis 20 mm große Stückchen geschnitten. Eine hinreichende Menge an zusätzlichem reinen Ethanol wurde dann hinzugegeben, um die Gelpartikel zuzudecken (etwa 50 ml). Lösung und Gel wurden etwa 1 Stunde lang bei 50°C gealtert.
• D. Herstellung des positiv geladenen Solgels
• Nach dem Altern ließ man das Lösungsmittel aus dem Gel ablaufen und 10 g 35% Tetraethylammoniumhydroxid in Ethanol wurde der gesammelten Alterungslösung hinzugegeben; diese Lösung wurde wieder zur Deckung des Solgels verwendet. Die Mischung wurde etwa 12 Stunden lang bei 50°C gealtert.
• E. Trocknung des Solgels zur Bildung eines Aerogels
• Nach dem Altern wurde die Lösung gefiltert und die Gelpartikel wurden in ein Hochdruck-CO₂-Trocknungsgefäß, wie z. B. ein typischerweise zur Herstellung von Aerogelen durch Extraktion der Flüssigkeiten aus der Siliziumdioxidstruktur eingesetztes Gefäß, gelegt. Das Gefäß wurde dann mit 100%igem Ethanol gefüllt und verschlossen. Flüssiges CO₂ aus einem ausgespülten Tank ließ man durch das Gefäß bei Raumtemperatur bei einem Druck zwischen etwa 600 und etwa 900 psi etwa 2 Stunden lang fließen. Der CO₂-Fluss wurde dann gestoppt und das Gefäß wurde isoliert. Nach der Isolierung wurde das Gefäß langsam erwärmt, bis Innendruck und Temperatur höher als erforderlich waren, um superkritisches CO₂ innerhalb des Gefäßes mit den Gelstückchen zu erreichen. Das Gefäß wurde unter Ablüftung weiter erwärmt, um die superkritischen Bedingungen unter Reduzierung der im Gefäß vorhandenen Menge an CO₂ aufrechtzuerhalten. Sobald die Innentemperatur des Gefäßes 80°C erreichte, wurde die Erwärmung abgebrochen und das verbleibende CO₂ wurde langsam abgelüftet. Das resultierende Aerogel wies eine Dichte von 0,07 g/cm³ auf. Dieses Aerogel wurde dann mit einer gleichen Menge eines mit dem im Beispiel 10 beschriebenen Verfahren unter Fortlassen des Schritts D (Zugabe des CMA) hergestellten (Standard-)Aerogels kombiniert. Das resultierende Gemisch bildete eine zusammengeballte Masse unter Beibehalten derselben Lichtübertragungs- und Dichteeigenschaften, wie sie beim Aerogelprodukt des Beispiels 1 festgestellt wurden.
• Vorteile der erfindungsgemäßen Aerogelzusammensetzung
• Die erfindungsgemäßen kombinierten Standard- bzw. modifizierten Aerogelprodukte führen zu einer Aerogelzusammensetzung, die die Menge an Staub, Feinstkörnchen und Feinstaub reduziert und eine reduzierte oder im Wesentlichen neutrale Elektrostatik (z. B. Elektrostatik gleich Null oder leicht positive oder negative statische Ladung) sowie die Tendenz aufweist, die Flusseigenschaften der Aerogelkörnchen einzuschränken, zu minimieren oder zu reduzieren, damit die Aerogelzusammensetzung weniger als ein typisches oder standardmäßiges Aerogelkörnchenprodukt dazu neigt, aus einem gebrochenen Behälter zu fließen oder zu sickern. Da gewissen Änderungen am oben beschriebenen verbesserten modifizierten körnchenförmigen Aerogel und dessen Herstellungsverfahren vorgenommen werden können, ohne den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen, soll der gesamte Gegenstand der obigen Beschreibung sowie der Inhalt der beigefügten Zeichnungen lediglich als Beispiele des erfindungsgemäßen Konzeptes und nicht als Einschränkung der Erfindung auszulegen, sein.

