DE202020005871U1

DE202020005871U1 - Aerogelbasierte Komponenten und Systeme für das Thermomanagement von Elektrofahrzeugen

Info

Publication number: DE202020005871U1
Application number: DE202020005871.8U
Authority: DE
Original assignee: Aspen Aerogels Inc
Current assignee: Aspen Aerogels Inc
Priority date: 2019-12-02
Filing date: 2020-11-30
Publication date: 2022-12-22
Anticipated expiration: 2030-12-01
Also published as: BR112022010852A2; IL293574A; US20230348286A1; EP4069509A1; CN115038580A; US11702346B2; JP2023506095A; WO2021113189A1; KR20220109454A; AU2020396088A1; CA3160225A1; TW202135373A; US20210163303A1; MX2022006585A

Abstract

Wärmeregulierungselement (10), umfassend:
mindestens eine Aerogelschicht (12); und
mindestens eine Schicht, die aus einer thermisch kapazitiven und/oder thermisch leitenden Schicht (14), einer nachgiebigen Schicht (44) und einer Verkapselungsschicht ausgewählt ist.

Description

QUERVERWEISE AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 62/942.495 , eingereicht am 2. Dezember 2019, der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 62/958.135 , eingereicht am 7. Januar 2020, der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 63/056.527 , eingereicht am 24. Juli 2020, und der US-Patentanmeldung mit der laufenden Nr. 17/106.940 , eingereicht am 30. November 2020, die hiermit jeweils in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen werden, wobei alle Definitionen von Begriffen in der vorliegenden Anmeldung maßgeblich sind.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf die Aerogel-Technologie. Genauer gesagt bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf Wärmeregulierungselemente einschließlich Aerogel-Technologie. In bestimmten Ausführungsformen betrifft die vorliegende Offenbarung Hochleistungs-Wärmeregulierungselemente, die Aerogel-Technologie zum Trennen von Batteriezellen oder Isolieren von Batteriekomponenten enthalten.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Aerogelmaterialien mit niedriger Dichte gelten weithin als die besten verfügbaren festen Isolatoren. Aerogele wirken als Isolatoren in erster Linie durch Minimierung der Leitung (niedrige Strukturdichte führt zu einem gewundenen Weg für die Energieübertragung durch das feste Gerüst), Konvektion (große Porenvolumina und sehr kleine Porengrößen führen zu minimaler Konvektion) und Strahlung (mit IRabsorbierenden oder -streuenden Dotierstoffen). Aerogele können in vielfältigen Anwendungsbereichen eingesetzt werden, darunter Wärme- und Kälteisolierung, Schallisolierung, elektronischen Dielektrika, Luft- und Raumfahrt, Energiespeicherung und -produktion sowie Filtration. Darüber hinaus weisen Aerogelmaterialien viele andere interessante akustische, optische, mechanische und chemische Eigenschaften auf, die sie für verschiedene isolierende und nicht isolierende Anwendungen äußerst nützlich machen.
Auf den Gebieten der Elektronik-, Industrie- und Automobiltechnik werden thermische Isolierungen benötigt, die geeignet sind, den Wärmefluss von wärmeerzeugenden Teilen in kleinen Räumen zuverlässig zu kontrollieren und für Sicherheit und Verhinderung der Brandausbreitung für solche Produkte zu sorgen. Wärmedämmfolien mit überlegenen Kompressionseigenschaften können nützlich sein, um diesen Anforderungen gerecht zu werden, beispielsweise als Separatoren in Lithium-lonen-Batteriemodulen.
Die Sicherheitsstandards für Lithium-Ionen-Batterien beinhalten eine Brandbeanspruchungsprüfung. Die Brandbeanspruchungsprüfung ist ein Prüfverfahren, bei dem eine Zelle in einem Batteriemodul einem thermischen Durchgehen ausgesetzt wird und dann bestimmt wird, ob es infolge der thermischen Ausbreitung auf andere Zellen, einschließlich der benachbarten Zelle, zu einer Entzündung oder einem Bruch kommt. Ein Sicherheitsdesign, das die Ausbreitung des thermischen Durchgehens auf die benachbarte Zelle blockieren soll, beinhaltet typischerweise den Einbau eines Materials mit überlegenen thermischen Isolationseigenschaften zwischen den Zellen.
