DE112020003508T5 - System und verfahren zur herstellung auf wasser basierender, hydrophober aerogele und aerogel-verbundstoffen - Google Patents

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Mahesh Sachithanadam
Elmira Khorasgani Soghrati
Gayathri Natarajan
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Krosslinker Pte Ltd
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Abstract

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bieten den Anwendern ein System und ein Verfahren zur Herstellung von hydrophoben Aerogelen und Aerogel-Verbundstoffen auf Wasserbasis. Das System und das Verfahren können auf eine Art und Weise durchgeführt werden, die schneller ist als herkömmliche Methoden und leicht skalierbar ist. Das Herstellungsverfahren ist nützlich für die Herstellung von hydrophoben Aerogelen und Aerogel-Verbundstoffen auf Wasserbasis in großem Maßstab mit guter Homogenität und Konsistenz. Vorteilhafterweise hat das Herstellungsverfahren auch den Vorteil einer kürzeren Verarbeitungszeit aufgrund der Vakuumhomogenisierungs- und Mischprozesse, der Verwendung von mikrowellenunterstützter Vakuumgefriertrocknung zur Vereinfachung der Synthese von hydrophoben Aerogelen auf Wasserbasis.

Description

  • BEREICH DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System und ein Verfahren zur Herstellung von auf Wasser basierenden, hydrophoben Aerogelen und Aerogel-Verbundstoffen.
  • HINTERGRUND:
  • Aerogele sind eine Klasse fortschrittlicher 3D-vernetzter Materialien mit hoher spezifischer Oberfläche, geringer Dichte, meso- oder nanoporöser Struktur und hervorragenden Wärme- und Schalldämmeigenschaften. Aerogele können als das feste Rückgrat des Gels betrachtet werden, das von der flüssigen Komponente getrennt ist. In Anbetracht der Vielzahl verschiedener chemischer Verfahren, die zur Herstellung von Feuchtgelen geeignet sind, können Aerogele und zusammengesetzte Aerogele in einem breiten Spektrum von Anwendungen eingesetzt werden. Aerogele können aus verschiedenen organischen und anorganischen Stoffen hergestellt werden - unter anderem aus Polymeren, Kohlenstoff, Siliziumdioxid, Metallen und Chalkogenen. Es gibt sie in verschiedenen Formen, z. B. als Monolith, Pulver, Partikel, Granulat, Matten und Verbundstoffe aus Platten und Paneelen. Der geringe Gehalt an fester Masse (-90-98% Luft), die geringe Porengröße (20-100 nm) und der gewundene Pfad der Wärmeübertragung durch das komplexe Netzwerk sind die Hauptgründe für die hervorragenden Wärmedämmeigenschaften.
  • Der kritischste und schwierigste Aspekt bei der Herstellung von Aerogelen ist die Trocknungsmethode, bei der sich nasse Gele in Aerogele verwandeln. Während dieser Trocknungsphase wird die Flüssigkeit in der Regel durch Gas (Luft) ersetzt, und zwar unter Bedingungen, bei denen es keine Dampf-Flüssigkeits-Phase gibt. Unter diesen Bedingungen gibt es keine Oberflächenspannung und keine Kapillarkräfte auf das Gel, so dass ein Zusammenbruch der Porenstruktur verhindert wird.
  • Aerogele auf Siliziumdioxidbasis haben derzeit den höchsten Marktanteil bei Aerogel-Materialien für industrielle Isolieranwendungen. Dies ist auf ihre niedrige Wärmeleitfähigkeit, geringe Dichte, gute Festigkeit im Verhältnis zum Gewicht, Korrosionsbeständigkeit, Lichtstreuung und hydrophobe Eigenschaften zurückzuführen.
  • Auch organische Aerogele, die Kohlenstoff, Graphit, Zellulose und Polymere als Basismaterial enthalten, werden immer beliebter. Um die gewünschten Eigenschaften für kommerzielle Anwendungen zu erreichen, werden die meisten Aerogelprodukte als Verbundstoffe hergestellt, indem sie mit Fasern, Polymeren, Metallen und anderen organischen/anorganischen Verstärkungsstoffen verstärkt werden. Solche zusätzlichen Verstärkungsmaterialien werden während des Gelierungsprozesses oder durch Einbringen des Aerogels in Granulat- oder Pulverform in den Faserverbundstoff hinzugefügt. Trotz ihrer Eignung als Dämmstoffe haben sich Aerogele aufgrund von Problemen bei den Herstellungsverfahren und Formulierungen nur langsam auf dem Markt durchsetzen können.
  • Kommerzielle Aerogele werden in der Regel durch überkritische Trocknung, Trocknung bei Umgebungsdruck und traditionelle oder konventionelle Gefriertrocknung hergestellt. Obwohl die überkritische Trocknung die beste Qualität liefert, sind die Investitionskosten und die Menge der bei diesem Verfahren verwendeten Vorprodukte extrem hoch. Außerdem sind sie auf Chargenverfahren beschränkt. Die Trocknung bei Umgebungsdruck bietet eine Alternative zur überkritischen Trocknung mit besserer Skalierbarkeit für die Produktion in großem Maßstab. Allerdings erfordert die Trocknung bei Umgebungsdruck einen längeren Zeitraum und einen teuren Lösungsmittelaustausch vor der Trocknung. Die Gefriertrocknung ist die kostengünstigste und wohl auch die umweltfreundlichste der drei Methoden. Allerdings sind der mit der Gefriertrocknung verbundene Energieverbrauch und die zahlreichen Verarbeitungsschritte ein Hindernis für die Produktion in großem Maßstab. Darüber hinaus gibt es bei jeder der Trocknungsmethoden Dickenbegrenzungen, bei denen sie aufgrund des höheren Verbrauchs an teuren Ausgangsstoffen, Rohstoffen und des Gesamtenergieverbrauchs zunehmend unwirtschaftlich werden. Die drei Verfahren werden in der Regel mit einem oder mehreren Vor- und Nachtrocknungsprozessen kombiniert, die die Produktionskosten weiter in die Höhe treiben. Insgesamt sind die bestehenden traditionellen Herstellungsverfahren aufgrund der hohen Produktionskosten, die sich aus der Ineffizienz, der Komplexität, der langen Produktionszeit und dem hohen Energieverbrauch ergeben, für eine breite Anwendung von Aerogel nicht geeignet. Zusätzlich zu den Kosten können die Synthese und die Methoden der derzeitigen Herstellung große Mengen an gefährlichen Lösungsmitteln, Reagenzien und flüssigem Kohlendioxid beinhalten, was sich erheblich auf die Umwelt und den Kohlenstoff-Fußabdruck auswirkt.
  • Obwohl in den letzten zehn Jahren mehrere neue Aerogel-Formulierungen erprobt und vermarktet wurden, gibt es an der Formulierungsfront noch einige Herausforderungen zu bewältigen. Erstens ist die Optimierung komplexer Parameter in Aerogel-Verbundprodukten (wie z. B. die Wahl der Ausgangsstoffe, Bindemittel, Vernetzer, das Molverhältnis, der pH-Wert, Katalysatoren, Gelpunkte), die erforderlich sind, um bestimmte Funktionalitäten (z. B. Feuerhemmung, Hydrophobie) zu verleihen, ohne die einzigartigen Eigenschaften von Aerogel zu beeinträchtigen, nach wie vor eine Herausforderung. Zweitens führt die Notwendigkeit, die Formulierung und das Verfahren aufeinander abzustimmen, zu zusätzlicher Unflexibilität bei der Herstellung verschiedener Formen von Qualitätsaerogelprodukten für unterschiedliche Anwendungen. So lassen sich beispielsweise starre Aerogelplatten nur schwer in den typischen zylindrischen Reaktorbehältern herstellen, die bei überkritischen Trocknungsprozessen verwendet werden. Drittens wirken sich die inhomogene Verteilung und das Aggregationsverhalten der eingearbeiteten Materialien negativ auf die Eigenschaften und die Qualität des Aerogel-Verbundstoffs aus, vor allem im Produktionsmaßstab. Viertens schränken der durch den Partikelverlust entstehende Staub und die Zerbrechlichkeit/Sprödigkeit der Formulierung den Transport, die Handhabung, die Anwendung und die Nutzungsdauer des Materials ein. Darüber hinaus stellt Staub eine allgemeine Gesundheits- und Umweltbedrohung während der Anwendung dieser Materialien vor Ort oder in-situ dar und verschlechtert die Isolierleistung mit der Zeit.
  • Es besteht ein eindeutiger Bedarf an der Entwicklung eines neuartigen Aerogel-Produktionsverfahrens, das kommerziell durchführbar ist, damit Aerogele in großem Umfang in verschiedenen wichtigen Industriezweigen eingesetzt werden können, z. B. im Baugewerbe, in der Kühlkette für Lebensmittel- und Pharmaverpackungen und in der Logistik, in der Schifffahrt, in der Industrie, in der Luft- und Raumfahrt und in der Automobilindustrie, die hochleistungsfähige Isoliermaterialien benötigen. Das Herstellungsverfahren für Aerogele und Aerogele-Verbundstoffe muss einfach und effizient sein und eine schnellere Durchlaufzeit sowie geringere Kapital- und Betriebskosten aufweisen. Außerdem sollte die Produktionstechnologie umweltfreundlich sein und wenig Energie verbrauchen. Gleichzeitig müssen die Eigenschaften und die umweltfreundlichen Aspekte der Aerogel-Produktformulierung deutlich verbessert werden, um die Anforderungen bestehender Anwendungen besser zu erfüllen und auch neue Anwendungen zu erschließen.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • In einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung von hydrophoben Aerogelen und Aerogel-Verbundstoffen auf Wasserbasis bereitgestellt, wobei das Verfahren umfasst:
    • Synthetisieren einer wässrigen Bindemittelmischung;
    • Zugeben von silylmodifizierten Vorläufern zur Bildung einer Emulsion;
    • Bilden eines gelierten Verbundstoffs unter Vakuumhomogenisierungsbedingungen;
    • hydrophobes Behandeln des gelierten Verbundstoffs;
    • Einfrieren des gelierten Verbundstoffes;
    • mikrowellenunterstütztes Vakuumgefriertrocknen des gelierten Verbundstoffs zur Bildung eines Aerogel-Verbundstoffs; und
    • Härten des Aerogel-Verbundstoffs.
  • Vorzugsweise ist die mikrowellenunterstützte Vakuumgefriertrocknung so konfiguriert, dass eine Trocknung des gelierten Verbundstoffs in der Masse erfolgt.
  • In einem zweiten Aspekt werden hydrophobe Aerogele und Aerogel-Verbundstoffe auf Wasserbasis bereitgestellt, die nach einem Verfahren hergestellt werden, das Folgendes umfasst:
    • Synthetisieren einer wässrigen Bindemittelmischung;
    • Zugeben von silylmodifizierten Vorläufern zur Bildung einer Emulsion;
    • Bilden eines gelierten Verbundstoffs unter Vakuumhomogenisierungsbedingungen;
    • Behandeln des gelierten Verbundstoffes mit Hydrophobie;
    • Einfrieren des gelierten Verbundstoffes;
    • mikrowellenunterstütztes Vakuumgefriertrocknen des gelierten Verbundstoffes zur Bildung eines Aerogel-Verbundstoffs; und
    • Härten des Aerogel-Verbundstoffs.
  • Vorzugsweise ist die mikrowellenunterstützte Vakuumgefriertrocknung so konfiguriert, dass eine Trocknung des gelierten Verbundstoffs in der Masse erfolgt.
  • In einem letzten Aspekt wird ein hydrophober Aerogel-Verbundstoff auf Wasserbasis bereitgestellt, der Folgendes umfasst:
    • ein silylmodifiziertes Aerogel-Vorläufersystem;
    • ein Tensid;
    • flammhemmende Mittel;
    • ein hydrophobes Mittel; und
    • ein Vernetzungsmittel.
  • Es ist wünschenswert, dass die Bestandteile gleichmäßig verteilt sind.
  • Es wird deutlich, dass die allgemeinen Formen der Erfindung und ihre jeweiligen Merkmale in Verbindung, austauschbar und/oder unabhängig voneinander verwendet werden können, und die Bezugnahme auf einzelne allgemeine Formen ist nicht als Einschränkung zu verstehen.
  • Figurenliste
  • Ein nicht einschränkendes Beispiel der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
    • 1 ist ein Flussdiagramm eines allgemeinen Verfahrens zur Herstellung der oben genannten Formen von Aerogelen;
    • 2 ist eine schematische Darstellung eines mikrowellenunterstützten Vakuum-Gefriertrockners, der in der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
    • 3 ist ein Diagramm, das den Feuchtigkeitsgehalt des Aerogels als Funktion der Zeit darstellt;
    • 4 ist ein Flussdiagramm einer ersten Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines Silica-Aerogel-Verbundstoffs;
    • 5 ist ein Flussdiagramm einer zweiten Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines Silica-Aerogel-Verbundstoffs;
    • 6 ist ein Flussdiagramm einer ersten Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines mit Silica verstärkten Polymer-Aerogel-Verbundstoffs;
    • 7 ist ein Flussdiagramm einer ersten Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines Zellulose-Aerogel-Verbundstoffs;
    • 8 ist ein Flussdiagramm einer ersten Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines mit Siliziumdioxid verstärkten Zellulose-Aerogel-Verbundstoffs;
    • 9 ist ein Flussdiagramm einer zweiten Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines mit Siliziumdioxid verstärkten Zellulose-Aerogel-Verbundstoffs;
    • 10 ist ein Flussdiagramm einer ersten Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines mit Siliziumdioxid verstärkten Nanozellulose-Aerogel-Verbundstoffs;
    • Die 11A und 11B zeigen Beispiele für fertige Objekte, die mit den oben genannten Methoden hergestellt wurden;
    • Die 12A bis 12D zeigen Beispiele von Wasser-Kontaktwinkel-Bildern von Endprodukten; und
    • Die 13A bis 13G zeigen Beispiele von Mikrostrukturbildern von Endprodukten der Verfahren der bis .
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erzeugen hochwertige Aerogel- und Aerogel-Verbundstoffe, die die Grenzen der derzeitigen Methoden überwinden und für die großtechnische Produktion in einem anpassungsfähigen Aufbau reproduziert werden können, der wirtschaftlich und kommerziell tragfähig ist.
  • In der vorliegenden Erfindung wird die mikrowellenunterstützte Vakuumgefriertrocknungstechnologie (MAVFD) eingesetzt. MAVFD ist eine umweltfreundliche Technologie mit geringem Stromverbrauch, die einen klaren Vorteil gegenüber anderen kommerziellen Methoden zur Herstellung von Aerogele bietet. Vorteilhaft ist, dass die Probleme der niedrigen Trocknungsrate, der langen Trocknungsdauer, des hohen Energieverbrauchs, der komplexen Konstruktion und der hohen Herstellungskosten, die normalerweise mit der herkömmlichen Gefriertrocknungstechnologie verbunden sind, beseitigt werden. MAVFD ist eine hocheffiziente thermische Energietechnologie ohne ionisierende Strahlung in Kombination mit der Vakuumgefriertrocknungstechnologie, die die Sublimation von Eis zu Gas unter der Einwirkung eines dreidimensionalen Mikrowellenfeldes ermöglicht, das eine volumetrische Erwärmung in Aerogelen induziert. Im Gegensatz zur schichtweisen Trocknung in herkömmlichen Gefriertrocknern ermöglicht der MAVFD eine größere Eindringtiefe in das gesamte Material, wodurch der Trocknungszyklus extrem schnell und effizient ist.
  • Die vorliegende Erfindung offenbart auch das integrierte Verfahren zur Herstellung der Aerogele von den Vorstufen bis zum fertigen Aerogelprodukt in einem nahtlosen Herstellungsprozess. Dies ermöglicht eine einfache Implementierung einer skalierten Produktionsanlage. Vorteilhafterweise ermöglicht die Erfindung die Herstellung einer breiten Palette und verschiedener Arten von Aerogelen, von organischen bis zu anorganischen, von polymeren bis zu biologisch abbaubaren Aerogelen.
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bieten den Anwendern ein System und ein Verfahren zur Herstellung von hydrophoben Aerogelen und Aerogel-Verbundstoffen auf Wasserbasis. Das System und das Verfahren können auf eine Art und Weise durchgeführt werden, die schneller ist als herkömmliche Methoden und leicht skalierbar ist. Vorteilhafterweise ist das Herstellungsverfahren für die Herstellung von hydrophoben Aerogelen und Aerogel-Verbundstoffen auf Wasserbasis in großem Maßstab mit guter Homogenität und Konsistenz geeignet. Vorteilhafterweise hat das Herstellungsverfahren auch den Vorteil einer kürzeren Verarbeitungszeit aufgrund der Vakuumhomogenisierungs- und Mischprozesse, der einfachen Synthese, der Verwendung von nicht-ionisierender Strahlungsenergie bei der mikrowellenunterstützten Vakuumgefriertrocknung (MAVFD) zur schnellen Trocknung, Aushärtung und aufgrund der Zugabe eines Vernetzungsmittels. 1 zeigt das allgemeine Verfahren zur Herstellung von hydrophoben Aerogelen und Aerogel-Verbundstoffen auf Wasserbasis.
  • Das in 1 gezeigte Flussdiagramm offenbart ein allgemeines Beispiel für ein Verfahren 100 zur Herstellung der vorgenannten Formen von Aerogelen. Wie bereits erwähnt, unterscheidet sich die Skalierbarkeit der Herstellung der vorliegenden Erfindung von der Herstellung im Labormaßstab. Das Verfahren 100 umfasst zunächst die Synthese einer wässrigen Mischung (110). Das wässrige Gemisch kann ein wasserbasiertes Bindemittel, Flammschutzmittel, Füllstoffe und ein Tensid enthalten. In einem zweiten Schritt wird der wässrigen Mischung ein silylmodifizierter Vorläufer zugesetzt, um eine Emulsion (120) zu bilden. Unter Vakuumhomogenisierung (130) wird ein gelierter Verbundstoff gebildet. In Schritt 130 wird der Emulsion ein wasserlösliches Vernetzungsmittel zugesetzt. Anschließend wird der gelierte Verbundstoff in-situ funktionalisiert, indem dem gelierten Verbundstoff wasserlösliche Hydrophobierungsmittel zugesetzt werden (140). Der hydrophobierte gelierte Verbundstoff wird dann eingefroren (150). Der gefrorene gelierte Verbundstoff wird einer mikrowellenunterstützten Vakuumgefriertrocknung bei einem ersten vorbestimmten Druck und einer ersten vorbestimmten Temperatur (160) unterzogen, wobei die mikrowellenunterstützte Vakuumgefriertrocknung in einem Ausmaß durchgeführt wird, das für die Sublimation von Eis während der Trocknung des gelierten Verbundstoffs ausreicht. Anschließend wird der Aerogel-Verbundstoff ausgehärtet (170).