Claims (25)

1. Aerogelzusammensetzung mit einer im Wesentlichen neutralen Ladung, wobei die Aerogelzusammensetzung folgendes aufweist: eine Mehrzahl Aerogelpartikel mit positiv geladenen Teilen; sowie eine Mehrzahl Aerogelpartikel mit negativ geladenen Teilen; wobei die positiv geladenen Teile der Mehrzahl der Aerogelpartikel von den negativ geladenen Teilen der Mehrzahl der Aerogelpartikel angezogen werden, um eine Mehrzahl Klumpen oder Agglomerate der Aerogelzusammensetzung zu bilden, welche den Aufbau elektrostatischer Ladungen minimiert oder die Entstehung loser Stäube minimiert oder die Fließfähigkeit der Aerogelzusammensetzung reduziert.
2. Aerogelzusammensetzung mit einer im Wesentlichen neutralen Ladung, wobei die Aerogelzusammensetzung folgendes aufweist: eine Mehrzahl Aerogelpartikel mit durch Zugabe eines Ladungsmodifikators (CMA) positiv geladenen Teilen; und eine Mehrzahl Aerogelpartikel mit negativ geladenen Teilen; wobei die positiv geladenen Teile der Mehrzahl der Aerogelpartikel von den negativ geladenen Teilen der Mehrzahl der Aerogelpartikel angezogen werden, um eine Mehrzahl Klumpen oder Agglomerate der Aerogelzusammensetzung zu bilden, welche den Aufbau elektrostatischer Ladungen minimiert oder die Entstehung loser Stäube minimiert oder die Fließfähigkeit der Aerogelzusammensetzung reduziert.
3. Aerogelzusammensetzung nach Anspruch 2, wobei die Aerogelzusammensetzung die Mehrzahl Aerogelpartikel mit positiv geladenen Teilen und die Mehrzahl Aerogelpartikel mit negativ geladenen Teilen in einem Verhältnis von ungefähr 20:80 bis ungefähr 80:20 umfasst.
4. Aerogelzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Aerogelzusammensetzung eine Menge der Mehrzahl an Aerogelpartikeln mit positiv geladenen Teilen umfasst, die im Wesentlichen gleich einer Menge der Mehrzahl an Aerogelpartikeln mit negativ geladenen Teilen ist.
5. Körnchenförmige Aerogelzusammensetzung mit einer im Wesentlichen neutralen Ladung, die die Staubentwicklung minimiert und die Fließfähigkeit der Aerogelzusammensetzung reduziert, wobei die Aerogelzusammensetzung folgendes aufweist: eine Mehrzahl an Aerogelpartikeln, die durch Wechselwirkung mit einem Ladungsmodifizierendem Additiv derart modifiziert wurden, dass ein modifizierter Teil der Mehrzahl der Aerogelpartikel positiv geladene Teile aufweist: und eine Mehrzahl an Aerogelpartikeln mit negativ geladenen Teilen; wobei sich die Mehrzahl positiv geladener Aerogelpartikel und die Mehrzahl negativ geladener Aerogelpartikel Teile einander elektrisch anziehen, um Klumpen oder Agglomerate des körnchenförmigen Aerogels zu bilden, die eine im Wesentlichen neutrale Ladung aufweisen, die Staubentwicklung minimieren und die Fließfähigkeit der Aerogelzusammensetzung reduzieren.
6. Aerogelzusammensetzung nach Anspruch 2, wobei der CMA aus N-Trimethoxisilylpropyl-N,N,N-Trimethylammoniumchlorid, Octadecyldimethyl(3-Trimethoxysilylpropyl)-Ammoniumchlorid, Silylammoniumhalogeniden, Silylaminsalzverbindungen, nicht reaktiven Ammoniumsalzen, Tetramethylammoniumhydroxid, Methyltributylammoniumhydroxid, Lautrimoniumchlorid, Behentrimoniumchlorid, Methyltriectylammoniumchlorid, quaternäre Ammoniumhalogenide oder Mischungen aus den oben aufgeführten Stoffen gewählt ist.