Herkömmliche Isolierungsarten wie Schaum- oder Faserplatten können hohe Temperaturen aushalten, haben jedoch eine relativ geringe Kapazität zur Isolierung oder thermischen Eindämmung. Für solche Materialien muss die Dicke der Isolierung erhöht werden, um ein wirksames Thermomanagement bereitzustellen. Die Platzanforderungen für Batteriemodule begrenzen jedoch die Größe des Moduls sowie den Raum zwischen Zellen innerhalb des Moduls. Ebenso ist es wünschenswert, das Gesamtgewicht des Batteriemoduls zu begrenzen. Daher muss eine Beständigkeit gegen Wärmeausbreitung und Brandausbreitung erreicht werden, während die Dicke und das Gewicht der verwendeten Materialien minimiert werden, um die erforderlichen thermischen Eigenschaften bereitzustellen. Es wird eine andere Art von Isoliersystem, -material und -verfahren benötigt, um eine wirksame Isolierung, thermische Eindämmung und einen Schutz vor Brandausbreitung bereitzustellen.
Es ist bekannt, dass Aerogelmaterialien etwa das Zwei- bis Sechsfache des Wärmewiderstands anderer üblicher Arten von Isolierungen besitzen, z. B. Schäume, Glasfaser usw. Aerogele können die effektive Abschirmung und thermische Isolierung erhöhen, ohne die Dicke der Isolierung wesentlich zu erhöhen oder zusätzliches Gewicht hinzuzufügen. Aerogele sind bekanntermaßen eine Klasse von Strukturen mit geringer Dichte, offenzelligen Strukturen, großen Oberflächen und Porengrößen im Nanometerbereich.
Die US-Patentveröffentlichung Nr. 2012/0142802 von Steinke offenbart offenzellige Schäume, die mit Partikeln aus Aerogel gefüllt sind. Die US-Patentveröffentlichung Nr. 2019/0161909 von Oikawa offenbart eine Wärmedämmfolie, die einen Vliesstoff und ein Aerogel enthält. Diese Dokumente offenbaren jedoch keine Materialien, die die gewünschten thermischen, feuerfesten, mechanischen und hydrophoben Eigenschaften und die Kombination vieler gewünschter Eigenschaften zur Verwendung in Wärmeregulierungselementen oder thermischen Barrieren zum Trennen von Batteriezellen oder die Verfahren zum Herstellen solcher Materialien aufweisen.
Es wäre wünschenswert, verstärkte Aerogelzusammensetzungen mit verbesserter Leistung in verschiedenen Aspekten bereitzustellen, darunter hinsichtlich Kompressibilität, Kompressionselastizität, Nachgiebigkeit, Wärmebeständigkeit, Hydrophobizität, Brandverhalten und anderen, einzeln und in einer oder mehreren Kombinationen. In Anbetracht des gesamten Standes der Technik zum Zeitpunkt der vorliegenden Erfindung war es für den Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet dieser Erfindung nicht offensichtlich, wie die Mängel des Standes der Technik überwunden werden könnten.
Während bestimmte Aspekte herkömmlicher Technologien erörtert wurden, um die Offenbarung der Erfindung zu erleichtern, lehnen die Anmelder diese technischen Aspekte in keiner Weise ab, und es wird in Betracht gezogen, dass die beanspruchte Erfindung einen oder mehrere der hier erörterten herkömmlichen technischen Aspekte umfassen kann.
Die vorliegende Erfindung kann eines oder mehrere der Probleme und Mängel des Standes der Technik angehen. Es wird jedoch in Betracht gezogen, dass sich die Erfindung als nützlich erweisen kann, um andere Probleme und Mängel in einer Reihe von technischen Bereichen anzugehen. Daher sollte die beanspruchte Erfindung nicht unbedingt so ausgelegt werden, dass sie darauf beschränkt ist, irgendwelche der hier diskutierten speziellen Probleme oder Mängel anzugehen.
Wenn in dieser Beschreibung auf ein Dokument, eine Handlung oder einen Wissensgegenstand Bezug genommen oder diskutiert wird, stellt diese Bezugnahme oder Erörterung kein Eingeständnis dar, dass das Dokument, die Handlung oder der Wissensgegenstand oder eine Kombination davon am Prioritätstag öffentlich zugänglich war, der Öffentlichkeit bekannt war, zum allgemeinen Fachwissen gehörten oder anderweitig nach den anwendbaren gesetzlichen Bestimmungen den Stand der Technik darstellen; oder von der bekannt ist, dass sie für einen Versuch relevant ist, ein Problem zu lösen, mit dem sich diese Patenschrift befasst.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Der seit langem bestehende, aber bisher unbefriedigte Bedarf an verbesserten Aerogelzusammensetzungen wird nun durch eine neue, nützliche und nicht offensichtliche Erfindung gedeckt.