  • Sofern nicht anders definiert, haben alle hierin verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe die gleiche Bedeutung, wie sie von Fachleuten auf dem Gebiet, zu dem die Erfindung gehört, gemeinhin verstanden wird. Obwohl alle Methoden und Materialien, die den hier beschriebenen ähnlich oder gleichwertig sind, in der Praxis oder bei der Prüfung der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, werden bevorzugte Methoden und Materialien beschrieben. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung werden die folgenden Begriffe im Folgenden definiert.
  • Der hier verwendete Begriff „wässrige Mischung“ bezieht sich auf ein Lösungsmittel oder Lösungsmittelsystem auf Wasserbasis, das hauptsächlich aus Wasser besteht. Solche Lösungsmittel können entweder polar oder unpolar und/oder entweder protisch oder aprotisch sein. Lösungsmittelsysteme beziehen sich auf Kombinationen von Lösungsmitteln, die zu einer einzigen Endphase führen. Sowohl „Lösungsmittel“ als auch „Lösungsmittelsysteme“ können unter anderem Pentan, Cyclopentan, Hexan, Cyclohexan, Benzol, Toluol, Dioxan, Chloroform, Diethylether, Dichlormethan, Tetrahydrofuran, Ethylacetat, Aceton, Dimethylformamid, Acetonitril, Dimethylsulfoxid, Nitromethan, Propylencarbonat, Ameisensäure, Butanol, Isopropanol, Propanol, Ethanol, Methanol, Essigsäure, Ethylenglykol, Diethylenglykol, 1 ,4-Dioxan, tert-Butanol oder Wasser. In den meisten Fällen handelt es sich bei der wässrigen Lösung um Wasser. In einigen Fällen handelt es sich bei dem wässrigen Gemisch um entionisiertes Wasser. In einigen Fällen handelt es sich bei der wässrigen Lösung um Millipore-Wasser.
  • In der vorliegenden Offenbarung wird vorteilhaft ein wässriges Gemisch verwendet. Insbesondere wird Wasser verwendet. Wasser kann aus einer wässrigen Lösung mittels Mikrowellenerwärmung unter kontrolliertem Druck und kontrollierter Temperatur verdampft oder sublimiert werden, was es zum umweltfreundlichsten, wünschenswertesten, ungefährlichsten und ungiftigsten Lösungsmittel macht, das verwendet werden kann. Die Mikrowelle ist Teil des elektromagnetischen Spektrums nicht-ionisierender Strahlung, die in Körpern mit niedriger Dielektrizitätskonstante wie Wasser, Eis, Siliziumdioxid, Zellulose im Nano- bis Mikrobereich und in Pulvern, Fasern, Polyurethan und allgemein isolierenden Materialien absorbiert werden kann. Da Wasser nicht in die vernetzte Struktur der Aerogele eindringt, werden die hydrophoben Eigenschaften der Aerogele nicht beeinträchtigt.
  • Der Begriff „silylmodifiziert“ bezieht sich auf jede Einheit, die mit einer oder mehreren Silylgruppen (-SiR3, wobei R bei jedem Auftreten unabhängig eine C1-C6-Alkylgruppe ist) modifiziert ist. Die funktionellen Gruppen können zum Beispiel in verschiedenen Formen wie Methyl, lineares Alkyl, verzweigtes Alkyl, fluoriertes Alkyl, Dipoal und Aryl vorliegen.
  • Der Begriff „Vorläufer“ bezieht sich auf einen Stoff, aus dem ein anderer Stoff gebildet wird. Vorläufer in dieser Erfindung bezieht sich auf das Ausgangsmaterial wie Silane, Zellulose, Polymere, aus denen Aerogele hergestellt werden. Sie sind oft die Bausteine ständiger chemischer Reaktionen, die ein komplexes und dreidimensionales, miteinander verbundenes Netz von Molekülen bilden.
  • Der Begriff „Bindemittel“ bezieht sich auf einen Stoff, der andere Materialien zusammenhält oder zusammenzieht, um eine Einheit zu bilden. Bei Bindemitteln kann es sich um organische oder anorganische Stoffe handeln, und sie können flüssig oder fest sein. Ohne an eine Theorie gebunden sein zu wollen, geht man davon aus, dass Bindemittel Materialien entweder durch physikalische oder chemische Wechselwirkungen oder durch beides zusammenhalten. Der hier verwendete Begriff „Bindemittel auf Wasserbasis“ bezeichnet somit ein Bindemittel, das zumindest im Wesentlichen in einem wässrigen Medium löslich ist. Beispiele für anorganische Bindemittel sind unter anderem Silikone, Siloxane, Silicatharze oder Mischungen davon. Beispiele für organische Bindemittel sind unter anderem Poly((meth)acrylsäure), Poly((meth)acrylester), Poly((meth)acrylamid), Polyurethan, Polystyrol, Poly(alpha-methylstyrol), Poly(butadien) Poly(vinylacetat), Poly(vinylidenfluoride), Poly(vinylidenchloride), Poly(acrylnitril), Poly(vinylsulfon), Poly(vinylsulfide) und Poly(vinylsuloxide) sowie deren Copolymere oder Gemische. Der hier verwendete Begriff „Copolymere“ bezieht sich auf Polymere mit zwei oder mehr verschiedenen Monomereinheiten, einschließlich Terpolymere und Polymere mit drei oder mehr verschiedenen Monomeren. Bei den Copolymeren kann es sich um Zufalls-, Block-, Gradienten- oder andere Architekturen handeln. Zu den Monomereinheiten gehören unter anderem Acryl, polyfunktionelles Isocyanat, polyfunktioneller Alkohol (Polyol), Styrol, alpha-Methylstyrol, Butadien, Vinylacetat, Vinylidenfluoride, Vinylidenchloride, Acrylnitril, Vinylsulfon, Vinylsulfide und Vinylsuloxide.
  • Der Begriff „Tensid“ bezieht sich auf eine Substanz, die dazu neigt, die Oberflächenspannung einer Flüssigkeit zu verringern. Tenside sind in der Regel, aber nicht ausschließlich, organische Verbindungen, die amphiphil sind. Der Begriff „Tenside“ umfasst somit ionische Tenside, nichtionische Tenside, anionische Tenside, kationische Tenside, amphotere Tenside oder eine Mischung davon. Beispiele für nichtionische Tenside sind unter anderem Alkoholethoxylate (auf der Basis von Laurylalkohol), Mischungen aus (Ölsäure) und Zuckeralkohol Sorbit (Sorbitanoleat), Polyalkylenoxid-Blockcopolymer, ethoxyliertes Polyoxypropylen oder Mischungen davon. Beispiele für anionische Tenside sind unter anderem Natriumdodecylsulfat (SDS), Natriumpentansulfonat, Dehydrocholsäure, Glykolithocholsäureethylester, Ammoniumlaurylsulfat und andere Alkylsulfatsalze, Natriumlaurethsulfat, Alkylbenzolsulfonat, Seifen, Fettsäuresalze, Natriumdihexylsulfosuccinat, Polyoxyethylen(5)-tridecylmono-/-diphosphat, Naphthalinsulfonat oder Mischungen davon. Beispiele für kationische Tenside sind unter anderem Cetyltrimethylammoniumbromid (CTAB), Dodecylethyldimethylammoniumbromid (D12EDMAB), Didodecylammoniumbromid (DMAB), Cetylpyridiniumchlorid (CPC), polyethoxyliertes Talgamin (POEA), Hexadecyltrimethylammonium-p-toluolsulfonat, Benzalkoniumchlorid (BAC), Benzethoniumchlorid (BZT), quaternäre Ammoniumsalze, Cetyltrimethylammoniumchlorid und Mischungen davon. Beispiele für amphotere Tenside sind unter anderem Dodecylbetain, Natrium-2,3-dimercaptopropansulfonat-Monohydrat, Dodecyldimethylaminoxid, Cocamidopropylbetain, 3-[N,N-Dimethyl(3-palmitoylaminopropyl)ammonio]-propansulfonat, Cocoampho-Glycinat und Mischungen davon.
  • Der Begriff „Flammschutzmittel“ bezieht sich auf eine Substanz, die verwendet wird, um die Ausbreitung eines Feuers zu verlangsamen oder zu stoppen oder seine Intensität zu verringern. Dies geschieht in der Regel durch chemische Reaktionen, die die Entflammbarkeit von Brennstoffen verringern oder deren Verbrennung verzögern. Flammschutzmittel können den Brennstoff auch durch physikalische Einwirkungen oder endotherme chemische Reaktionen abkühlen. Feuerhemmende Mittel sind als Pulver, Beschichtungen, Gele und Sprays erhältlich. In der vorliegenden Erfindung werden feuerhemmende Verbindungen als Teil einer Emulsion verwendet, um einem getrockneten Aerogel diese Eigenschaft zu verleihen. Beispiele für feuerhemmende Stoffe sind Kalziumsilicat, Natriumsilicat, Borax, Borsäure, Zinkborat und Natriumdecahydrat-Tetraborat.
  • Der Begriff „Vernetzungsmittel“ bezieht sich auf einen Stoff, der zwei oder mehr Enden enthält, die in der Lage sind, mit bestimmten Gruppen anderer Stoffe zu interagieren. Die Wechselwirkung ermöglicht die Bildung kovalenter Bindungen oder kurzer Sequenzen chemischer Bindungen, um zwei oder mehr Stoffe oder Gruppen durch physikalische oder chemische Wechselwirkung zu verbinden. Die Vernetzung kann durch Aushärtungsmethoden bei Raumtemperatur bis zu erhöhten Temperaturen und/oder durch physikalische Adhäsion erleichtert werden. Das Vernetzungsmittel kann lineare oder gepfropfte Netzwerke oder Kombinationen aus beiden bilden.
  • Der hier verwendete Begriff „Aerogel“ hat die allgemeine Bedeutung, die der Fachmann versteht. Aerogel bezieht sich auf ein synthetisches, poröses, ultraleichtes Material, das von einem Gel abgeleitet ist, bei dem die flüssige Komponente im Gel durch ein Gas oder Luft ersetzt wurde. Aerogele werden in der Regel hergestellt, indem die flüssige Komponente des Gels durch bekannte Trocknungsverfahren durch Gas- oder Lufteinschlüsse ersetzt wird, ohne dass die feste Matrix durch Kapillarwirkung zusammenfällt. Infolgedessen haben Aerogele ein poröses festes Matrixnetzwerk, das mehr als 90 Volumenprozent Luft oder Gas enthält. Vorzugsweise bestehen mehr als 95% des Volumens des Aerogels aus Gas oder Luft. Noch bevorzugter ist, dass mehr als 98% des Volumens des Aerogels aus Gas oder Luft besteht.
  • Der hier verwendete Begriff „Aerogel auf Wasserbasis“ bezieht sich auf ein Aerogel, das die oben genannten Eigenschaften aufweist, indem Wasser oder ein anderes Lösungsmittel auf Wasserbasis als Trägermedium für die Lösungsgelierungsreaktion verwendet wird.
  • Der hier verwendete Begriff „Silica-Aerogel“ bezieht sich auf ein Aerogel, das Siliciumdioxid als Grundbestandteil hat. In der einfachsten Form ist Siliciumdioxid ein Oxid von Silicium, und Silica-Aerogel ist ein Aerogel, das Silicium-Sauerstoff-Bindungen (Siloxan-Brücken) als Grundlage für sein Gerüst aufweist. Silica-Aerogel kann modifiziert oder unmodifiziert sein. Modifizierte Silica-Aerogele sind mit SiR-Gruppen funktionalisiert3 an anderer Stelle in der Literatur beschrieben sind. In der vorliegenden Erfindung wurde in einigen Ausführungsformen ein Verfahren zur Funktionalisierung der Gruppen beschrieben.
  • Der Begriff „Silica-Aerogel-Verbundstoff“ bezieht sich auf ein Silica-Aerogel, das neben dem Silica-Gerüst mindestens einen weiteren Teil, ein Element, einen Stoff, ein Salz, ein Molekül oder eine Verbindung enthält. Diese Elemente können entweder organischer oder anorganischer Natur sein, auf physikalische oder chemische Weise interagieren oder nicht mit dem Siliziumdioxidgerüst interagieren. Silica-Aerogel-Verbundstoffe können physikalische oder chemische Eigenschaften aufweisen, die ihren einzelnen Elementen wesentlich ähneln oder sich von ihnen unterscheiden. Silica-Aerogel-Verbundstoffe können eine Verbesserung einer einzelnen Eigenschaft oder eine kollektive Verbesserung mehrerer Eigenschaften aufweisen. Wenn beispielsweise Wärmeisolierung und Festigkeit die gewünschten Eigenschaften des Aerogel-Verbundstoffs sind, kann ein Aerogel-Verbundstoff mit Füllstoffen und Fasern versetzt werden, um die Sprödigkeit des Aerogels zu verringern und gleichzeitig die Wärmeisolierungseigenschaften des Aerogels im Wesentlichen beizubehalten oder zu verbessern.
  • Der hier verwendete Begriff „Polysaccharid-Aerogel“ bezieht sich auf ein Aerogel, das einen Zellulosegehalt als Grundbestandteil hat. Der hier verwendete Begriff „Zellulose“ bezieht sich auf ein Polymer, das aus sich wiederholenden, aneinandergereihten Glucosemolekülen besteht und eine beliebige Größe und Dimension haben kann. Zellulose ist ein lineares Polysaccharid mit β(1-4)-D-Glucopyranose-Einheiten in 4C1-Konformation. Die Konformation der β-verknüpften Glucopyranosereste stabilisiert die Stuhlstruktur. Zellulose ist ein in Wasser unlösliches Polymer und kann in vier kristallinen Formen vorliegen: Iα, Iβ, II und III. Der hier verwendete Begriff „Zellulose“ umfasst auch natürliche Zellulosefasern und hergestellte Zellulosefasern. Die Zellulose umfasst auch recycelte Zellulose, die aus Altpapier, Kartonagen und Geweben hergestellt wird. Zellulosederivate wie Zelluloseester, Zelluloseether und Zellulosenitrat bilden die wichtigste Zellulosestruktur für die kommerzielle Anwendung. Eine weitere Gruppe von Polysacchariden sind Chitosan und Chitin, die unter den richtigen Bedingungen ein Nanostruktur-Netzwerk bilden können.
  • Der hier verwendete Begriff „Polymer-Aerogel“ bezieht sich auf ein Aerogel, das mindestens ein polymeres Material als Grundbestandteil enthält. Insbesondere biologisch abbaubares Polymer-Aerogel ist von Interesse. Biologisch abbaubare Polymere können in natürliche und synthetische Polymere unterteilt werden. Zu den natürlichen biologisch abbaubaren Polymeren gehören aus Biomasse extrahierte Biopolymere wie Polysaccharide, Polypeptide und Lipide sowie Biopolymere aus Mikroorganismen wie mikrobielle Polyester, bakterielle Zellulose und aus biologisch gewonnenen Monomeren synthetisierte Polymere. Aliphatische Polyester sowie Polyvinylalkohol und Polyvinylacetat gehören zu den synthetischen biologisch abbaubaren Polymeren.
  • Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines hydrophoben Aerogels auf Wasserbasis und eines Aerogel-Verbundstoffs (zusammenfassend als „Aerogel“ bezeichnet). Der Begriff „Herstellung“, „Fertigung“ bezieht sich auf die Herstellung (oder Herstellung) von etwas in großem Maßstab. Dies kann entweder durch manuelle Arbeit oder durch Maschinen oder durch beides geschehen. Im Sinne der Herstellung und im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist also ein Aerogel oder ein Aerogel-Verbundstoff von mindestens etwa 150 mm mal 150 mm erwünscht. Vorzugsweise ist ein Aerogel oder ein Aerogel-Verbundstoff von etwa 250 mm mal 250 mm erwünscht. Vorzugsweise ist ein Aerogel oder ein Aerogel-Verbundstoff von etwa 300 mm mal 300 mm erwünscht. Vorzugsweise ist ein Aerogel oder Aerogel-Verbundstoff von etwa 500 mm mal 500 mm oder etwa 600 mm mal 1200 mm erwünscht. Vorzugsweise ist ein Aerogel oder ein Aerogel-Verbundstoff von etwa 700 mm x 1400 mm erwünscht. Noch bevorzugter ist ein Aerogel oder Aerogel-Verbundstoff von etwa 1200 mm x 2400 mm. Die Dicke des genannten Aerogels oder Aerogel-Verbundstoff kann im Bereich von etwa 5 mm bis etwa 100 mm liegen.
  • Das Bindemittel auf Wasserbasis und das Tensid können dem wässrigen Gemisch (110) gleichzeitig oder nacheinander zugesetzt werden. Beispielsweise kann das Bindemittel auf Wasserbasis zuerst zugegeben werden, gefolgt von dem Tensid. Alternativ kann auch zuerst das Tensid und dann das Bindemittel zugegeben werden. Das Bindemittel auf Wasserbasis kann teilweise, im Wesentlichen oder vollständig in der wässrigen Mischung aufgelöst werden, bevor das Tensid zugegeben wird. Alternativ kann das Tensid teilweise, im Wesentlichen oder vollständig in der wässrigen Mischung aufgelöst werden, bevor das Bindemittel auf Wasserbasis zugegeben wird.
  • In einigen Ausführungsformen umfasst der Schritt der Bereitstellung des wässrigen Gemischs einen Mischschritt und einen Rührschritt. Im Mischschritt werden die Materialien oder Elemente in dem wässrigen Gemisch kombiniert oder zusammengefügt. Der Mischschritt kann, ohne darauf beschränkt zu sein, Rühren, Schlagen, Mischen, Aufschlagen, Falten, Homogenisieren oder Beschallen sein. Die Energie, die erforderlich ist, um die Elemente in dem wässrigen Gemisch zu kombinieren, hängt von der Löslichkeit der Elemente und ihrer Wechselwirkung ab.
  • In einigen Ausführungsformen umfasst der Schritt der Bereitstellung des wässrigen Gemischs einen Mischschritt, wobei im Mischschritt eine Beschallung verwendet wird.