7. Aerogelzusammensetzung nach Anspruch 2, wobei die Aerogelzusammensetzung in einem Verfahren hergestellt wird, das die nachfolgenden Schritte umfasst: a) Mischen eines Metallalkoxids mit Wasser, einem Lösungsmittel, einem basischen Katalysator, um ein Solgel zu bilden; b) Zugabe eines ladungsmodifizierten Additivs zum Solgel vor dem Trocknen; c) Trocknen des Solgels, um das positiv geladene Aerogel zu erhalten; und d) Kombinieren des positiv geladenen Aerogels mit einem negativ geladenen Aerogel, um die körnchenförmige Aerogelzusammensetzung mit der im Wesentlichen neutralen Ladung zu bilden.
8. Aerogelzusammensetzung nach Anspruch 2, wobei die Aerogelzusammensetzung in einem Verfahren hergestellt wird, das die nachfolgenden Schritte umfasst: a) Herstellen einer Präkursorlösung aus Wasser, einem Lösungsmittel, einer Säure und mindestens einem von TEOS, TMOS oder einem anderen Metallalkoxid und Erwärmen der Präkursorlösung, damit die Präkursorlösung 1 bis 24 Stunden lang reagieren kann oder Einsatz einer Natriumsilikatlösung oder deionisierten Natriumsilikatlösung als Präkursorlösung; b) Herstellen einer basischen Katalysatorlösung mit einem pH-Wert zwischen 7,5 und 13, umfassend ein Gemisch aus Wasser, einem Lösungsmittel und einer Base bzw. Lauge; c) Mischen mindestens der Präkursorlösung und der basischen Katalysatorlösung zur Bildung einer Mischung mit einem pH-Wert zwischen 7,2 und 12; d) Gelierung des Gemisches für eine Zeitdauer von 0,3 bis 240 Minuten, um ein Solgel zu bilden; e) Zugabe eines ladungsmodifizierendem Additivs zum Solgel vor dem Trocknen; f) Trocknen des Solgels, um das Aerogel mit einer positiver Ladung zu ergeben; und g) Kombinieren des Aerogels mit der positiven Ladung mit einem Aerogel mit einer negativen Ladung, um körnchenförmige Aerogelzusammensetzung mit der im Wesentlichen neutralen Ladung zu bilden.
9. Aerogelzusammensetzung nach Anspruch 2, wobei die Aerogelpartikel hydrophob sind.
10. Aerogelzusammensetzung nach Anspruch 8, wobei die Aerogelpartikel dadurch hydrophobisiert werden, dass ein Hydrophobierungsmittel zur Präkursorlösung, zur basischen Katalysatorlösung oder dem Gemisch aus den beiden hinzugegeben wird, oder dass das Hydrophobierungsmittel mit dem ladungsmodifizierenden Additiv hinzugegeben wird, oder dass ein Lösungsmittel und ein Hydrophobierungsmittel kombiniert werden, um eine Hydrophobierungsmittellösung zu ergeben, und die Hydrophobierungsmittellösung vor dem Trocknen des Solgels hinzugegeben wird, um ein hydrophobes Aerogel mit der positiven Ladung zu ergeben; und wobei das hydrophobe Aerogel mit der positiven Ladung mit einem Aerogel mit einer negativen Ladung kombiniert wird, um die körnchenförmige Aerogelzusammensetzung mit der im Wesentlichen neutralen Ladung zu bilden.
11. Aerogelzusammensetzung nach Anspruch 8, ferner umfassend den Schritt des Einsatzes eines von Ethanol und Methanol als lösungsmittelhaltige Einweichlösung des Solgels nach dem Schritt (d) und des Einweichens des Solgels in der Einweichlösung für eine Zeitdauer von 0,25 bis 72 Stunden, um den Abschluss der Selbstbildung eines Solgels zu unterstützen und die Eigenschaften des Aerogels mit der positiven Ladung zu verbessern.