In einem allgemeinen Aspekt stellt die vorliegende Offenbarung Aerogelzusammensetzungen bereit, z. B. verstärkte Aerogelzusammensetzungen, die haltbar und leicht zu handhaben sind, die eine günstige Beständigkeit gegen Wärmeausbreitung und Brandausbreitung aufweisen, während die Dicke und das Gewicht der verwendeten Materialien minimiert werden, und die ebenfalls günstige Eigenschaften für Kompressibilität, Kompressionselastizität und Nachgiebigkeit aufweisen. In einem weiteren allgemeinen Aspekt stellt die vorliegende Offenbarung Wärmeregulierungselemente bereit, die eine Aerogelzusammensetzung, eine verstärkte Aerogelzusammensetzung oder Kombinationen davon enthalten. Beispielsweise kann ein Wärmeregulierungselement gemäß hier offenbarten Aspekten mindestens eine Schicht aus einer Aerogelzusammensetzung oder einer verstärkten Aerogelzusammensetzung enthalten. Als weiteres Beispiel kann ein Wärmeregulierungselement gemäß hier offenbarten Aspekten mehrere Schichten einer Aerogelzusammensetzung oder einer verstärkten Aerogelzusammensetzung enthalten.
In einem beispielhaften Aspekt stellt die vorliegende Offenbarung ein Wärmeregulierungselement bereit, das eine Aerogelzusammensetzung enthält. In bestimmten Ausführungsformen ist das Wärmeregulierungselement im Wesentlichen eben und weist eine erste Hauptaußenfläche und eine zweite Hauptaußenfläche auf. In beispielhaften Ausführungsformen enthält die Aerogelzusammensetzung ein oder mehrere Additive. Die Additive können in einigen Ausführungsformen in einer Menge von etwa 5 bis 20 Gew.-% der Aerogelzusammensetzung vorhanden sein. Die Additive können in einigen Ausführungsformen in einer Menge von etwa 10 bis 20 Gew.-% der Aerogelzusammensetzung vorhanden sein. In bestimmten Ausführungsformen hat das Wärmeregulierungselement eine Wärmeleitfähigkeit von weniger als etwa 40 mW/mK. In beispielhaften Ausführungsformen enthält das Wärmeregulierungselement mehrere Schichten der Aerogelzusammensetzung.
In einem anderen beispielhaften Aspekt stellt die vorliegende Offenbarung ein Wärmeregulierungselement bereit, das mindestens eine Schicht aus einer Aerogelzusammensetzung, mindestens ein nachgiebiges Element und ein thermisch kapazitives Material enthält. Die Aerogelzusammensetzung enthält ein oder mehrere Additive, wobei die Additive in einer Menge von mindestens etwa 5 bis 20 Gew.-% der Aerogelzusammensetzung vorhanden sind. Die Additive können in einigen Ausführungsformen in einer Menge von etwa 10 bis 20 Gew.-% der Aerogelzusammensetzung vorhanden sein. In beispielhaften Ausführungsformen enthält das Wärmeregulierungselement mehrere Schichten der Aerogelzusammensetzung. In einigen Ausführungsformen ist das thermisch kapazitive Material zwischen mindestens zwei Schichten der Aerogelzusammensetzung angeordnet. Das thermisch kapazitive Material kann jedes Material mit einer spezifischen Wärmekapazität von mindestens etwa 0,3 J/(gC) sein. In einigen Ausführungsformen weist das Material, das Wärmekapazität bereitstellt, eine spezifische Wärmekapazität von mindestens etwa 0,5 J/(gC) auf. Beispielsweise kann das thermisch kapazitive Material mindestens eine Schicht enthalten, die Metall umfasst. In beispielhaften Ausführungsformen kann das mindestens eine nachgiebige Element ein komprimierbares Material enthalten, d. h. ein Material, das komprimiert werden kann, um seine Dicke zu verringern, während es einen gewünschten Kompressionswiderstand bereitstellt. Beispielsweise kann das nachgiebige Element ein Material enthalten, das aus der Gruppe bestehend aus Polyolefinen, Polyurethanen, Phenolharzen, Melamin, Zelluloseacetat und Polystyrol ausgewählt ist. Das nachgiebige Element kann neben der Aerogelzusammensetzung oder dem thermisch kapazitiven Material angeordnet sein. In einer beispielhaften Ausführungsform befindet sich das nachgiebige Element zwischen mindestens zwei Schichten der Aerogelzusammensetzung. In einigen Ausführungsformen ist das nachgiebige Element zwischen beiden Schichten der Aerogelzusammensetzung und Schichten des thermisch kapazitiven Materials angeordnet.