  • In einigen Ausführungsformen wird das wässrige Gemisch nach dem Mischschritt im Rührschritt mit hoher Geschwindigkeit gemischt. Es ist wünschenswert, dass die Geschwindigkeit, mit der die Mischerblätter arbeiten, so gesteuert wird, dass ein Schaum mit gleichmäßigen Luftblasengrößen entsteht. Es ist auch wünschenswert, dass die im Schaum erzeugten Lufttaschen stabilisiert werden und dass der Druck im Schaum nicht schnell zusammenbricht. Daher ist es wünschenswert, dass die Rührgeschwindigkeit größer als etwa 1500 U/min, aber kleiner als 5000 U/min ist.
  • In einigen Ausführungsformen umfasst der Schritt der Bereitstellung der wässrigen Mischung einen Mischschritt und einen Rührschritt, wobei der Rührschritt das Homogenisieren der wässrigen Mischung umfasst. Der Mischschritt stellt sicher, dass das Bindemittel auf Wasserbasis und das Tensid gleichmäßig in der wässrigen Mischung dispergiert sind. In diesem Sinne kann das Tensid bei der Dispersion des Bindemittels auf Wasserbasis helfen. So kann das Bindemittel auf Wasserbasis teilweise, im Wesentlichen oder vollständig in der wässrigen Mischung gelöst sein. Durch den Schritt des Rührens werden Luftblasen in das wässrige Gemisch eingebracht und das wässrige Gemisch aufgeschäumt. Die Homogenisierung kann aufgrund ihrer Scherwirkung auf die Flüssigkeit das Volumen der Mischung durch die gebildeten Lufteinschlüsse vorteilhaft um bis zu 300% erhöhen. Dies erleichtert die Durchmischung der silylmodifizierten Vorprodukte im weiteren Prozess.
  • In einigen Ausführungsformen umfasst der Schritt der Bereitstellung der wässrigen Mischung einen Mischschritt, einen Rührschritt unter Vakuum, wobei der Rührschritt das Homogenisieren der wässrigen Lösung unter Vakuum umfasst. Der Mischschritt stellt sicher, dass das Bindemittel auf Wasserbasis und das Tensid gleichmäßig in der wässrigen Mischung dispergiert sind. In diesem Sinne kann das Tensid bei der Dispersion des wasserbasierten Bindemittels helfen. So kann das Bindemittel auf Wasserbasis teilweise, im Wesentlichen oder vollständig in der wässrigen Mischung gelöst sein. Der Schritt des Rührens unter Vakuum stabilisiert die entstandene Emulsion, indem überschüssige und eingeschlossene Luftblasen aus der Mischung und dem wässrigen Gemisch entfernt werden. Die Homogenisierung kann aufgrund ihrer Scherwirkung auf die Flüssigkeit das Volumen der Mischung vorteilhaft auf bis zu 100% erhöhen, da die überschüssige Luft entfernt wird, um die Verdichtung der festen in der flüssigen Suspension zu fördern. Dies erleichtert die Durchmischung der silylmodifizierten Vorstufen im anschließenden Prozess.
  • Dementsprechend umfasst in einigen Ausführungsformen der Schritt der Bereitstellung der wässrigen Mischung einen Misch- und Rührschritt unter Vakuum, wobei der Mischschritt eine Beschallung und der Rührschritt eine Homogenisierung entweder in einem Vakuumtopf oder auf andere Weise umfasst.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist das Mischen der wässrigen Lösung von Bindemittel und Additiven unter Vakuum. Das Mischen der Emulsion unter Vakuumbedingungen gewährleistet eine hohe Verdichtung der Partikel unter der Mischung, beschleunigt den Vernetzungsprozess und die Homogenität der Emulsion ohne Phasentrennung. Die Phasentrennung von festen und flüssigen Bestandteilen in einer Suspension beeinträchtigt häufig die endgültigen Eigenschaften und führt zu uneinheitlichen Ergebnissen. Das Mischen und Rühren unter Vakuum kann in einem Topf oder in zwei Töpfen durchgeführt werden.
  • Das wässrige Gemisch, das den Misch- und Rührschritt umfasst, kann bei jeder praktikablen Temperatur hergestellt werden. So wird das wässrige Gemisch zwar am häufigsten bei Umgebungstemperatur gemischt und gerührt, doch ist jede Temperatur geeignet, solange das wässrige Gemisch nicht vollständig zu Eis erstarrt oder vollständig als Gas verdampft. Um das Mischen und Rühren zu unterstützen, kann die Temperatur zusätzlich variiert werden.
  • In einigen Ausführungsformen enthält das wässrige Gemisch außerdem Flammschutzmittel, anorganische Füllstoffe und ein Verfestigungsmittel. Ein Verfestigungsmittel ist ein Zusatzstoff, der die mechanischen Eigenschaften eines Materials verbessern kann. Das Verfestigungsmittel kann aus einer Gruppe ausgewählt werden, die unter anderem pyrogene Kieselsäure, Mineralfasern, Kalziumsilicat, Basaltfasern, Basaltpulver, Kieselsäurefasern, Keramikfasern, Polymerfasern, Glasfasern oder eine Kombination davon umfasst. In einigen Ausführungsformen ist das Verstärkungsmittel pyrogene Kieselsäure. In einigen Ausführungsformen ist das Verstärkungsmittel eine Mineralfaser. In einigen Ausführungsformen ist das Verstärkungsmittel Kalziumsilicat. In einigen Ausführungsformen besteht das Verstärkungsmittel aus Basaltfasern. In einigen Ausführungsformen besteht das Verstärkungsmittel aus Kieselsäurefasern. In einer Ausführungsform besteht das Verfestigungsmittel aus einer Kombination von pyrogener Kieselsäure, Kieselsäurefasern und Basaltfasern. In einer Ausführungsform ist das Verfestigungsmittel eine Kombination aus Mineralfasern, Kalziumsilicat und Kieselsäurefasern.
  • Anorganischer Füllstoff ist ein Zusatzstoff, der die Eigenschaften eines Materials verbessert. Der Zusatz eines anorganischen Füllstoffs kann die Feuerbeständigkeit, die feuerhemmenden Eigenschaften und/oder die Isolationseigenschaften der hydrophoben Aerogele auf Wasserbasis verbessern. Der anorganische Füllstoff kann aus einer Gruppe ausgewählt werden, die unter anderem amorphes Siliziumdioxid, Keramik, Quarz, Zirkondioxid, Siliziumkarbid, Graphit, Eisen(lll)-oxid, Titanoxid, Bariumsulfat, Zinkborat, Graphit, Graphen, Natriumdecahydrat-Tetraborat, Borsäure oder eine Kombination davon umfasst. Anorganische Füllstoffe können verwendet werden, um die feuerfesten Eigenschaften des hydrophoben Aerogels auf Wasserbasis zu verbessern oder ihm diese zu verleihen. Beispiele für feuerfeste anorganische Füllstoffe sind u. a. Keramik, Zirkondioxid, Eisen(lll)-oxid, Titanoxid, pyrogene Kieselsäure und Borate verschiedener Art, z. B. Zink und Natrium. Anorganische Füllstoffe können verwendet werden, um die feuerhemmenden Eigenschaften der hydrophoben Aerogele auf Wasserbasis zu verbessern oder ihnen diese zu verleihen. Beispiele für feuerhemmende anorganische Füllstoffe sind u. a. Zirkondioxidfasern, Keramikfasern und Mineralfasern. In einigen Ausführungsformen ist der anorganische Füllstoff Titanoxid. In einigen Ausführungsformen ist der anorganische Füllstoff Bariumsulfat. In einigen Fällen handelt es sich bei dem anorganischen Füllstoff um Zinkborat. In einigen Ausführungsformen ist der anorganische Füllstoff Borsäure. In einigen Ausführungsformen ist der anorganische Füllstoff Zirkondioxid. In einer Ausführungsform ist der anorganische Füllstoff eine Kombination aus Titanoxid, Zinkborat und amorphem Siliziumdioxid.
  • Wie bereits erwähnt, kann das Bindemittel auf Wasserbasis verwendet werden, um Materialien zusammenzuhalten oder zusammenzuziehen. Das Bindemittel auf Wasserbasis kann mindestens eine der 2funktionellen Gruppen -OH, -COOH oder -NH entlang der Kette der Molekularstruktur enthalten. Das Bindemittel auf Wasserbasis kann aus einer Gruppe ausgewählt werden, die Gelatine, Polyacrylamid, Polyvinylpyrrolidon, Polymethacrylamid, Polyvinylalkohol oder eine Kombination davon umfasst, aber nicht darauf beschränkt ist. Andere anorganische Bindemittel auf Wasserbasis sind z. B. Natriumsilicat, Bindemittel auf Silikonbasis, Borsilicate und Natriumphosphate. Andere wasserlösliche selbstvernetzende Bindemittel in Form von Silikon-, Acryl-, Polyurethan-, Phenol- oder Co-Polymerblöcken in Kombination von Acryl-, Silikon-, Siloxan-, Phenol- und Polyurethanverbindungen kommen ebenfalls in Betracht.
  • In einigen Fällen ist das Bindemittel auf Wasserbasis Gelatine. In einigen Ausführungsformen ist das polymere Bindemittel Polyvinylalkohol. Vorteilhafterweise ist Polyvinylalkohol ein langsam synthetisches, biologisch abbaubares Polymer, das ungiftig und nicht gesundheitsschädlich ist. Er ist in Wasser löslich und schäumt gut. Er ist außerdem so vielseitig, dass er als Polymermischung synthetisiert werden kann. Polyvinylalkohol hat ausgezeichnete filmbildende, emulgierende und klebende Eigenschaften.
  • In einigen Fällen handelt es sich bei dem Bindemittel auf Wasserbasis um einen selbstvernetzenden Typ, der die Vernetzung bei erhöhten Temperaturen während des Mischens im Vakuum beschleunigt. Im Handel erhältliche Produkte dieser Art sind sehr vielfältig und haben sich als ebenso stabile wie leichte Aerogel-Verbundstoffe erwiesen. Vorteilhaft ist, dass das selbstvernetzende Bindemittel keine weiteren Vernetzungsmittel benötigt. Vorteilhafterweise kann die Gelierung dieser Bindemittel durch Steuerung der Temperatur und des pH-Wertes erreicht werden.
  • Das Tensid wird zugesetzt, um die Benetzbarkeit der Emulsion zu verbessern und die Oberflächenspannung der wässrigen Mischung zu verringern. In einigen Ausführungsformen ist das Tensid Natriumdodecylsulfat. In einigen Fällen handelt es sich bei dem Tensid um quaternäre Ammoniumsalze. In einigen Ausführungsformen handelt es sich bei dem Tensid um Alkoholethoxylate. In einigen Fällen ist das Tensid Cetyltrimethylammoniumbromid.
  • Ohne an die Theorie gebunden zu sein, können silylmodifizierte Vorstufen durch verschiedene Methoden wie Sol-Gel-Techniken, Emulsionstechniken, Phasentransfertechniken und die Gewinnung solcher Vorstufen aus kommerziellen Mitteln (120) hergestellt werden. So ist es beispielsweise möglich, von einem handelsüblichen Silica-Aerogel in Form von Granulat, Partikeln, Nadeln, Pulver oder mikronisierter Form auszugehen. Dementsprechend ist es möglich, von einem handelsüblichen Zellulosefasermaterial als Vorläufer auszugehen. Dieses Zellulosematerial kann in Form von Fasern, Partikeln, Nadeln, Pulver, in Nanogröße oder in mikronisierter Form vorliegen. Die im Handel erhältlichen Zellulosefasern müssen möglicherweise mit Hilfe von Tensiden teilweise oder vollständig benetzt werden, um die Wechselwirkungen zwischen hydrophilen und hydrophoben Gruppen während der Emulsionsphase zu erleichtern. Weitere Methoden zur Gewinnung silylmodifizierter Vorstufen sind Sol-Gel-Techniken und Phasentransfertechniken, die in Fachzeitschriften und in der Literatur vielfach veröffentlicht wurden. Bei den Vorstufen kann es sich um Silane, Zellulose, Polymere oder Kombinationen davon handeln.
  • Die silylmodifizierte Vorstufe kann eine oder mehrere funktionelle Gruppen -SiR, wie hier definiert, enthalten. Beispielsweise kann die silylmodifizierte Vorstufe eine oder mehrere der Gruppen -Si(CH3), -Si(C2H5), -Si(C3H7) enthalten, um nur einige zu nennen. In verschiedenen Ausführungsformen ist R Methyl, Methoxy oder Ethoxy. So kann die silylmodifizierte Vorstufe beispielsweise Si(CH3) oder Si(OC2H5) endständige Gruppen enthalten. In anderen Beispielen ist die silylmodifizierte Vorstufe so modifiziert, dass sie eine oder mehrere -SiR-Gruppen enthält, wobei R aus gegebenenfalls substituiertem C1-C6-Alkyl ausgewählt ist. Solche Methoden sind in der Technik bekannt und werden hier nicht beschrieben.
  • Chemische Vernetzung kann verwendet werden, um die Bildung eines dreidimensionalen Netzwerks zu fördern, das silylmodifizierte Vorläuferemulsionen unter Vakuumhomogenisierung in gelierte Verbundstoffe verwandelt (130). Beispielsweise können Carbonylgruppen mit Hydrazid-, Hydroxyl-, Amingruppen oder anderen funktionellen Gruppen reagieren. Die Vernetzungsgeschwindigkeit hängt unter anderem von der Reaktivität der Gruppen und der Temperatur der Lösung ab. Daher ist eine sorgfältige Kontrolle dieser Parameter unerlässlich, um eine einfache Handhabung und Verarbeitung des hydrophoben Aerogels auf Wasserbasis zu ermöglichen. Beispielsweise würde bei einer Temperatur von 25°C die Zugabe von etwa 0,5 bis 5,0 Gew.-% (Endgewicht des Verbundstoffs) Vernetzungsmittel ausreichend Zeit zum Mischen und Einbringen der Mischung in eine Form bieten, ohne dass die Mischung zu schnell erstarrt. Dementsprechend wird in einigen Ausführungsformen der Vernetzungsprozess mit der Zugabe des Vernetzungsmittels eingeleitet. In einer anderen Ausführungsform wird der Vernetzungsprozess eingeleitet, nachdem alle Vernetzungsmittel zugegeben wurden, aber vor dem MAVFD-Schritt. In einer anderen Ausführungsform wird der Vernetzungsprozess irgendwann während der Zugabe des Vernetzungsmittels eingeleitet. In einer anderen Ausführungsform wird der Vernetzungsprozess einige Zeit nach der Zugabe des Vernetzungsmittels eingeleitet. Vorzugsweise wird der Vernetzungsprozess später im Herstellungsprozess eingeleitet, nach der Bildung des gelierten Verbundstoffs, aber vor der MAVFD. Das Vernetzungsmittel kann aus einer Gruppe ausgewählt werden, die polyfunktionelle Aziridine, Carbodiimide, Polyisocyanate, blockierte Isocyanate, Melamin-Formaldehyd, Oxirane, Polyalkohole, Aldehyde, Glycidylether, Glycidylester, Carboxylverbindungen, Amine, Epoxide, Vinylsulfone, Amide, Allylverbindungen oder Kombinationen davon umfasst, aber nicht darauf beschränkt ist.
  • In den meisten Ausführungsformen umfasst das Verfahren zur Herstellung von hydrophobem Aerogel auf Wasserbasis ferner die In-situ-Behandlung von gelierten Verbundstoffen aus hydrophoben Mitteln während des Mischens unter Vakuumbedingungen, wobei die gelierte Verbundstoffemulsion mit einem hydrophoben Material während des In-situ-Mischens unter Vakuumbedingungen (140) umgesetzt wird.
  • So wird ein Hydrogel auf Wasserbasis, dem hydrophobe Wirkstoffe zugesetzt wurden, nach mikrowellenunterstützter Vakuumgefriertrocknung und schneller Aushärtung ein hydrophobes Aerogel ergeben. Wenn ein hydrophobes Aerogel gewünscht wird, kann ein Infusionsschritt durchgeführt werden. Bei diesem Schritt wird ein hydrophobes Material auf Wasserbasis, z. B. ein Siloxan-Haftvermittler auf Wasserbasis, zugegeben. Das Siloxan-Kopplungsmittel auf Wasserbasis reagiert mit den verbleibenden hydrophilen funktionellen Gruppen im gelierten Verbundstoff und macht sie hydrophob, so dass das fertige Aerogel hydrophob wird. Das Infusionsverfahren beinhaltet insbesondere ein zeitgesteuertes Mischen unter Vakuum und eine Erhitzung des Siloxan-Kupplungsmittels, so dass die Silane in die Emulsionsmischung diffundieren und mit den hydrophilen funktionellen Gruppen des gelierten Verbundstoffs reagieren und die hydrophoben Gruppen bilden können. Dabei können die angeordneten hydrophilen Gruppen weiter mit Siloxan-Kopplungsmitteln reagieren, um zusätzliche hydrophobe Schichten zu bilden. Die Dauer und Temperatur der Beschichtung hängt vom gewünschten Grad der Hydrophobie und der Art des verwendeten Siloxans ab. In einigen Ausführungsformen beträgt die Dauer des Infusionsschritts etwa 1 h, etwa 1,5 h, etwa 2 h, etwa 2,5 h, etwa 3 h, etwa 3,5 h, etwa 4 h, etwa 4,5 h, etwa 5 h, etwa 6 h, etwa 8 h, etwa 10 h, etwa 12 h oder etwa 24 h. In einigen Ausführungsformen beträgt die Temperatur des Infusionsschritts etwa 40°C, etwa 45°C, etwa 50°C, etwa 55°C, etwa 60°C, etwa 65°C, etwa 70°C, etwa 75°C, etwa 80°C, etwa 85°C, etwa 90°C, etwa 95°C oder etwa 100°C.
  • Die In-situ-Hydrophobierung verleiht dem gelierten Verbundstoff auf Wasserbasis eine hydrophobe Beschaffenheit, wodurch der Aerogel-Verbundstoff eine bessere Lagerfähigkeit erhält. Dies gilt insbesondere in einer Umgebung mit hoher Luftfeuchtigkeit. Die auf diese Weise durchgeführte hydrophobe Behandlung kann auch die wasserabweisenden Eigenschaften oder die Wasserbeständigkeit des Aerogels auf Wasserbasis weiter verbessern. Dementsprechend kann der Grad der Infusion durch Variation der Menge des verwendeten hydrophoben Materials gesteuert werden. Der Grad der Durchdringung kann mit Hilfe eines Wassersorptionstests oder durch Messung des Kontaktwinkels eines Wasser/Öl-Tropfens geprüft werden.