12. Aerogelzusammensetzung nach Anspruch 8, wobei das ladungsmodifizierenden Additiv vor dem Trocknen dem Solgel dadurch hinzugegeben wird, dass: das ladungsmodifizierenden Additiv mit der Mischung aus mindestens der Präkursolösung und der basischen Katalysatorlösung gemischt wird; oder das ladungsmodifizierenden Additiv einer Einweichlösung des Solgels nach der Bildung des Solgels hinzugegeben wird.
13. Aerogelzusammensetzung nach Anspruch 11, wobei das ladungsmodifizierenden Additiv der Einweichlösung dadurch hinzugegeben wird, dass das ladungsmodifizierenden Additiv mit der Lösungsmittelhaltigen Einweichlösung gemischt und das Solgel in der Lösungsmittelhaltigen Einweichlösung gealtert wird.
14. Aerogelzusammensetzung nach Anspruch 8, wobei das ladungsmodifizierenden Additiv im Trocknungsschritt (f) dadurch hinzugegeben wird, dass das ladungsmodifizierenden Additiv in ein Gerät zur Trocknung des Solgels injiziert wird, um das Aerogel mit der positiven Ladung zu ergeben.
15. Aerogelzusammensetzung nach Anspruch 8, wobei das Solgel bei einer Temperatur von mindestens 97°F (36°C) und bei Umgebungsdruck in einem Trocknungsgerät getrocknet wird, das ein unter Druck auf eine oberhalb einer superkritischen Temperatur des Lösungsmittels erwärmtes Druckgefäß umfasst, und wobei dann das Gas unter Aufrechterhaltung der superkritischen Temperatur abgelüftet wird, um das positiv geladene Aerogel zu bilden.
16. Aerogelzusammensetzung nach Anspruch 6, wobei das Solgel dadurch getrocknet wird, dass die Lösungsmittel mit einem flüssigen oder einem superkritischen CO₂-Extraktionsverfahren entfernt werden, um das positiv geladene Aerogel zu ergeben.
17. Aerogelzusammensetzung nach Anspruch 8, wobei das Solgel dadurch getrocknet wird, dass das Solgel in einem Ofen bei einer Temperatur über 100°C (37,7°C) getrocknet wird, um die Lösungsmittel zu entfernen.
18. Aerogelzusammensetzung nach Anspruch 8, wobei das Solgel nach der Gelierung in Stückchen geschnitten wird, um die Trocknung des Solgels zu verbessern.
19. Aerogelzusammensetzung nach Anspruch 8, wobei das Gemisch vor der Gelierung in eine Dünnfolie gegossen wird, um die anschließende Wechselwirkung mit dem ladungsmodifizierenden Additiv zu unterstützen.
20. Aerogelzusammensetzung nach Anspruch 8, wobei die Säure aus der Gruppe von Oxal-, Salz-(HCL), Schwefelsäure (H₂SO₄) und sonstigen starken Säuren gewählt ist.
21. Aerogelzusammensetzung nach Anspruch 8, wobei die Base bzw. Lauge aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus wenistens einem von Ammoniumhydroxid, Hydrazin, Guanidin, Tetramethylguanidin, Kaliumhydroxid, Natriumhydroxide, Tetramethylammoniumsalzen und sonstigen starken Basen besteht.
22. Aerogelzusammensetzung nach Anspruch 8, wobei die Präkursorlösung einen verfügbaren hydrolysierten Präkursor auf Siliziumbasis umfasst.
23. Aerogelzusammensetzung nach Anspruch 10, wobei das Hydrophobierungsmittel aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus wenigstens einem von Hexamethyldisilazan (HMDZ), Hexamethyldisiliziumoxid (HMDSO), Trimethylethoxysilan (TMES), Trimethylchlorsilan (TMCS) oder kombinierten Mischungen davon besteht.
24. Aerogelzusammensetzung nach Anspruch 10, wobei die Lösungsmittel Ethanol oder Methanol sind.
25. Aerogelzusammensetzung nach Anspruch 2, wobei die Mehrzahl positiv geladener Aerogelpartikel dadurch gebildet werden, dass das ladungsmodifizierenden Additiv mit einem Lösungsmittel und einem Standard-Aerogel kombiniert wird und das modifizierte Aerogel anschließend getrocknet wird.

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