  • Bei dem hydrophoben Material kann es sich um ein beliebiges hydrophobes Material handeln, das mit Aerogelen auf Wasserbasis in Wechselwirkung tritt. Diese Wechselwirkung kann chemisch oder physikalisch sein. So können beispielsweise Silan- und Siloxan-Kopplungsmittel verwendet werden. Beispiele für Silan- und Siloxan-Haftvermittler sind u. a. Methyltrichlorsilan, Methyltrimethoxysilan, Methyltriethoxysilan, Trimethylsiloxytrichlorsilan, Dimethyltetramethoxydisiloxan, Dimethyldichlorsilan, Trimethylchlorsilan, Dimethyldimethoxysilan, Trimethylmethoxysilan, Dimethyldiethoxysilan, Trimethylethoxysilan, Trimethyl-n-propoxysilan, Methoxypropoxytrimethylsilan, Dimethyldiacetoxysilan, Acetoxytrimethylsilan, Bis(dimethylamino)dimethylsilan, Dimethylaminotrimethylsilan, Bis(diethylamino)dimethylsilan, Hexamethylcyclotrisilazan, Hexamethyldisilazan, Dichlortetramethyldisiloxan, Dichlorhexamethyltrisiloxan, Polydimethylsiloxan mit endständigen Chlorgruppen, Polydimethylsiloxan mit endständigen Methoxygruppen, Polydimethylsiloxan mit endständigen Ethoxygruppen, Polydimethylsiloxan mit endständigen Dimethylamingruppen, Polydimethylsiloxan mit endständigen Silanolgruppen, Dimethylethoxysilan, Ethyltriethoxysilan, Ethyltriacetoxysilan, Propyltrichlorsilan, Propyltrimethoxysilan, Propyltriethoxysilan, n-Butyltrichlorsilan, n-Butyltrimethoxysilan, Pentyltrichlorsilan, Pentyltriethoxysilan, Hexyltrichlorsilan, Hexyltrimethoxysilan, Hexyltriethoxysilan, Heptyltrichlorsilan, Octyltrichlorsilan, Octyltrimethoxysilan, Octyltriethoxysilan, Decyltrichlorsilan, Decyltriethoxysilan, Undecyltrichlorsilan, Dodecyltrichlorsilan, Dodecyltriethoxysilan, Tetradecyltrichlorsilan, Hexadecyltrichlorsilan, Hexadecyltrimethoxysilan, Hexadecyltriethoxysilan, Octadecyltrichlorsilan, Octadecyltrimethoxysilan, Octadecyltriethoxysilan, Eicosyltrichlorsilan, Docosyltrichlorsilan, Triacontyltrichlorsilan, Ethylmethyldichlorsilan, Ethyldimethylchlorsilan, Propylmethyldichlorsilan, Propyldimethylchlorsilan, Propylmethyldimethoxysilan, Propyldimethylmethoxysilan, Dipropyltetramethyldisilazan, Hexylmethyldichlorsilan, Heptylmethyldichlorsilan, Octylmethyldichlorsilan, Octyldimethylchlorsilan, Octyldimethylmethoxysilan, Octylmethyldiethoxysilan, Dioctyltetramethyldisilazan, Decylmethyldichlorsilan, Decyldimethylchlorsilan, Dodecylmethyldichlorsilan, Dodecyldimethylchlorsilan, Dodecylmethyldiethoxysilan, Octadecylmethyldichlorsilan, Octadecyldimethylchlorsilan, Octadecylmethyldimethoxysilan, Octadecyldimethylmethoxysilan, Octadecylmethyldiethoxysilan, Octadecyldimethyl(dimethylamino)silan, Docosylmethyldichlorsilan, Triacontyldimethylchlorsilan, Isobutyltrichlorsilan, Isobutyltrimethoxysilan, Isobutyltriethoxysilan, t-Butyltrichlorsilan, Cyclopentyltrichlorsilan, Cyclopentyltrimethoxysilan, Thexyltrichlorsilan, Cyclohexyltrichlorsilan, Cyclohexyltrimethoxysilan, Bicycloheptyltrichlorsilan, (Cyclohexylmethyl)trichlorsilan, Isooctyltrichlorsilan, Isooctyltrimethoxysilan, Cyclooctyltrichlorsilan, Adamantylethyltrichlorsilan, 7-(Trichlorsilylmethyl)pentadecan, (Di-n-octylmethylsilyl)ethyltrichlorsilan, Isopropylmethyldichlorsilan, Isopropyldimethylchlorsilan, Isobutyldimethylchlorsilan, Isobutylmethyldimethoxysilan, t-Butylmethyldichlorsilan, t-Butyldimethylchlorsilan, Cyclohexyldimethylchlorsilan, Isooctyldimethylchlorsilan, (Dimethylchlorsilyl)methylpinan, , Benzyltrichlorsilan, Benzyltriethoxysilan, 1-Phenyl-1-trichlorsilylbutan, Phenethyltrichlorsilan, Phenethyltrimethoxysilan, 4-Phenylbutyltrichlorsilan, Phenoxypropyltrichlorsilan, Phenoxyundecyltrichlorsilan, Phenylhexyltrichlorsilan, p-Tolyltrichlorsilan, p-Tolyltrimethoxysilan, Ethylphenethyltrimethoxysilan, p-(t-Butyl)phenethyltrichlorsilan, Phenylmethyldichlorsilan, Phenyldimethylchlorsilan, Phenylmethyldimethoxysilan, Phenylmethyldiethoxysilan, Phenyldimethylethoxysilan, Phenylmethylbis(dimethylamino)silan, Benzyldimethylchlorsilan, 1-Phenyl-1-methyldichlorosilylbutan, Phenethylmethyldichlorsilan, Phenethyldimethylchlorsilan, Phenethyldimethyl(dimethylamino)silan, (3-Phenylpropyl)methyldichlorsilan, (3-Phenylpropyl)dimethylchlorsilan, 4-Phenylbutylmethyldichlorsilan, 4-Phenylbutyldimethylchlorsilan, Phenoxypropylmethyldichlorsilan, Phenoxypropyldimethylchlorsilan, p-Tolylmethydichlorsilan, p-Tolyldimethylchlorsilan, m-Phenoxyphenyldimethylchlorsilan, p-Nonylphenoxypropyldimethylchlorsilan, Nonafluorohexyltrichlorsilan, Nonafluorohexyltrimethoxysilan, Nonafluorhexyltriethoxysilan, Diethyldichlorsilan, Diethyldiethoxysilan, Diisopropyldichlorsilan, Diisopropyldimethoxysilan, Di-n-butyldichlorsilan, Di-n-butyldimethoxysilan, Diisobutyldimethoxysilan, Diisobutyldiethoxysilan, Isobutylisopropyldimethoxysilan, Dicyclopentyldichlorsilan, Dicyclopentyldimethoxysilan, Di-n-hexyldichlorsilan, Dicyclohexyldichlorsilan, Di-n-octyldichlorsilan, Ethoxytrimethylsilan oder dergleichen.
  • In einigen Fällen ist das hydrophobe Material Methyltrimethoxysilan. In einigen Fällen handelt es sich bei dem hydrophoben Material um Propyltrimethoxysilan. In einigen Fällen handelt es sich bei dem hydrophoben Material um Tetraethoxysilan. In einigen Fällen handelt es sich bei dem hydrophoben Material um n-Octyltriethoxysilan. In einigen Ausführungsformen ist das hydrophobe Material Hexamethyldisilazan. In einigen Fällen handelt es sich bei dem hydrophoben Material um ein Gemisch von Silan-Kupplungsmitteln, z. B. n-Octyltriethoxysilan und Tetraethoxysilan.
  • In den meisten Fällen wird der hydrophobierte gelierte Verbundstoff vor dem Gefrieren in einer Form geformt. Die Form kann jede gewünschte Form oder Größe haben. Einzelne Formen können verwendet werden, um hydrophobe Aerogel-Verbundstoffe auf Wasserbasis als Platten zu gießen. Alternativ kann eine Form verwendet werden, um das hydrophobe Aerogel auf Wasserbasis zu gießen, das dann anschließend in die gewünschte Form und Größe geschnitten wird. Beispielsweise kann die Form in einer Dimension etwa 150 mm, etwa 200 mm, etwa 250 mm, etwa 300 mm, etwa 350 mm, etwa 400 mm, etwa 450 mm, etwa 500 mm, etwa 600 mm, etwa 700 mm, etwa 800 mm, etwa 900 mm, etwa 1000 mm, etwa 1200 mm, etwa 1400 mm, etwa 1600 mm, etwa 1800 mm, etwa 2000 mm, etwa 2500 mm, etwa 3000 mm, etwa 4000 mm, etwa 5000 mm, etwa 7500 mm oder etwa 10000 mm betragen. In einer Ausführungsform beträgt die Größe der Form etwa 800 mm mal 1200 mm.
  • In den meisten Ausführungsformen wird der hydrophobierte gelierte Verbundstoff in den Formen tiefgefroren (150). Die vorgegebene Temperatur kann etwa -120°C, etwa - 110°C, etwa -100°C, etwa -90°C, etwa -80°C, etwa -70°C, etwa -60°C, etwa -50°C und etwa -40°C betragen, um einen guten Gefrierzustand des gelierten Verbundstoffs zu gewährleisten. In einigen Fällen wird das Gefrieren in Tiefkühlkammern unter Verwendung von CO2 durchgeführt. In einigen Fällen wird das Gefrieren durch Schnellgefrieren unter Verwendung von LN2 erreicht. In einigen Fällen wird das Gefrieren in handelsüblichen Tiefkühltruhen bei extrem niedrigen Temperaturen durchgeführt.
  • In allen Ausführungsformen wird der gefrorene gelierte Verbundstoff einer mikrowellenunterstützten Gefriertrocknung (MAVFD) unterzogen, um Aerogel und/oder Aerogel-Verbundstoffe (160) zu erhalten. Mikrowellen sind elektromagnetische Wellen in einem Frequenzband von 300 MHz bis 300 GHz, eingebettet zwischen Radio- und IR- /sichtbaren Lichtfrequenzen. Mikrowellen gehören zu den nichtionisierenden Strahlen, die typischerweise in vielen Haushaltsanwendungen zu finden sind. Für industrielle, wissenschaftliche und medizinische Anwendungen (sogenannte ISM-Frequenzen) werden nur Frequenzen von 915 MHz und 2450 MHz verwendet.
  • Ein Schlüsselprinzip der MAVFD-Technologie sind die sehr geringen dielektrischen Verluste von gefrorenem Wasser bei Temperaturen unter -10°C. Daher wird die Energie hauptsächlich von den Molekülen des gelierten Verbundstoffs oder Aerogels absorbiert. Die dielektrischen Verluste von gefrorenem Wasser sind in der Anfangsphase der MAVFD vernachlässigbar oder transparent, wenn die Eindringtiefe beträchtlich ist und die Energie aufgrund der dielektrischen Verluste des Aerogels übertragen werden kann, was zu einer höheren Effizienz und einer schnelleren Trocknung der gelierten Verbundstoffe in Aerogel beiträgt. Dies ermöglicht eine rasche Dissipation der Energie in den gefrorenen gelierten Aerogelen. Der gesamte Prozess läuft unter einer Vakuumumgebung von 0,5 bis 2,5 mbar durch Sublimation ab. Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Gefriertrocknungssystem, bei dem die Wärme für die schichtweise Trocknung von außen zugeführt wird, erzeugt das MAVFD-System die Wärme im gelierten Verbundstoff oder Aerogel selbst, so dass die Sublimation im gesamten Produktvolumen stattfindet. Zusätzlich hebt MAVFD die Beschränkung der Wärmeübertragung auf, wenn gefrorenes Wasser innerhalb der Aerogelporen sublimiert wird, deren Volumen im Mikrometer- bis Nanometerbereich liegen kann. Die Eindringtiefe kann bis zu 20 bis 40 cm des Aerogelvolumens betragen, was einen klaren Vorteil gegenüber anderen Aerogelarten darstellt, bei denen die Dicke der Aerogelprodukte durch die Dicke begrenzt ist. Ein weiterer Vorteil ist, dass der endgültige Feuchtigkeitsgehalt bis zu 0,5% betragen kann, im Gegensatz zu konventionellen Gefriertrocknungsmethoden, bei denen der endgültige Feuchtigkeitsgehalt wahrscheinlich über 10% liegt und zusätzliche Nachbearbeitungen zur Reduzierung des endgültigen Feuchtigkeitsgehalts erforderlich sind. Im Gegensatz zur konventionellen Gefriertrocknung ist bei der mikrowellenunterstützten Vakuumgefriertrocknung kein zweiter Gefriertrocknungsschritt erforderlich. Dies hat den Vorteil, dass die Trocknungszeit auf 1/10 bzw. 1/20 der Trocknungszeit bei der konvektiven Gefriertrocknung reduziert wird. 2 zeigt eine schematische Ansicht einer mikrowellenunterstützten Vakuumgefriertrocknung (200).
  • Der vorgegebene Druck und die Temperatur der Kühlfalle werden daher sorgfältig gewählt, nicht nur um die Sublimation des Eises zu Gas zu ermöglichen, sondern auch um ein gutes Endprodukt mit guter Konsistenz zu gewährleisten.
  • In einigen Ausführungsformen ist die vorbestimmte Kühlfallentemperatur niedriger als etwa -5°C, etwa -10°C, etwa -15°C, etwa -20°C, etwa -25°C, etwa -30°C, etwa -35°C, etwa -40°C, etwa -45°C, etwa -50°C oder etwa -60°C.
  • In einigen Ausführungsformen liegt der vorbestimmte Druck in einem Bereich von etwa 20 Pa bis etwa 400 Pa.
  • In den meisten Ausführungsformen beträgt die Mikrowellenfrequenz 2450 MHz. In einigen Ausführungsformen beträgt die Mikrowellenfrequenz 915 MHz.
  • In den meisten Ausführungsformen erfolgt die mikrowellenunterstützte Vakuumgefriertrocknung im Pulsbetrieb. In einigen Ausführungsformen erfolgt die mikrowellenunterstützte Vakuumgefriertrocknung in einem kontinuierlichen Modus. In einigen Fällen erfolgt die mikrowellenunterstützte Vakuumgefriertrocknung in einem diskontinuierlichen Modus. In einigen Ausführungsformen erfolgt die mikrowellenunterstützte Vakuumgefriertrocknung durch eine Kombination der oben genannten Verfahren.
  • Die Energiezufuhr bei der mikrowellenunterstützten Vakuumgefriertrocknung hängt vom Gewicht der gefrorenen gelierten Verbundstoffe und der Menge des wässrigen Inhalts ab. In einigen Ausführungsformen beträgt die Eingangsenergie der mikrowellenunterstützten Vakuumgefriertrocknung etwa 2,0 kW pro 100 Gramm Gel, etwa 1,9 kW pro 100 Gramm Gel, etwa 1,8 kW pro 100 Gramm Gel, etwa 1,7 kW pro 100 Gramm Gel, etwa 1,6 kW pro 100 Gramm Gel, etwa 1,5 kW pro 100 Gramm Gel, etwa 1,4 kW pro 100 Gramm Gel, etwa 1,3 kW pro 100 Gramm Gel, etwa 1,2 kW pro 100 Gramm Gel, etwa 1,1 kW pro 100 Gramm Gel, etwa 1,0 kW pro 100 Gramm Gel, etwa 0,9 kW pro 100 Gramm Gel, etwa 0,8 kW pro 100 Gramm Gel, etwa 0,7 kW pro 100 Gramm Gel, etwa 0,6 kW pro 100 Gramm Gel, etwa 0,5 kW pro 100 Gramm Gel, etwa 0,4 kW pro 100 Gramm Gel, etwa 0,3 kW pro 100 Gramm Gel, etwa 0,2 kW pro 100 Gramm Gel, etwa 0,1 kW pro 100 Gramm, oder etwa 0,05 kW pro 100 Gramm.
  • In einigen Ausführungsformen beträgt die Dauer der mikrowellenunterstützten Vakuumgefriertrocknung etwa 1 Stunde, etwa 1,5 Stunden, etwa 2 Stunden, etwa 2,5 Stunden, etwa 3 Stunden, etwa 3,5 Stunden, etwa 4 Stunden, etwa 4,5 Stunden, etwa 5 Stunden, etwa 6 Stunden, etwa 8 Stunden, etwa 10 Stunden, etwa 12 Stunden, etwa 14 Stunden, etwa 16 Stunden, etwa 18 Stunden, etwa 20 Stunden, etwa 22 Stunden oder etwa 24 Stunden.
  • Es hat sich auch gezeigt, dass ein Aushärtungsschritt (170) vorteilhaft sicherstellen kann, dass das hydrophobe Aerogel auf Wasserbasis im Wesentlichen oder vollständig dehydriert wird. Dadurch wird sichergestellt, dass die Festigkeit und Stabilität des Endprodukts nicht beeinträchtigt wird. Darüber hinaus sorgt der Aushärtungsschritt auch dafür, dass das Vernetzungsmittel im Wesentlichen oder vollständig mit den Elementen reagiert.
  • Die Temperatur und die Dauer der Aushärtung hängen von der Art und der Menge des verwendeten Vernetzungsmittels sowie von der Größe und Dicke des Silica-Aerogel-Verbunds ab. In einigen Ausführungsformen beträgt die Aushärtungstemperatur ca. 40°C, ca. 45°C, ca. 50°C, ca. 55°C, ca. 60°C, ca. 65°C, ca. 70°C, ca. 75°C, ca. 80°C, ca. 85°C, ca. 90°C, ca. 95°C, oder ca. 100°C, ca. 110°C, ca. 120°C, ca. 130°C, ca. 140°C oder ca. 150°C. In einigen Ausführungsformen beträgt die Dauer der Aushärtung etwa 1 Stunde, etwa 1,5 Stunden, etwa 2 Stunden, etwa 2,5 Stunden, etwa 3 Stunden, etwa 3,5 Stunden, etwa 4 Stunden, etwa 4,5 Stunden, etwa 5 Stunden, etwa 6 Stunden, etwa 8 Stunden, etwa 10 Stunden, etwa 12 Stunden oder etwa 24 Stunden.
  • Alternativ kann die Beschichtung auch eine Beschichtung sein, die durch physikalische Wechselwirkungen an der Oberfläche des Aerogel-Verbundstoffs haftet. Beispielsweise kann die Beschichtung mit Lack, Firnis, Öl, Wachs oder ähnlichem auf die Oberfläche des Aerogel-Verbundstoffs gesprüht oder gestrichen werden. Solche Beschichtungsmethoden sind in der Technik bekannt und daher nicht auf die vorliegende Offenbarung beschränkt.
  • Nachdem die mikrowellenunterstützte Vakuumgefriertrocknung abgeschlossen und das gesamte Eis sublimiert ist, haben die Erfinder festgestellt, dass die gebundene Feuchtigkeit im hydrophoben Aerogel und Aerogel-Verbundstoff auf Wasserbasis immer noch geringer ist als bei der herkömmlichen Gefriertrocknungsmethode. Es wurde festgestellt, dass der Restfeuchtigkeitsgehalt bis zu 0,5% betragen kann. Normalerweise liegt der Feuchtigkeitsgehalt zwischen 0,5% und 5,0%. 3 zeigt den Feuchtigkeitsgehalt eines typischen Trocknungsprofils als Funktion der Zeit (300).
  • Die Menge des Bindemittels auf Wasserbasis kann in einem Bereich von etwa 2 Gew.-% bis etwa 40 Gew.-% des Endgewichts des Verbundstoffs zugesetzt werden. Zum Beispiel kann die Menge des wasserbasierten Bindemittels in einem Bereich von etwa 2 Gew.-% bis etwa 35 Gew.-%, etwa 5 Gew.-% bis etwa 30 Gew.-% oder etwa 10 Gew.-% bis etwa 20 Gew.-% liegen.
  • Die Menge des Tensids kann in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 2 Gew.-% des Endgewichts des Verbundstoffs zugesetzt werden. Zum Beispiel kann die Menge des Tensids in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 1,9 Gew.-%, etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 1,8 Gew.-%, etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 1,7 Gew.-%, etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 1,6 Gew.-%, etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 1,5 Gew.-%, etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 1,4 Gew.-%, etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 1,3 Gew.-%, etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 1,2 Gew.-%, etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 1,1 Gew.-%, oder etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 1,0 Gew.-%.
  • Die Menge der silylmodifizierten Vorläufer kann in einem Bereich von etwa 10 Gew.-% bis etwa 90 Gew.-% des Endgewichts des Verbundstoffs zugesetzt werden. Beispielsweise kann die Menge an silylmodifizierten Vorstufen in einem Bereich von etwa 15 Gew.-% bis etwa 90 Gew.-%, etwa 20 Gew.-% bis etwa 90 Gew.-%, etwa 25 Gew.-% bis etwa 90 Gew.-%, etwa 30 Gew.-% bis etwa 80 Gew.-%, etwa 40 Gew.-% bis etwa 80 Gew.-%, etwa 50 Gew.-% bis etwa 80 Gew.-%, etwa 60 Gew.-% bis etwa 80 Gew.-%, etwa 70 Gew.-% bis etwa 80 Gew.-% oder etwa 70 Gew.-% bis etwa 90 Gew.- % liegen.
  • Die Menge des Vernetzungsmittels kann in einem Bereich von etwa 0,5 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% des Endgewichts des Verbundstoffs zugesetzt werden. Zum Beispiel kann die Menge des Vernetzungsmittels in einem Bereich von etwa 0,5 Gew.-% bis etwa 9 Gew.-%, 0,5 Gew.-% bis etwa 8 Gew.-%, 0,5 Gew.-% bis etwa 7 Gew.-%, 0,5 Gew.-% bis etwa 6 Gew.-%, 0,5 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-%, 1 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-%, 1,5 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-%, 2 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-%, 2,5 Gew.-% bis etwa 5 Gew.- %, 3 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-%, oder 3,5 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-%. Die Menge des Vernetzungsmittels kann mit etwa 0,5 Gew.-%, etwa 1,0 Gew.-%, etwa 1,5 Gew.-%, etwa 1,8 Gew.-%, etwa 2,0 Gew.-%, etwa 2,5 Gew.-%, etwa 3,0 Gew.-%, etwa 3,5 Gew.-%, etwa 4,0 Gew.-%, etwa 4,5 Gew.-% oder etwa 5,0 Gew.-% zugesetzt werden.
  • Die Menge der Flammschutzmittel kann in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% des Endgewichts des Verbundstoffs zugesetzt werden. Zum Beispiel können die Flammschutzmittel in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-%, 0,5 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-%, 1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-%, 1,5 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-%, 2 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-%, 2,5 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-%, 3 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-%, 3,5 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-%, 4 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-%, 5 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-%, 6 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-%, 6 Gew.-% bis etwa 9,5 Gew.-% oder 6 Gew.-% bis etwa 9 Gew.-%.
  • Die Menge des anorganischen Füllstoffs kann in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% des Endgewichts des Verbundstoffs zugesetzt werden. Zum Beispiel kann der anorganische Füllstoff in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-%, 0,5 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-%, 1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-%, 1,5 Gew.- % bis etwa 10 Gew.-%, 2 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-%, 2,5 Gew.-% bis etwa 10 Gew.- %, 3 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-%, 3,5 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-%, 4 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-%, 5 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-%, 6 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-%, 6 Gew.-% bis etwa 9,5 Gew.-%, oder 6 Gew.-% bis etwa 9 Gew.-%.
  • Die Menge des Verstärkungsmittels kann in einem Bereich von etwa 10 Gew.-% bis etwa 70 Gew.-% des Endgewichts des Verbundstoffs zugesetzt werden. Zum Beispiel kann das Verstärkungsmittel in einem Bereich von etwa 10 Gew.-% bis etwa 60 Gew.- %, etwa 10 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-%, etwa 10 Gew.-% bis etwa 40 Gew.-%, etwa 10 Gew.-% bis etwa 30 Gew.-%, etwa 20 Gew.-% bis etwa 60 Gew.-%, etwa 20 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-% oder etwa 20 Gew.-% bis etwa 40 Gew.-% liegen.
  • Die Menge der Lösungsmittelkomponente in der wässrigen Mischung kann in einem Bereich von etwa 100 Gew.-% bis etwa 700 Gew.-% des endgültigen Verbundgewichts liegen. Beispielsweise kann die Lösungsmittelkomponente in einem Bereich von etwa 100 Gew.-% bis etwa 650 Gew.-%, etwa 100 Gew.-% bis etwa 600 Gew.-%, etwa 100 Gew.-% bis etwa 550 Gew.-%, etwa 150 Gew.-% bis etwa 550 Gew.-%, etwa 200 Gew.- % bis etwa 200 Gew.-% bis etwa 550 Gew.-%, etwa 200 Gew.-% bis etwa 500 Gew.-%, etwa 200 Gew.-% bis etwa 450 Gew.-%, etwa 200 Gew.-% bis etwa 400 Gew.-%, etwa 200 Gew.-% bis etwa 350 Gew.-%, oder etwa 200 Gew.-% bis etwa 300 Gew.-%.
  • In einem weiteren Aspekt offenbart die vorliegende Erfindung ein hydrophobes Silica-Aerogel auf Wasserbasis, das nach einem hier beschriebenen Verfahren hergestellt wird. Das Verfahren umfasst zunächst die Bereitstellung einer wässrigen Mischung, die ein wasserbasiertes Bindemittel, Füllstoffe, ein Flammschutzmittel und ein Tensid enthält. Ein silylmodifizierter Vorläufer, der ein Kieselsäuresystem umfasst, wird dem wässrigen Gemisch zugesetzt, um eine Emulsion zu bilden, woraufhin ein wasserlösliches Vernetzungsmittel zugesetzt wird, um einen gelierten Verbundstoff zu erzeugen, und ein hydrophobes Mittel auf Wasserbasis wird dem gelierten Verbundstoff unter Vakuumhomogenisierungs- und Mischbedingungen in situ zugesetzt. Der hydrophobierte gelierte Verbundstoff wird gefroren und der gefrorene gelierte Verbundstoff wird mikrowellenunterstützt vakuumgefriergetrocknet bei einem vorbestimmten Druck und einer vorbestimmten Temperatur durch Induzierung einer schnellen Massenerwärmung durch den gesamten gelierten Verbundstoff in Gegenwart eines Vakuums, das für die Sublimation von Eis zur Bildung eines Aerogels ausreicht, und dann gehärtet, um die hydrophoben Silica-Aerogele und Silica-Aerogel-Verbundstoffe zu bilden.
  • Vorteilhafterweise kann das hydrophobe Silica-Aerogel auf Wasserbasis zumindest in einem großen Maßstab von ca. 800 mm x 1200 mm mit einer Dicke von ca. 5 mm bis ca. 100 mm und mit guter Homogenität und Konsistenz, d.h. homogener Verteilung aller Komponenten über den gesamten Querschnitt, hergestellt werden. Vorteilhafterweise kann das hydrophobe Aerogel auf Wasserbasis in einem großtechnischen, kontinuierlichen Verfahren mit einer Breite von 500 mm bis 1000 mm und einer Dicke von etwa 5 mm bis etwa 100 mm und mit guter Homogenität und Konsistenz hergestellt werden.
  • Das hydrophobe Silica-Aerogel auf Wasserbasis kann außerdem ein Verfestigungsmittel enthalten. Das Verfestigungsmittel kann der wässrigen Mischung mit dem Bindemittel auf Wasserbasis und dem Tensid zugesetzt werden. Dieses wässrige Gemisch wird gemischt und in ähnlicher Weise wie oben beschrieben verarbeitet, um das hydrophobe Silica-Aerogel auf Wasserbasis zu erhalten.
  • Das hydrophobe Silica-Aerogel auf Wasserbasis kann eine Wärmeleitfähigkeit in einem Bereich von etwa 0,010 W/mK bis etwa 0,038 W/mK aufweisen. Zum Beispiel kann das hydrophobe Silica-Aerogel auf Wasserbasis eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 0,010 W/mK bis etwa 0,038 W/mK, etwa 0,010 W/mK bis etwa 0,035 W/mK, etwa 0,010 W/mK bis etwa 0,030 W/mK, etwa 0,010 W/mK bis etwa 0,024 W/mK, etwa 0,010 W/mK bis etwa 0,022 W/mK, etwa 0,010 W/mK bis etwa 0,020 W/mK, etwa 0,012 W/mK bis etwa 0,026 W/mK, etwa 0,014 W/mK bis etwa 0,026 W/mK, etwa 0,016 W/mK bis etwa 0,026 W/mK, etwa 0,018 W/mK bis etwa 0,026 W/mK, etwa 0,018 W/mK bis etwa 0,024 W/mK, oder etwa 0,019 W/mK bis etwa 0,023 W/mK.
  • Das hydrophobe Silica-Aerogel auf Wasserbasis kann eine Dichte im Bereich von etwa 0,04 g/cm3 bis etwa 0,17 g/cm3 aufweisen. Zum Beispiel kann das hydrophobe Silica-Aerogel auf Wasserbasis eine Dichte von etwa 0,04 g/cm3 bis etwa 0,16 g/cm3, etwa 0,05 g/cm3 bis etwa 0,15 g/cm3, etwa 0,06 g/cm3 bis etwa 0,145 g/cm3, etwa 0,07 g/cm3 bis etwa 0,14 g/cm3, etwa 0,07 g/cm3 bis etwa 0,135 g/cm3, etwa 0,07 g/cm3 bis etwa 0,13 g/cm3, etwa 0,07 g/cm3 bis etwa 0,125 g/cm3, etwa 0,07 g/cm3 bis etwa 0,12 g/cm3, etwa 0,07 g/cm3 bis etwa 0,115 g/cm3, oder etwa 0,075 g/cm3 bis etwa 0,12 g/cm3.
  • Das hydrophobe Silica-Aerogel auf Wasserbasis kann einen Druckmodul im Bereich von etwa 0,5 MPa bis etwa 40 MPa aufweisen. Zum Beispiel kann das hydrophobe Silica-Aerogel auf Wasserbasis einen Druckmodul im Bereich von etwa 1 MPa bis etwa 40 MPa, etwa 3 MPa bis etwa 40 MPa, etwa 5 MPa bis etwa 35 MPa, etwa 10 MPa bis etwa 30 MPa oder etwa 15 MPa bis etwa 25 MPa aufweisen.
  • Das hydrophobe Silica-Aerogel auf Wasserbasis kann eine Druckfestigkeit in einem Bereich von etwa 0,1 MPa bis etwa 4,5 MPa aufweisen. Zum Beispiel kann das hydrophobe Silica-Aerogel auf Wasserbasis eine Druckfestigkeit von mindestens etwa 0,1 MPa, etwa 0,2 MPa, etwa 0,6 MPa, etwa 1,5 MPa, etwa 2,0 MPa, etwa 3,0 MPa, etwa 3,5 MPa, etwa 3,8 MPa, etwa 4,0 MPa oder etwa 4,5 MPa aufweisen.
  • Das hydrophobe Silica-Aerogel auf Wasserbasis kann eine spezifische Oberfläche im Bereich von etwa 5 m2/g bis etwa 300 m2/g aufweisen. Zum Beispiel kann das hydrophobe Aerogel auf Wasserbasis eine spezifische Oberfläche im Bereich von etwa 5 m2/g bis etwa 300 m2/g, etwa 10 m2/g bis etwa 300 m2/g, etwa 15 m2/g bis etwa 300 m2/g, etwa 20 m2/g bis etwa 300 m2/g, etwa 25 m2/g bis etwa 300 m2/g, ca. 30 m2/g bis ca. 300 m2/g, ca. 35 m2/g bis ca. 300 m2/g, ca. 40 m2/g bis ca. 300 m2/g, ca. 45 m2/g bis ca. 250 m2/g, ca. 50 m2/g bis ca. 200 m2/g, ca. 55 m2/g bis ca. 150 m2/g, ca. 60 m2/g bis ca. 100 m2/g, oder ca. 65 m2/g bis ca. 70 m2/g.
  • Das hydrophobe Silica-Aerogel auf Wasserbasis kann eine Feuerbeständigkeitstemperatur im Bereich von etwa 250°C bis etwa 600°C aufweisen.
  • Das hydrophobe Silica-Aerogel auf Wasserbasis kann eine Porosität im Bereich von etwa 20% bis etwa 98% aufweisen.
  • Das hydrophobe Aerogel auf Wasserbasis kann einen Kontaktwinkel im Bereich von etwa 90° bis etwa 170° aufweisen.
  • In einem weiteren Aspekt offenbart die vorliegende Erfindung ein hydrophobes Zellulose-Aerogel auf Wasserbasis, das nach einem hier beschriebenen Verfahren hergestellt wird. Das Verfahren umfasst zunächst die Bereitstellung einer wässrigen Mischung, die ein wasserbasiertes Bindemittel, Füllstoffe, ein Flammschutzmittel und ein Tensid enthält. Ein silylmodifizierter Vorläufer, der ein Zellulosesystem umfasst, wird dem wässrigen Gemisch zugesetzt, um eine Emulsion zu bilden, woraufhin ein wasserlösliches Vernetzungsmittel zugesetzt wird, um einen gelierten Verbundstoff herzustellen, und dem gelierten Verbundstoff wird unter Vakuumhomogenisierungs- und Mischbedingungen ein in-situ-Hydrophobierungsmittel auf Wasserbasis zugesetzt. Der hydrophobierte gelierte Verbundstoff wird gefroren und der gefrorene gelierte Verbundstoff wird mikrowellenunterstützt vakuumgefriergetrocknet bei einem vorbestimmten Druck und einer vorbestimmten Temperatur durch Induzierung einer schnellen Massenerwärmung durch den gesamten betroffenen gelierten Verbundstoff in Gegenwart eines Vakuums, das für die Sublimation von Eis zur Bildung eines Aerogels ausreicht, und dann gehärtet, um die hydrophoben Zellulose-Aerogele und Zellulose-Aerogel-Verbundstoffe zu bilden.
  • Vorteilhafterweise kann das hydrophobe Zellulose-Aerogel auf Wasserbasis zumindest in einem großen Maßstab von ca. 800 mm x 1200 mm mit einer Dicke von ca. 5 mm bis ca. 100 mm und mit guter Homogenität und Konsistenz, d.h. homogener Verteilung aller Komponenten über den gesamten Querschnitt, hergestellt werden. Vorteilhafterweise kann das hydrophobe Aerogel auf Wasserbasis in einem großtechnischen, kontinuierlichen Verfahren mit einer Breite von 500 mm bis 1000 mm und einer Dicke von etwa 5 mm bis etwa 100 mm und mit guter Homogenität und Konsistenz hergestellt werden.
  • Das hydrophobe Zellulose-Aerogel auf Wasserbasis kann außerdem ein Verfestigungsmittel enthalten. Das Verfestigungsmittel kann der wässrigen Mischung mit dem Bindemittel auf Wasserbasis und dem Tensid zugesetzt werden. Diese wässrige Lösung wird gemischt und in ähnlicher Weise wie oben beschrieben verarbeitet, um das hydrophobe Zellulose-Aerogel auf Wasserbasis zu erhalten. Der Grad der Hydrophobie kann durch Variation der Menge und des Typs des hydrophoben Materials (z. B. Silan-Kopplungsmaterial) wie hier erwähnt variiert werden.
  • Das hydrophobe Zellulose-Aerogel auf Wasserbasis kann eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich von etwa 0,010 W/mK bis etwa 0,038 W/mK aufweisen. Zum Beispiel kann das hydrophobe Zellulose-Aerogel auf Wasserbasis eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 0,010 W/mK bis etwa 0,038 W/mK, etwa 0,010 W/mK bis etwa 0,035 W/mK, etwa 0,010 W/mK bis etwa 0,030 W/mK, etwa 0,010 W/mK bis etwa 0,024 W/mK, etwa 0,010 W/mK bis etwa 0,022 W/mK, etwa 0,010 W/mK bis etwa 0,020 W/mK, etwa 0,012 W/mK bis etwa 0,026 W/mK, etwa 0,014 W/mK bis etwa 0,026 W/mK, etwa 0,016 W/mK bis etwa 0,026 W/mK, etwa 0,018 W/mK bis etwa 0,026 W/mK, etwa 0,018 W/mK bis etwa 0,024 W/mK, etwa 0,019 W/mK bis etwa 0,023 W/mK oder etwa 0,020 W/mK bis etwa 0,022 W/mK.
  • Das hydrophobe Zellulose-Aerogel auf Wasserbasis kann eine Dichte in einem Bereich von etwa 0,04 g/cm3 bis etwa 0,15 g/cm3 aufweisen. Zum Beispiel kann das hydrophobe Aerogel auf Wasserbasis eine Dichte von etwa 0,040 g/cm3 bis etwa 0,15 g/cm3, etwa 0,050 g/cm3 bis etwa 0,15 g/cm3, etwa 0,06 g/cm3 bis etwa 0,145 g/cm3, etwa 0,07 g/cm3 bis etwa 0,14 g/cm3, etwa 0,07 g/cm3 bis etwa 0,135 g/cm3, etwa 0,07 g/cm3 bis etwa 0,13 g/cm3, etwa 0,07 g/cm3 bis etwa 0,125 g/cm3, etwa 0,07 g/cm3 bis etwa 0,12 g/cm3, etwa 0,07 g/cm3 bis etwa 0,115 g/cm3, etwa 0,075 g/cm3 bis etwa 0,12 g/cm3, oder etwa 0,08 g/cm3 bis etwa 0,12 g/cm3.
  • Das hydrophobe Zellulose-Aerogel auf Wasserbasis kann einen Druckmodul im Bereich von etwa 0,1 MPa bis etwa 40 MPa aufweisen. Zum Beispiel kann das hydrophobe Zellulose-Aerogel auf Wasserbasis einen Druckmodul im Bereich von etwa 0,2 MPa bis etwa 40 MPa, etwa 0,5 MPa bis etwa 40 MPa, etwa 1 MPa bis etwa 35 MPa, etwa 5 MPa bis etwa 30 MPa oder etwa 10 MPa bis etwa 25 MPa aufweisen.
  • Das hydrophobe Zellulose-Aerogel auf Wasserbasis kann eine Druckfestigkeit in einem Bereich von etwa 0,05 MPa bis etwa 4,5 MPa aufweisen. Zum Beispiel kann das hydrophobe Zellulose-Aerogel auf Wasserbasis eine Druckfestigkeit von mindestens etwa 0,1 MPa, etwa 0,2 MPa, etwa 0,5 MPa, etwa 1,0 MPa, etwa 1,5 MPa, etwa 2,0 MPa, etwa 3,0 MPa, etwa 3,8 MPa, etwa 4,0 MPa oder etwa 4,5 MPa aufweisen.
  • Das hydrophobe Zellulose-Aerogel auf Wasserbasis kann eine spezifische Oberfläche in einem Bereich von etwa 5 m2/g bis etwa 300 m2/g aufweisen. Zum Beispiel kann das hydrophobe Zellulose-Aerogel auf Wasserbasis eine spezifische Oberfläche im Bereich von etwa 5 m2/g bis etwa 300 m2/g, etwa 10 m2/g bis etwa 300 m2/g, etwa 15 m2/g bis etwa 300 m2/g, etwa 20 m2/g bis etwa 300 m2/g, etwa 25 m2/g bis etwa 300 m2/g, etwa ca. 30 m2/g bis ca. 300 m2/g, ca. 35 m2/g bis ca. 300 m2/g, ca. 40 m2/g bis ca. 300 m2/g, ca. 45 m2/g bis ca. 250 m2/g, ca. 50 m2/g bis ca. 200 m2/g, ca. 55 m2/g bis ca. 150 m2/g, ca. 60 m2/g bis ca. 100 m2/g, oder ca. 65 m2/g bis ca. 70 m2/g.
  • Das hydrophobe Zellulose-Aerogel auf Wasserbasis kann eine Flammbeständigkeitstemperatur im Bereich von etwa 250°C bis etwa 600°C aufweisen.
  • Das hydrophobe Zellulose-Aerogel auf Wasserbasis kann eine Porosität im Bereich von etwa 20% bis etwa 98% aufweisen.
  • Das hydrophobe Zellulose-Aerogel auf Wasserbasis kann einen Wasserkontaktwinkel von etwa 90° bis etwa 170° aufweisen.
  • Dementsprechend offenbart die vorliegende Erfindung ein hydrophobes Silica-Zellulose-Aerogel auf Wasserbasis, das ein Zellulosematerial, ein silylmodifiziertes Silicasystem, ein Tensid, ein Bindemittel auf Wasserbasis, hydrophobe Mittel und ein Vernetzungsmittel umfasst. Das hydrophobe Siliciumdioxid-Zellulose-Aerogel auf Wasserbasis weist eine homogene Verteilung aller Komponenten über seinen gesamten Querschnitt auf. Darüber hinaus kann das hydrophobe Siliciumdioxid-Zellulose-Aerogel auf Wasserbasis in großen Abmessungen hergestellt werden, z. B. mindestens 800 mm x 1200 mm. Der hydrophobe Siliciumdioxid-Zellulose-Aerogel-Verbundstoff auf Wasserbasis hat mindestens die folgenden Eigenschaften: eine Dichte im Bereich von etwa 0,07 g/cm3 bis etwa 0,13 g/cm3, eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich von etwa 0,010 W/mK bis etwa 0,030 W/mK, eine Druckfestigkeit von 0,2 MPa, eine Oberfläche von 45,5 m2/g, eine Flammbeständigkeit von 350°C, einen Wasserkontaktwinkel von 130° und eine Porosität von 95%.
  • Das in dem hydrophoben Aerogel auf Wasserbasis verwendete Tensid kann Natriumdodecylsulfat sein. Das Bindemittel auf Wasserbasis kann Gelatine, Polyvinylalkohol, Acryl, Polyurethan oder Copolymere der oben genannten Stoffe sein und das Vernetzungsmittel kann Glutaraldehyd oder Boratsalze sein.
  • Das hydrophobe Silica-Zellulose-Aerogel auf Wasserbasis kann außerdem einen anorganischen Füllstoff und ein Verstärkungsmittel enthalten. Der anorganische Füllstoff kann aus einer Gruppe ausgewählt werden, die Folgendes umfasst: amorphes Siliziumdioxid, Zirkondioxid, Eisen(lll)-oxid, Titanoxid, Bariumsulfat, pyrogenes Siliziumdioxid und Borate verschiedener Arten, z. B. Zink oder eine Kombination davon. Das Verstärkungsmittel kann aus einer Gruppe ausgewählt werden, die aus pyrogener Kieselsäure, Mineralfasern, Kalziumsilicat oder einer Kombination davon besteht.
  • Dementsprechend offenbart die vorliegende Erfindung ein hydrophobes Silica-Polymer-Aerogel auf Wasserbasis, das ein polymeres Material, ein silylmodifiziertes SilicaSystem, ein Tensid, ein Bindemittel auf Wasserbasis, hydrophobe Mittel und ein Vernetzungsmittel umfasst. Das hydrophobe Silica-Zellulose-Aerogel auf Wasserbasis weist eine homogene Verteilung aller Komponenten über seinen gesamten Querschnitt auf. Darüber hinaus kann das hydrophobe Silica-Polymer-Aerogel auf Wasserbasis in großen Abmessungen hergestellt werden, z. B. mindestens 800 mm x 1200 mm. Der hydrophobe Silica-Polymer-Aerogel-Verbundstoff auf Wasserbasis hat mindestens die folgenden Eigenschaften: eine Dichte im Bereich von etwa 0,07 g/cm3 bis etwa 0,20 g/cm3, eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich von etwa 0,018 W/mK bis etwa 0,035 W/mK, eine Druckfestigkeit von 0,2 MPa, eine Oberfläche von 45,5 m2/g, eine Feuerbeständigkeit von 350°C, einen Wasserkontaktwinkel von 130° und eine Porosität von 95%.
  • EXPERIMENTELLE DATEN
  • Kommerziell beschafftes hydrophobes Silica-Aerogel-Pulver oder -Granulat oder - Partikel können als Silica-Vorstufen verwendet werden, um diese Verbundstoffe im Rahmen der vorliegenden Erfindung zu entwickeln. Vor der Modifikation sind die in den hier beschriebenen Beispielen verwendeten hydrophoben Silica-Aerogel-Pulver weiß, undurchsichtig, mit einer Schüttdichte von 0,08-0,10 g/cm3, einer Porosität von >90%, einem Porendurchmesser von -20 nm und einer Oberfläche von 600-1500m2/g.
  • Zusätzlich können handelsübliche organische Polymere auf Wasserbasis als Polymervorläufer für die Entwicklung der Aerogele verwendet werden. Die Polymere werden aus Emulsionen oder Dispersionen ausgewählt, die aus Poly(meth)acrylsäure, Poly(meth)acrylester, Poly(meth)acrylamid, Polyurethan, Vinylchlorid, Styrol-Acryl-Copolymeren, Silicon-Acryl-Copolymeren, biologisch abbaubaren Acryl-Copolymeren oder einer Kombination davon bestehen.
  • Darüber hinaus kann kommerziell beschaffte mikrofilbirierte Zellulose als Zellulosevorläufer für die Entwicklung des Aerogels verwendet werden. Die Mikrozellulose wird aus recycelten Abfällen verarbeitet und aufbereitet. Die Nenngröße der Mikrozellulose beträgt 5-7 µm im Durchmesser, die Oberfläche 100 m2/g und die Dichte 1,0 g/cm3.
  • Hydrophile pyrogene Kieselsäure wird im Handel als zusätzlicher Füllstoff beschafft. Die pyrogene Kieselsäure hat einen Porendurchmesser von 2,5 nm, eine Partikelgröße von 12 µm und ein Porenvolumen von 0,44 mL/g. Hochfeste Gelatine aus Rinderhaut (Bloomstärke 260; Dichte -1,043 g/cm3) kann in einigen der Ausführungsformen verwendet werden. PVA mit 80 bis 86% Hydrolyse in Wasser kann in einigen Ausführungsformen als Zusatzbindemittel verwendet werden. In einigen Ausführungsformen können Silikonbindemittel auf Wasserbasis verwendet werden. Das verwendete Tensid ist Natriumdodecylsulfat. Mineralfasern, Basaltfasern und Kieselsäurefasern können als verstärkendes und feuerfestes Material verwendet werden. Titanoxid kann als anorganischer Füllstoff und Trübungsmittel verwendet werden. Siliziumkarbid mit einer Partikelgröße von 2 bis 36 Mikrometern und Graphit mit einer Größe von 200 bis 1000 Nanometern können ebenfalls als Trübungsmittel für Anwendungen bei höheren Temperaturen verwendet werden. Zinkborat und Borsäure können in einigen Ausführungsformen als feuerhemmende Materialien verwendet werden. Wasser kann als Hauptlösungsmittel verwendet werden. Ethanol wird in einigen Ausführungsformen als ergänzendes Lösungsmittel verwendet. 1,4-Dioxan wird in bestimmten Ausführungsformen auch als Hydrolyse- und Kondensationsreaktionsmedium verwendet. Aluminiumfluorid kann in einigen Ausführungsformen als Katalysator verwendet werden, um die Reaktion zu beschleunigen. Auch Säuren und Basen können in einigen Ausführungsformen sparsam als Katalysatoren verwendet werden.
  • In 4 ist eine erste Ausführungsform eines Verfahrens 400 zur Herstellung eines Silica-Aerogel-Verbundstoffs dargestellt. Eine wässrige Mischung mit 7 bis 8 Gew.-% Bindemittel in Wasser wird bei 50°C durch 30-minütiges Mischen hergestellt, um das Bindemittelgranulat im Mischtopf 1 aufzulösen. Die Leistung kann zwischen 30 und 50% eingestellt werden. Danach werden verschiedene Mengen an Verstärkern, Füllstoffen und Flammschutzmitteln in Topf 1 zugegeben und 30 Minuten lang weiter gemischt (410). In Topf 2 werden 50 bis 60 Gew.-% Aerogel-Partikel, Tenside und Ethanol in Wasser in die Mischung gegeben und 60 Minuten lang gemischt (415). Das Verhältnis von Ethanol zu Wasser beträgt etwa 1:10 bis 1:20.
  • Das Gemisch in den Töpfen 1 und 2 wird dann in einen Vakuum-Misch- und Homogenisator überführt. Unter hoher Scherhomogenisierung bei 2600 Umdrehungen pro Minute und Mischen bei 60 Umdrehungen pro Minute unter Vakuumbedingungen werden beide gemischt, um eine zweite Mischung als Emulsion (420) zu bilden. Die Zugabe von Vernetzungsmitteln auf Wasserbasis (430) und Hydrophobierungsmitteln (440) erfolgt in 20-Minuten-Intervallen. Die Gesamtzeit beträgt 100 Minuten. Der hydrophobierte, gelierte Verbundstoff wird auf eine mit Kieselgurgewebe ausgelegte Schale (445) übertragen (450). Der hydrophobierte gelierte Verbundstoff wird gleichmäßig auf dem Tablett verteilt und gleichmäßig eingeebnet (455). Danach wird eine weitere Lage Silica-Fasergewebe auf die Oberfläche gelegt.
  • Der mit Silica hydrophobierte gelierte Verbundstoff wird 1 Stunde lang bei Raumtemperatur setzen gelassen. Der hydrophobierte, gelierte Siliziumdioxid-Verbundstoff wird 3 Stunden lang bei -80°C vorgefroren (460). Nach dem Einfrieren wird die gefrorene Probe in einen mikrowellenunterstützten Vakuumgefriertrockner (MAVFD) gegeben. Die vollständig gefrorene Probe wird dann bei einer vorgegebenen Kühlfallentemperatur von -50°C unter Vakuum für 6 bis 10 Stunden sublimiert, bis der Feuchtigkeitsgehalt unter 5% liegt (465). Der erste, vorher festgelegte Druck wird während des gesamten Sublimationsprozesses auf unter 200 Pascal gehalten. Die vollständige Trocknung ist erreicht, wenn der Kammerdruck auf unter 50 Pascal fällt und der Feuchtigkeitsgehalt auf unter 5% sinkt. An der Probe können Gewichtssensoren angebracht werden, um den Feuchtigkeitsverlust in Echtzeit zu überwachen und zu verfolgen. Eine IR-Wärmebildkamera kann installiert werden, um Bilder der Temperaturverteilung aufzunehmen. Die Probe wird zu diesem Zeitpunkt zu einem hydrophoben Silica-Aerogel-Verbundstoff auf Wasserbasis (470). Nach der Entnahme der Probe härtet man sie 2 bis 6 Stunden lang bei 60 bis 110 °C aus, um die volle Hydrophobie des Aerogels zu erreichen (475). Eine vollständig ausgehärtete Probe hat ungefähr die gleiche Masse aller Rohstoffe in der Zusammensetzung. Anschließend wird die Probe beschnitten und abgeschliffen (480). Ein Beispiel für eine vollständig ausgehärtete Probe ist in 11B dargestellt, die auch die hydrophoben Eigenschaften in Bezug auf den Flüssigkeitstropfen auf der Probe zeigt.
  • In den folgenden Beispielen wurden die Inhaltsstoffe in Übereinstimmung mit den oben beschriebenen Verfahren in der für eine 600 x 600 x 27 mm große Platte angegebenen Menge im Verhältnis zu den Aerogel-Partikel-Beladungen verwendet. Das Aerogel-Beladungsverhältnis wird in allen Beispielen mit 1,00 angenommen.
  • Beispiel 1
  • Tabelle 1 zeigt ein Beispiel für Zusammensetzungen, die für das hier beschriebene Herstellungsverfahren verwendet werden können. Anorganische Füllstoffe wie Borsäure, Titanoxid, Kieselsäurefasern und pyrogene Kieselsäure können verwendet werden, um die Eigenschaften des Silica-Aerogel-Verbundstoffs zu verändern. Tabelle 1
    Stoff Ratio
    Gelatine 0,075
    Pyrogene Kieselsäure 0,075
    Borsäure 0,025
    TiO2 0,051
    SDS 0,005
    Kieselerde-Fasern 0,050
    Organosilan A 0,151
    Glutaraldehyd 0,145
    Siloxan B 0,302
    Wasser 5,000
  • Beispiel 2
  • Ein weiteres Beispiel für eine Zusammensetzung, die für das hier beschriebene Herstellungsverfahren verwendet werden kann. Zwei komplementäre Bindemittel, Gelatine und PVA, wurden wie in Tabelle 2 gezeigt verwendet. Anstelle von SDS wurde ein nichtionisches Tensid mit einem HLB-Index von 8,5 verwendet. Tabelle 2
    Stoff Ratio
    Gelatine 0,063
    PVA 0,045
    Biosoft Nicht-ionisches Tensid 0,162
    TiO2 0,011
    Borsäure 0,0210
    Organosilan A 0,122
    Glutaraldehyd 0,118
    Siloxan B 0,285
    Wasser 4,064
    Ethanol 0,128
  • Beispiel 3
  • In Tabelle 3 sind weitere Beispiele für Zusammensetzungen aufgeführt, die für das hier beschriebene Herstellungsverfahren verwendet werden können. Ein selbstvernetzendes Silikonbindemittel, anorganische Füllstoffe wie Zinkborat, Titanoxid, Basaltfasern und pyrogene Kieselsäure können verwendet werden, um die Eigenschaften des Silica-Aerogel-Verbundstoffs zu verändern. Die Silica-Aerogel-Verbundstoffe konnten einer direkten Flamme von über 1000°C widerstehen, wobei die Oberflächentemperatur des Silica-Aerogel-Verbundstoffs etwa 400°C bis etwa 600°C erreichte, ohne Feuer zu fangen. Tabelle 3
    Stoff Ratio
    Silizium-Harz 0,407
    Pyrogene Kieselsäure 2,300
    TiO2 0,029
    SDS 0,011
    Zinkborat 0,100
    Kalziumsilicat 0,110
    Basalt-Fasern 0,110
    Organosilan A 0,445
    Siloxan B 1,050
    Wasser 24,00
    Ethanol 0,500
  • 5 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Verfahrens 500 zur Herstellung eines Silica-Aerogel-Verbundstoffs. Eine wässrige Mischung mit 7 bis 8 Gew.-% Bindemittel in Wasser wird bei 50°C durch 30-minütiges Mischen hergestellt, um das Bindemittelgranulat und 50 Gew.-% Silica-Mikrofasern (Durchmesser 6,5 µm) im Mischtopf 1 aufzulösen. Die Leistung kann zwischen 30 und 50% eingestellt werden. Danach werden verschiedene Mengen an Verstärkern, Füllstoffen und Flammschutzmitteln in Topf 1 zugegeben und 30 Minuten lang weiter gemischt (510). In Topf 2 werden 15 Gew.-% Silan-Haftvermittler wie Methyltrimethoxysilan (MTMS), Tetraethoxysilan (TEOS), Polyethoxydisiloxan (PEDS) und Natriumsilicat (Wasserglas) und/oder eine Kombination davon, Tenside und Ethanol und/oder Isopropylalkohol in Wasser in die Mischung gegeben und 60 Minuten lang gemischt (515). Das Verhältnis von Ethanol zu Wasser beträgt etwa 1:10 bis 1:20.
  • Das Gemisch in den Töpfen 1 und 2 wird dann in einen Vakuum-Misch- und Homogenisator überführt. Unter hoher Scherhomogenisierung bei 2600 Umdrehungen pro Minute und Mischen bei 60 Umdrehungen pro Minute unter Vakuumbedingungen werden beide gemischt, um eine zweite Mischung in Form einer Emulsion (520) zu bilden. Die Zugabe von Katalysator (525), wässrigen Vernetzungsmitteln (530) und Hydrophobierungsmitteln (540) erfolgt in 20-minütigen Abständen. Die Gesamtzeit beträgt 120 Minuten. Der hydrophobierte gelierte Verbundstoff wird auf eine mit Silica-Fasergewebe (545) ausgelegte Schale übertragen (550). Der hydrophobierte gelierte Verbundstoff wird gleichmäßig auf dem Tablett verteilt und gleichmäßig eingeebnet (555). Danach wird eine weitere Lage Silica-Fasergewebe auf die Oberfläche gelegt.
  • Der hydrophobierte gelierte Siliziumdioxid-Verbundstoff wird 1 Stunde lang bei Raumtemperatur setzen gelassen. Den mit Kieselsäure hydrophobierten gelierten Verbundstoff vorfrieren, um die Probe durch 10-minütiges Gefrieren mit flüssigem Stickstoff oder Alkohol-Sole einzufrieren (560). Beim Schnellgefrieren entstehen im Vergleich zum herkömmlichen Gefrieren kleine Eiskristalle. Nach dem Schockgefrieren wird die gefrorene Probe in einen mikrowellenunterstützten Vakuumgefriertrockner (MAVFD) gegeben. Die vollständig gefrorene Probe wird dann bei einer vorgegebenen Kühlfallentemperatur von -50°C unter Vakuum für 6 bis 10 Stunden sublimiert, bis der Feuchtigkeitsgehalt unter 5% liegt (565). Der erste, vorher festgelegte Druck wird während des gesamten Sublimationsprozesses auf unter 200 Pascal gehalten. Die vollständige Trocknung ist erreicht, wenn der Kammerdruck auf unter 50 Pascal fällt und der Feuchtigkeitsgehalt auf unter 5% sinkt. An der Probe können Gewichtssensoren angebracht werden, um den Feuchtigkeitsverlust in Echtzeit zu überwachen und zu verfolgen. Eine IR-Wärmebildkamera kann installiert werden, um Bilder der Temperaturverteilung aufzunehmen. Die Probe wird zu diesem Zeitpunkt zu einem hydrophoben Silica-Aerogel-Verbundstoff auf Wasserbasis (570). Nach der Entnahme der Probe härten Sie die Probe 2 bis 6 Stunden lang bei 60 bis 150°C aus, um die volle Hydrophobie des Aerogels zu erreichen (575). Eine vollständig ausgehärtete Probe hat ungefähr die gleiche Masse aller Rohstoffe in der Zusammensetzung. Anschließend wird die Probe beschnitten und abgeschliffen (580).
  • In den folgenden Beispielen wurden gemäß den oben beschriebenen Verfahren die Inhaltsstoffe in der für eine Platte von 600 x 600 x 27 mm angegebenen Menge im Verhältnis zu den Silan-Haftvermittler-Beladungen verwendet. Das Verhältnis der Silan-Haftvermittlerbeladung wird in allen Beispielen mit 1,00 angegeben.
  • Beispiel 4
  • Tabelle 4 zeigt ein Beispiel für Zusammensetzungen, die für das hier beschriebene Herstellungsverfahren verwendet werden können. Der silylmodifizierte Vorläufer ist TEOS mit PVA als Bindemittel auf Wasserbasis. Ammoniummehlid ist der Katalysator, der die Gelierung in der emulgierten Mischung bewirkt, und CTAB war das Tensid. Kieselsäurefasern werden als Verstärkungsmittel und Titanoxid als Füllstoff verwendet. Tabelle 4
    Stoff Ratio
    TEOS 1,000
    Kieselerde-Fasern 3,200
    PVA 0,100
    TiO2 0,072
    CTAB 0,033
    Ammoniumfluorid 0,067
    Organosilan A 0,593
    Glutaraldehyd 0,200
    Siloxan B 1,400
    Wasser 32,00
    Ethanol 0,670
  • Die Testdaten der Beispiele 1 bis 4 sind in Tabelle 5 aufgeführt. Die Proben-ID entspricht jedem der Beispiele. Für jedes Beispiel sind mindestens zwei Testdaten angegeben. Zusätzlich sind in 12-A bis 12-D die in den obigen Beispielen dargestellten Kontaktwinkelmessungen abgebildet. Tabelle 5
    Probe Dichte (g/cm 3 ) Wärmeleitfähigkeit (W/mK) Druckfestigkeit (MPa) Wasser-Kontaktwinkel (0) Maximale Temperatur (°C)
    1-A 0,1240 0,01940 0,12 145 350
    1-B 0,1274 0,01975 0,11 144 350
    1-C 0,1314 0,01934 0,12 144 352
    1-D 0,1307 0,01947 0,11 144 354
    2-A 0,0917 0,02057 0,115 129 350
    2-B 0,0921 0,02042 0,145 128 350
    3-A 0,1570 0,02551 1,24 132 620
    3-B 0,1640 0,02570 1,36 127 600
    4-A 0,1420 0,02612 1,06 144 500
    4-B 0,1400 0,02743 1,12 145 520
  • In 6 ist eine erste Ausführungsform eines Verfahrens 600 zur Herstellung eines mit Kieselsäure verstärkten Polymer-Aerogel-Verbundstoffs dargestellt. Eine wässrige Mischung mit 18 bis 20 Gew.-% mindestens eines Polymers oder Copolymers in Wasser wird bei 50°C durch 30-minütiges Mischen im Mischtopf 1 hergestellt. Die Leistungseinstellung kann zwischen 30 und 50% liegen. Danach werden verschiedene Mengen an Verstärkern, Füllstoffen und Flammschutzmitteln in Topf 1 zugegeben und 30 Minuten lang weiter gemischt (610). In Topf 2 werden Aerogel-Partikel, Tenside und Ethanol in Wasser in die Mischung gegeben und 60 Minuten lang gemischt (615). Das Verhältnis von Ethanol zu Wasser beträgt etwa 1:10 bis 1:20.
  • Das Gemisch in den Töpfen 1 und 2 wird dann in einen Vakuum-Misch- und Homogenisator überführt. Unter hoher Scherhomogenisierung bei 2600 Umdrehungen pro Minute und Mischen bei 60 Umdrehungen pro Minute unter Vakuumbedingungen werden beide gemischt, um eine zweite Mischung als Emulsion (620) zu bilden. Die Zugabe von Hydrophobierungsmitteln (640) erfolgt in 20-Minuten-Intervallen. Die Gesamtzeit beträgt 80 Minuten. Der hydrophobierte, gelierte Verbundstoff wird auf eine mit Kieselgurgewebe ausgelegte Schale (645) übertragen (650). Der hydrophobierte gelierte Vernundstoff wird gleichmäßig auf dem Tablett verteilt und gleichmäßig eingeebnet (655). Danach wird eine weitere Lage Silica-Fasergewebe auf die Oberfläche gelegt.
  • Der mit Kieselsäure verstärkte, hydrophobierte gelierte Verbundstoff wird 1 Stunde lang bei Raumtemperatur setzen gelassen. Der mit Kieselsäure verstärkte, hydrophobierte, gelierte Verbundstoff wird vorgefroren, um die Probe durch Einfrieren mit flüssigem Stickstoff oder Alkohol-Sole für 10 Minuten zu härten (660). Nach dem Schockgefrieren wird die gefrorene Probe in einen mikrowellenunterstützten Vakuumgefriertrockner (MAVFD) gegeben. Die vollständig gefrorene Probe wird dann bei einer vorbestimmten Kühlfallentemperatur von -50°C unter Vakuum für 6 bis 10 Stunden sublimiert, bis der Feuchtigkeitsgehalt unter 5% liegt (665). Der erste, vorher festgelegte Druck wird während des gesamten Sublimationsprozesses auf unter 200 Pascal gehalten. Die vollständige Trocknung ist erreicht, wenn der Kammerdruck auf unter 50 Pascal sinkt und der Feuchtigkeitsgehalt auf unter 5% sinkt. An der Probe können Gewichtssensoren angebracht werden, um den Feuchtigkeitsverlust in Echtzeit zu überwachen und zu verfolgen. Eine IR-Wärmebildkamera kann installiert werden, um Bilder der Temperaturverteilung aufzunehmen. Die Probe wird zu diesem Zeitpunkt zu einem hydrophoben, mit Silica verstärkten Polymer-Aerogel-Verbundstoff auf Wasserbasis (670). Nach der Entnahme der Probe härten Sie die Probe 2 bis 6 Stunden lang bei 60 bis 110°C aus, um die volle Hydrophobie des Aerogels zu erreichen (675). Eine vollständig ausgehärtete Probe hat ungefähr die gleiche Masse aller Rohstoffe in der Zusammensetzung. Anschließend wird die Probe beschnitten und abgeschliffen (680).
  • In den folgenden Beispielen wurden die Inhaltsstoffe in Übereinstimmung mit den oben beschriebenen Verfahren in der für eine 600 x 600 x 27 mm große Platte angegebenen Menge im Verhältnis zu den Aerogel-Partikel-Beladungen verwendet. Das Aerogel-Beladungsverhältnis wird in allen Beispielen mit 1,00 angenommen.
  • Beispiel 5
  • Ein mit Kieselsäure verstärktes Polymer-Aerogel wurde entwickelt, um dem Aerogel Zähigkeit zu verleihen. Das Aerogel wird aus silylmodifiziertem Silica-Aerogel-Granulat, pyrogener Kieselsäure, Graphit, selbstvernetzendem Acrylvorläufer, Borsäure und Hydrophobierungsmittel hergestellt. Tabelle 6
    Stoff Ratio
    Acrylbindemittel 1,500
    Pyrogene Kieselsäure 0,750
    Graphit 0,100
    Anionisches Tensid 0,050
    Borsäure 0,050
    Siloxan B 0,300
    Wasser 10,00
  • Beispiel 6
  • Ein mit Kieselsäure verstärktes Polymer-Aerogel wurde entwickelt, um dem Aerogel Zähigkeit zu verleihen. Das Aerogel wird aus silylmodifiziertem Silica-Aerogel-Granulat, pyrogener Kieselsäure, Titanoxid, einem selbstvernetzenden Polyurethan-Vorläufer, Borsäure und einem Hydrophobierungsmittel hergestellt. Zur Verstärkung werden Basaltfasern hinzugefügt. Tabelle 7
    Stoff Ratio
    Polyurethan-Bindemittel 2,000
    Pyrogene Kieselsäure 0,500
    TiO2 0,200
    Anionisches Tensid 0,050
    Borsäure 0,050
    Basalt-Fasern 0,100
    Organosilan A 0,300
    Siloxan B 0,600
    Wasser 10,00
  • Die Testdaten der Beispiele 5 bis 6 sind in Tabelle 8 aufgeführt. Die Proben-ID entspricht jedem der Beispiele. Für jedes Beispiel sind mindestens zwei Prüfdaten angegeben. Tabelle 8
    Probe Dichte (g/cm 3 ) Wärmeleitfähigkeit (W/m-K) Druckfestigkeit (MPa) Wasser-Kontaktwinkel (0) Maximale Temperatur (°C)
    5-A 0,1382 0,0233 0,151 132,1 257
    5-B 0,1356 0,0235 0,147 129,4 270
    6-A 0,1587 0,0226 0,294 115,4 400
    6-B 0,1476 0,0213 0,303 110,8 400
  • In 7 ist eine erste Ausführungsform eines Verfahrens 700 zur Herstellung eines Zellulose-Aerogel-Verbundstoffs dargestellt. Eine wässrige Mischung mit 9 bis 10 Gew.- % Bindemittel in Wasser wird bei 50°C durch 30-minütiges Mischen hergestellt, um das Bindemittelgranulat im Mischtopf 1 aufzulösen. Die Leistung kann zwischen 30 und 50% eingestellt werden. Danach werden verschiedene Mengen an Verstärkern, Füllstoffen und Flammschutzmitteln in Topf 1 zugegeben und 30 Minuten lang weiter gemischt (710). In Topf 2 werden Zellulose-Mikrofasern, Tenside und Ethanol/1,4-Dioxan in Wasser in die Mischung gegeben und 60 Minuten lang gemischt (715). Das Verhältnis von Ethanol zu Wasser beträgt etwa 1:10 bis 1:20.
  • Das Gemisch in den Töpfen 1 und 2 wird dann in einen Vakuum-Misch- und Homogenisator überführt. Unter hoher Scherhomogenisierung bei 2600 Umdrehungen pro Minute und Mischen bei 60 Umdrehungen pro Minute unter Vakuumbedingungen werden beide gemischt, um eine zweite Mischung in Form einer Emulsion (720) zu bilden. Die Zugabe von Vernetzungsmitteln auf Wasserbasis (730) und Hydrophobierungsmitteln (740) erfolgt in 20-minütigen Abständen. Die Gesamtzeit beträgt 100 Minuten. Der hydrophobierte, gelierte Verbundstoff wird auf eine mit Kieselgurgewebe ausgelegte Schale (745) übertragen (750). Der hydrophobierte gelierte Verbundstoff wird gleichmäßig auf dem Tablett verteilt und gleichmäßig eingeebnet (755). Danach wird eine weitere Lage Silica-Fasergewebe auf die Oberfläche gelegt.
  • Der mit Zellulose hydrophobierte gelierte Verbundstoff wird 1 Stunde lang bei Raumtemperatur setzen gelassen. Den mit Zellulose hydrophobierten gelierten Verbundstoff 3 Stunden lang bei -80°C vorgefrieren (760), um die Probe zu härten. Nach dem Einfrieren wird die gefrorene Probe in einen mikrowellenunterstützten Vakuumgefriertrockner (MAVFD) gegeben. Die vollständig gefrorene Probe wird dann bei einer vorbestimmten Kühlfallentemperatur von -50°C unter Vakuum für 6 bis 10 Stunden sublimiert, bis der Feuchtigkeitsgehalt unter 5% liegt (765). Der erste, vorher festgelegte Druck wird während des gesamten Sublimationsprozesses auf unter 200 Pascal gehalten. Die vollständige Trocknung ist erreicht, wenn der Kammerdruck auf unter 50 Pascal fällt und der Feuchtigkeitsgehalt auf unter 5% sinkt. An der Probe können Gewichtssensoren angebracht werden, um den Feuchtigkeitsverlust in Echtzeit zu überwachen und zu verfolgen. Eine IR-Wärmebildkamera kann installiert werden, um Bilder der Temperaturverteilung aufzunehmen. Die Probe wird zu diesem Zeitpunkt zu einem hydrophoben Zellulose-Aerogel-Verbundstoff auf Wasserbasis (770). Nach der Entnahme der Probe härten Sie die Probe 2 bis 6 Stunden lang bei 60 bis 110°C aus, um die volle Hydrophobie des Aerogels zu erreichen (775). Eine vollständig ausgehärtete Probe hat ungefähr die gleiche Masse aller Rohstoffe in der Zusammensetzung. Anschließend wird die Probe getrimmt und abgeschliffen (780). Ein Beispiel für eine vollständig ausgehärtete Probe ist in 11A dargestellt.
  • In den folgenden Beispielen wurden gemäß den oben beschriebenen Verfahren die Inhaltsstoffe in der für eine 600 x 600 x 27 mm große Platte angegebenen Menge im Verhältnis zu den Zellulose-Mikrofasern verwendet. Das Verhältnis der Zellulose-Mikrofasern wird in allen Beispielen mit 1,00 angegeben.
  • Beispiel 7
  • Es wurde ein leichtes hydrophobes Zellulose-Aerogel entwickelt. Das Aerogel wird aus Zellulose-Mikrofasern als Vorläufer, pyrogener Kieselsäure, Titanoxid, Zinkborat, CTAB, SDS, PVA und Glutaraldehyd als Vernetzer hergestellt. Tabelle 9
    Stoff Ratio
    PVA 0,440
    TiO2 0,040
    Zinkborat 0,074
    CTAB 0,018
    SDS 0,093
    Ethanol 0,370
    Organosilan A 0,330
    Glutaraldehyd 0,260
    Siloxan B 0,780
    Wasser 22,97
    1,4-Dioxan 2,000
  • 8 zeigt eine erste Ausführungsform eines Verfahrens 800 zur Herstellung eines mit Silica verstärkten Zellulose-Aerogel-Verbundstoffs. Eine wässrige Mischung mit 9 bis 10 Gew.-% Bindemittel in Wasser wird bei 50°C durch 30-minütiges Mischen hergestellt, um das Bindemittelgranulat im Mischtopf 1 aufzulösen. Die Leistung kann zwischen 30 und 50% eingestellt werden. Danach werden verschiedene Mengen an Verstärkern, Füllstoffen und Flammschutzmitteln in Topf 1 zugegeben und 30 Minuten lang weiter gemischt (810). In Topf 2 werden Zellulose-Mikrofasern, Silica-Aerogel, Tenside und Ethanol/1,4-Dioxan in Wasser in die Mischung gegeben und 60 Minuten lang gemischt (815). Das Verhältnis von Ethanol zu Wasser beträgt etwa 1:10 bis 1:20.
  • Das Gemisch in den Töpfen 1 und 2 wird dann in einen Vakuum-Misch- und Homogenisator überführt. Unter hoher Scherhomogenisierung bei 2600 Umdrehungen pro Minute und Mischen bei 60 Umdrehungen pro Minute unter Vakuumbedingungen werden beide gemischt, um eine zweite Mischung als Emulsion (820) zu bilden. Die Zugabe von Vernetzungsmitteln auf Wasserbasis (830) und Hydrophobierungsmitteln (840) erfolgt in 20-minütigen Abständen. Die Gesamtzeit beträgt 100 Minuten. Der hydrophobierte, gelierte Verbundstoff wird auf eine mit Siliziumdioxid-Fasertuch (845) ausgelegte Schale übertragen (850). Der hydrophobierte gelierte Verbundstoff wird gleichmäßig auf dem Tablett verteilt und gleichmäßig eingeebnet (855). Danach wird eine weitere Lage Silica-Fasergewebe auf die Oberfläche gelegt.
  • Den mit Silica verstärkten, hydrophobierten Zellulosegel-Verbundstoff wird 1 Stunde lang bei Raumtemperatur setzen gelassen. Den mit Silica verstärkten, hydrophobierten, gelierten Zellulose-Verbundstoff vorfrieren, um die Probe durch Einfrieren mit flüssigem Stickstoff oder Alkohol-Sole für 10 Minuten (860) zu härten. Nach dem Schockgefrieren wird die gefrorene Probe in einen mikrowellenunterstützten Vakuumgefriertrockner (MAVFD) gegeben. Die vollständig gefrorene Probe wird dann bei einer vorbestimmten Kühlfallentemperatur von -50°C unter Vakuum für 6 bis 10 Stunden sublimiert, bis der Feuchtigkeitsgehalt unter 5% liegt (865). Der erste, vorher festgelegte Druck wird während des gesamten Sublimationsprozesses auf unter 200 Pascal gehalten. Die vollständige Trocknung ist erreicht, wenn der Kammerdruck auf unter 50 Pascal fällt und der Feuchtigkeitsgehalt auf unter 5% sinkt. An der Probe können Gewichtssensoren angebracht werden, um den Feuchtigkeitsverlust in Echtzeit zu überwachen und zu verfolgen. Eine IR-Wärmebildkamera kann installiert werden, um Bilder der Temperaturverteilung aufzunehmen. Die Probe wird zu diesem Zeitpunkt zu einem hydrophoben, mit Silica verstärkten Zellulose-Aerogel-Verbundstoff auf Wasserbasis (870). Nach der Entnahme der Probe härten Sie die Probe 2 bis 6 Stunden lang bei 60 bis 110°C aus, um die volle Hydrophobie des Aerogels zu erreichen (875). Eine vollständig ausgehärtete Probe hat ungefähr die gleiche Masse aller Rohstoffe in der Zusammensetzung. Anschließend wird die Probe beschnitten und abgeschliffen (880).
  • In den folgenden Beispielen wurden die Inhaltsstoffe in Übereinstimmung mit den oben beschriebenen Verfahren in der für eine 600 x 600 x 27 mm große Platte angegebenen Menge im Verhältnis zu den Aerogel-Partikel-Beladungen verwendet. Das Aerogel-Beladungsverhältnis wird in allen Beispielen mit 1,00 angenommen.
  • Beispiel 8
  • Ein mit Siliziumdioxid verstärkter Zellulose-Aerogel-Verbundstoff, der für eine geringere Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu Beispiel 7 entwickelt wurde. Tabelle 10
    Stoff Ratio
    Zellulose-Mikrofasern 3,000
    PVA 1,800
    Pyrogene Kieselsäure 1,000
    TiO2 0,110
    Zinkborat 0,200
    Kationisches Tensid 0,250
    Glutaraldehyd 0,690
    Siloxan B 0,50
    Wasser 50,00
    1,4-Dioxan 2,000
  • 9 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Verfahrens 900 zur Herstellung eines mit Silica verstärkten Zellulose-Aerogel-Verbundstoffs. Eine wässrige Mischung mit 9 bis 10 Gew.-% Bindemittel in Wasser wird bei 50°C durch 30-minütiges Mischen hergestellt, um das Bindemittelgranulat im Mischtopf 1 aufzulösen. Die Leistung kann zwischen 30 und 50% eingestellt werden. Danach werden verschiedene Mengen an Verstärkern, Füllstoffen und Flammschutzmitteln in Topf 1 zugegeben und 30 Minuten lang weiter gemischt (910). In Topf 2 werden Zellulose-Mikrofasern, Silanvorläufer wie Methyltrimethoxysilan (MTMS), Tetraethoxysilan (TEOS), Polyethoxydisiloxan (PEDS) und Natriumsilicat (Wasserglas) und/oder eine Kombination davon, Tenside und Ethanol/1,4-Dioxan in Wasser in die Mischung gegeben und 60 Minuten lang gemischt (915). Das Verhältnis von Ethanol zu Wasser beträgt etwa 1:10 bis 1:20.
  • Das Gemisch in den Töpfen 1 und 2 wird dann in einen Vakuum-Misch- und Homogenisator überführt. Unter hoher Scherhomogenisierung bei 2600 U/min und Mischen bei 60 U/min unter Vakuumbedingungen werden beide gemischt, um eine zweite Mischung als Emulsion (920) zu bilden. Die Zugabe von Katalysator (925), wasserbasierten Vernetzungsmitteln (930) und Hydrophobierungsmitteln (940) erfolgt in 20-Minuten-Intervallen. Die Gesamtzeit beträgt 120 Minuten. Der hydrophobierte gelierte Verbundstoff wird auf eine mit Siliziumdioxid-Fasergewebe (945) ausgelegte Schale übertragen (950). Der hydrophobierte gelierte Verbundstoff wird gleichmäßig auf dem Tablett verteilt und gleichmäßig eingeebnet (955). Danach wird eine weitere Lage Silica-Fasergewebe auf die Oberfläche gelegt.
  • Den mit Silica verstärkten, hydrophobierten Zellulosegel-Verbundstoff wird 1 Stunde lang bei Raumtemperatur setzen gelassen. Den mit Silica verstärkten, hydrophobierten, gelierten Zellulose-Verbundstoff vorfrieren, um die Probe durch Einfrieren mit flüssigem Stickstoff oder Alkohol-Sole für 10 Minuten (960) zu härten. Nach dem Schockgefrieren wird die gefrorene Probe in einen mikrowellenunterstützten Vakuumgefriertrockner (MAVFD) gegeben. Die vollständig gefrorene Probe wird dann bei einer vorgegebenen Kühlfallentemperatur von -50°C unter Vakuum für 6 bis 10 Stunden sublimiert, bis der Feuchtigkeitsgehalt unter 5% liegt (965). Der erste, vorher festgelegte Druck wird während des gesamten Sublimationsprozesses auf unter 200 Pascal gehalten. Die vollständige Trocknung ist erreicht, wenn der Kammerdruck auf unter 50 Pascal fällt und der Feuchtigkeitsgehalt auf unter 5% sinkt. An der Probe können Gewichtssensoren angebracht werden, um den Feuchtigkeitsverlust in Echtzeit zu überwachen und zu verfolgen. Eine IR-Wärmebildkamera kann installiert werden, um Bilder der Temperaturverteilung aufzunehmen. Die Probe wird zu diesem Zeitpunkt zu einem hydrophoben, mit Silica verstärkten Zellulose-Aerogel-Verbundstoff auf Wasserbasis (970). Nach der Entnahme der Probe härtet man die Probe 2 bis 6 Stunden lang bei 60 bis 110°C aus, um die volle Hydrophobie des Aerogels zu erreichen (975). Eine vollständig ausgehärtete Probe weist ungefähr die gleiche Masse aller Rohstoffe in der Zusammensetzung auf. Anschließend wird die Probe beschnitten und abgeschliffen (980).
  • In den folgenden Beispielen wurden gemäß den oben beschriebenen Verfahren die Inhaltsstoffe in der für eine 600 x 600 x 27 mm große Platte angegebenen Menge im Verhältnis zu den Silan-Haftvermittler-Beladungen verwendet. Das Beladungsverhältnis der Silanvorläufer wird in allen Beispielen mit 1,00 angenommen.
  • Beispiel 9
  • Tabelle 11
    Stoff Ratio
    Zellulose-Mikrofasern 3,000
    PVA 1,800
    TEOS 1,000
    TiO2 0,108
    Zinkborat 0,200
    CTAB 0,250
    Dioxan-Lösung 2,00
    Glutaraldehyd 0,690
    Siloxan B 0,500
    Ammoniumfluorid 0,050
    Wasser 50,00
  • 10 ist ein im Wesentlichen identisches Verfahren 900 wie 9, mit Ausnahme eines Vorbehandlungsprozesses von Mikrozellulosefasern (905). Alle Beschriftungen für 9 gelten auch für 10. Die Vorbehandlung ermöglicht die Umstrukturierung der Zellulose von der Mikro- zur Nanostruktur in Gegenwart einer Säure-Base-Behandlung. Daher wird hier nur der Vorbehandlungsprozess erläutert. 300 g Mikrozellulose wurden langsam zu 85 Gew.-% Orthophosphorsäure 300 ml in 500 ml destilliertem Wasser hinzugefügt. Das Gemisch wurde bei 200 Umdrehungen pro Minute im Kältebad (-20°C) in einem Rührwerk gerührt, bis es zu einer viskosen Flüssigkeit wurde. Die viskose Flüssigkeit wurde später mit Na+-Ionenaustauscherharz behandelt, um den pH-Wert von 2 auf 8 zu ändern. Die Mischung wurde mit 300% Wasser regeneriert und schließlich mit Ethanol gewaschen, um nanostrukturierte Zellulose zu erhalten.
  • Beispiel 10
  • Die Probe wurde wie in Beispiel 9 hergestellt, mit Ausnahme des in 10 beschriebenen Vorbehandlungsverfahrens.
  • Die Testdaten der Beispiele 7 bis 10 sind in Tabelle 12 aufgeführt. Die Proben-ID entspricht jedem der Beispiele. Für jedes Beispiel sind mindestens zwei Prüfdaten angegeben. Tabelle 12
    Probe Dichte (g/cm 3 ) Wärmeleitfähigkeit (W/m-K) Druckfestigkeit (MPa) Wasser-Kontaktwinkel (°) Maximale Temperatur (°C)
    7-A 0,075 0,0360 0,092 115 320
    7-B 0,082 0,0352 0,089 121 330
    8-A 0,082 0,0332 0,109 126 350
    8-B 0,086 0,0338 0,110 129 350
    9-A 0,075 0,0341 0,123 135 370
    9-B 0,068 0,0332 0,118 135 370
    10-A 0,065 0,0362 0,150 130 370
    10-B 0,062 0,0349 0,150 134 370
  • 13 zeigt Beispiele für mikrostrukturelle Bilder der Verfahren von 1 bis 7. Aus Gründen der Übersichtlichkeit entspricht 13A dem Verfahren von 4, 13B dem Verfahren von 5, 13C dem Verfahren von 6, 13D dem Verfahren von 7, 13E dem Verfahren von 8, 13F dem Verfahren von 9, 13G dem Verfahren von 10. Es sollte klar sein, dass ihr Aussehen die Eigenschaften der Endprodukte bestimmen würde.
  • Die hierin beschriebene Erfindung ist für andere als die ausdrücklich beschriebenen Variationen und Modifikationen zugänglich. Es ist davon auszugehen, dass die Erfindung alle derartigen Variationen und Modifikationen umfasst, die in den Geist und den Anwendungsbereich fallen. Die Erfindung umfasst auch alle Schritte, Merkmale, Zusammensetzungen und Verbindungen, auf die in dieser Beschreibung Bezug genommen wird oder die darin angegeben sind, einzeln oder gemeinsam, sowie alle Kombinationen von zwei oder mehreren dieser Schritte oder Merkmale.
  • In dieser Beschreibung und den folgenden Ansprüchen sind, sofern der Kontext nichts anderes erfordert, das Wort „umfassen“ und Abwandlungen wie „umfasst“ und „enthaltend“ so zu verstehen, dass sie die Einbeziehung einer angegebenen ganzen Zahl oder eines Schritts oder einer Gruppe von ganzen Zahlen oder Schritten bedeuten, nicht aber den Ausschluss einer anderen ganzen Zahl oder eines Schritts oder einer Gruppe von ganzen Zahlen oder Schritten.
  • Wie hierin verwendet, schließt der Begriff „und/oder“ alle Kombinationen von einem oder mehreren der aufgeführten Elemente ein. Die hier verwendete Terminologie dient lediglich der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen und ist nicht als Einschränkung der Erfindung zu verstehen. Die hier verwendeten Singularformen „ein“, „ein“ und „die“ schließen auch die Pluralformen ein, sofern aus dem Kontext nicht eindeutig etwas anderes hervorgeht. Es versteht sich ferner, dass die Begriffe „umfasst“ und/oder „enthaltend“, wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, das Vorhandensein bestimmter Merkmale, ganzer Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Komponenten spezifizieren, aber das Vorhandensein oder Hinzufügen eines oder mehrerer anderer Merkmale, ganzer Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente, Komponenten und/oder Gruppen davon nicht ausschließen.
  • Die hier beispielhaft beschriebene Erfindung kann in geeigneter Weise ohne ein oder mehrere Elemente, eine oder mehrere Beschränkungen, die hier nicht ausdrücklich angegeben sind, ausgeführt werden. So sind z. B. die Begriffe „umfassend“, „einschließlich“, „enthaltend“ usw. weit gefasst und ohne Einschränkung zu verstehen. Darüber hinaus wurden die hier verwendeten Begriffe und Ausdrücke zur Beschreibung und nicht zur Einschränkung verwendet, und es ist nicht beabsichtigt, durch die Verwendung dieser Begriffe und Ausdrücke Äquivalente der gezeigten und beschriebenen Merkmale oder Teile davon auszuschließen, aber es wird anerkannt, dass verschiedene Modifikationen im Rahmen der beanspruchten Erfindung möglich sind. Es sollte daher verstanden werden, dass, obwohl die vorliegende Erfindung speziell durch bevorzugte Ausführungsformen und optionale Merkmale offenbart wurde, Modifikationen und Variationen innerhalb des Anwendungsbereichs dieser Erfindung betrachtet werden.
  • Die Erfindung wurde hier allgemein und generisch beschrieben. Jede der engeren Arten und Untergattungen, die unter die allgemeine Offenbarung fallen, sind ebenfalls Teil der Erfindung. Dies gilt auch für die allgemeine Beschreibung der Erfindung mit einem Vorbehalt oder einer negativen Einschränkung, durch die ein Gegenstand aus der Gattung herausgenommen wird, unabhängig davon, ob das herausgenommene Material hier ausdrücklich erwähnt wird oder nicht.

Claims (17)

  1. Verfahren zur Herstellung von auf Wasser basierenden, hydrophoben Aerogelen und Aerogel-Verbundstoffen, wobei das Verfahren umfasst: Synthetisieren einer wässrigen Bindemittelmischung; Zugeben von silylmodifizierten Vorläufern zur Bildung einer Emulsion; Bilden eines gelierten Verbundstoffs unter Vakuumhomogenisierungsbedingungen; hydrophobes Behandeln des gelierten Verbundstoffs; Einfrieren des gelierten Verbundstoffs; mikrowellenunterstützte Vakuumgefriertrocknung des gelierten Verbundstoffs zur Bildung eines Aerogel-Verbundstoffs; und Aushärtung des Aerogel-Verbundstoffs, wobei die mikrowellenunterstützte Vakuumgefriertrocknung so konfiguriert ist, dass sie die Trocknung des gelierten Verbundstoffs in der Masse induziert.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das wässrige Gemisch flammhemmende Mittel, anorganische Füllstoffe, Tenside und ein Verfestigungsmittel enthält.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die mikrowellenunterstützte Vakuumgefriertrocknung unter Verwendung eines mikrowellenunterstützten Vakuumgefriertrockners durchgeführt wird.
  4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die silylmodifizierten Vorläufer durch ein Verfahren hergestellt werden, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Sol-Gel-Techniken, Emulsionstechniken und Phasentransfertechniken besteht.
  5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die hydrophobe Behandlung in-situ unter Vakuumbedingungen durchgeführt wird.
  6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, das ferner einen Schritt des Aufgießens umfasst, wobei der Schritt des Aufgießens die Zugabe eines auf Wasser basierenden, hydrophoben Materials einschließt.
  7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der gelierte Verbundstoff durch Zugabe eines wasserlöslichen Vernetzungsmittels gebildet wird.
  8. Auf Wasser basierendes, hydrophobes Aerogel und Aerogel-Verbundstoffe, hergestellt nach einem Verfahren, umfassend Synthetisieren einer wässrigen Bindemittelmischung; Zugeben von silylmodifizierten Vorläufern zur Bildung einer Emulsion; Bildung eines gelierten Verbundstoffs unter Vakuumhomogenisierungsbedingungen; hydrophobes Behandeln des gelierten Verbundstoffs; Einfrieren des gelierten Verbundstoffs; mikrowellenunterstützte Vakuumgefriertrocknung des gelierten Verbundstoffs zur Bildung eines Aerogel-Verbundstoffs; und Härtung des Aerogel-Verbundstoffs, wobei die mikrowellenunterstützte Vakuumgefriertrocknung so konfiguriert ist, dass sie eine Trocknung des gelierten Verbundstoffs in der Masse bewirkt.
  9. Auf Wasser basierendes, hydrophobes Aerogel und Aerogel-Verbundstoffe gemäß Anspruch 8, wobei das wässrige Gemisch flammhemmende Mittel, anorganische Füllstoffe, Tenside und ein Verfestigungsmittel enthält.
  10. Auf Wasser basierendes, hydrophobes Aerogel und Aerogel-Verbundstoffe gemäß Anspruch 8 oder 9, wobei die mikrowellenunterstützte Vakuumgefriertrocknung unter Verwendung eines mikrowellenunterstützten Vakuumgefriertrockners durchgeführt wird.
  11. Auf Wasser basierendes, hydrophobes Aerogel und Aerogel-Verbundstoffe gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die silylmodifizierten Vorstufen durch ein Verfahren hergestellt werden, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Sol-Gel-Techniken, Emulsionstechniken und Phasentransfertechniken besteht.
  12. Auf Wasser basierendes, hydrophobes Aerogel und Aerogel-Verbundstoffe gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei die hydrophobe Behandlung in-situ unter Vakuumbedingungen durchgeführt wird.
  13. Auf Wasser basierendes, hydrophobes Aerogel und Aerogel-Verbundstoffe gemäß einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei das Verfahren ferner einen Schritt des Aufgießens umfasst, wobei der Schritt des Aufgießens die Zugabe eines auf Wasser basierenden, hydrophoben Materials einschließt.
  14. Auf Wasser basierendes, hydrophobes Aerogel und Aerogel-Verbundstoffe gemäß einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei der gelierte Verbundstoff durch Zugabe eines wasserlöslichen Vernetzungsmittels gebildet wird.
  15. Auf Wasser basierender, hydrophober Aerogel-Verbundstoff, umfassend: ein silylmodifiziertes Aerogel-Vorläufersystem; ein Tensid; flammhemmende Mittel; hydrophobes Mittel; und ein Vernetzungsmittel, wobei die Komponenten homogen verteilt sind und nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 hergestellt werden.
  16. Auf Wasser basierender, hydrophober Aerogel-Verbundstoff gemäß Anspruch 15, der in einer Weise geformt ist, die eine minimale Schrumpfung und Verdichtung aufweist.
  17. Auf Wasser basierender, hydrophober Aerogel-Verbundstoff gemäß Anspruch 15 oder 16, wobei das silylmodifizierte Aerogel-Vorläufersystem mindestens eines ist, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Siliciumdioxid, Polysaccharid und einem Polymer auf Wasserbasis.
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