In einigen Ausführungsformen hat das Wärmeregulierungselement eine Wärmeleitfähigkeit von weniger als etwa 30 mW/mK oder weniger, weniger als etwa 25 mW/mK, weniger als etwa 20 mW/mK, weniger als etwa 18 mW/mK, weniger als etwa 16 mW/mK, weniger als etwa 14 mW/mK, weniger als etwa 12 mW/mK, weniger als etwa 10 mW/mK, weniger als etwa 5 mW/mK oder eine Wärmeleitfähigkeit in einem Bereich zwischen einer beliebigen Kombination der vorgenannten Wärmeleitfähigkeiten. In beispielhaften Ausführungsformen enthalten das eine oder die mehreren Additive Brandschutzadditive. In beispielhaften Ausführungsformen enthalten das eine oder die mehreren Additive Trübungsmittel. In einigen Ausführungsformen enthalten das eine oder die mehreren Additive eine Kombination aus Brandschutzadditiven und Trübungsmitteln. Beispielsweise können das eine oder die mehreren Additive ein Tonmineral, z. B. Kaolin, enthalten. Als weiteres Beispiel können das eine oder die mehreren Additive aus der Gruppe bestehend aus Borcarbid, Diatomit, Manganferrit, MnO, NiO, SnO, Ag2O, Bi2O3, Ruß, Graphit, Titanoxid, Eisentitanoxid, Aluminiumoxid, Zirkoniumsilikat, Zirkoniumoxid, Eisen(II)-oxid, Eisen(III)-oxid, Mangandioxid, Eisentitanoxid (Ilmenit), Chromoxid, Siliciumcarbid, Titancarbid, Wolframcarbid oder Mischungen davon ausgewählt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform enthalten das eine oder die mehreren Additive Siliciumcarbid.
In beispielhaften Ausführungsformen, wenn die erste Hauptaußenfläche einer Temperatur von 650 °C oder darüber ausgesetzt ist, hält das Wärmeregulierungselement einer Temperatur von 120 °C oder darunter an der zweiten Hauptfläche für mindestens etwa 1 Minute stand. In einigen Ausführungsformen, wenn die erste Hauptaußenfläche einer Temperatur von 650 °C oder darüber ausgesetzt ist, hält das Wärmeregulierungselement einer Temperatur von 75 °C oder darunter an der zweiten Hauptaußenfläche für mindestens etwa 30 Sekunden stand. In einigen Ausführungsformen, wenn die erste Hauptaußenfläche einer Temperatur von 650 °C oder darüber ausgesetzt ist, hält das Wärmeregulierungselement einer Temperatur von 150 °C oder darunter an der zweiten Hauptaußenfläche für mindestens etwa 90 Sekunden stand. In einigen Ausführungsformen, wenn die erste Hauptaußenfläche einer Temperatur von 650 °C oder darüber ausgesetzt ist, hält das Wärmeregulierungselement einer Temperatur von 150 °C oder darunter an der zweiten Hauptaußenfläche für mindestens etwa 90 Sekunden stand. In einigen Ausführungsformen, wenn die erste Hauptaußenfläche einer Temperatur von 650 °C oder darüber ausgesetzt ist, hält das Wärmeregulierungselement einer Temperatur von 170 °C oder darunter an der zweiten Hauptaußenfläche für mindestens etwa 90 Sekunden stand. In einigen Ausführungsformen, wenn die erste Hauptaußenfläche einer Temperatur von 650 °C oder darüber ausgesetzt ist, hält das Wärmeregulierungselement einer Temperatur von 180 °C oder darunter an der zweiten Hauptaußenfläche für mindestens etwa 2 Minuten und vorzugsweise mindestens etwa 4 Minuten stand.
In einer anderen Ausführungsform werden diese Wärmeprofile erreicht, wenn das Wärmeregulierungselement zusammen mit anderen Komponenten mit verschiedenen Konfigurationen und Umgebungen in die Elektrofahrzeugsysteme integriert wird. Beispielsweise kann das Wärmeregulierungselement in Systeme wie Batteriesysteme integriert werden, in denen das Wärmeregulierungselement und andere Komponenten Umgebungsdruck, -temperatur und -kompression (darunter anderen Gasen als Luft) ausgesetzt sein können.
In beispielhaften Ausführungsformen weist die Aerogelzusammensetzung eine unkomprimierte Dicke im Bereich von etwa 1 mm bis etwa 10 mm auf. Beispielsweise kann die Aerogelzusammensetzung eine unkomprimierte Dicke im Bereich von etwa 1 mm bis etwa 5 mm aufweisen. Als weiteres Beispiel kann die Aerogelzusammensetzung eine unkomprimierte Dicke von etwa 2 mm, eine unkomprimierte Dicke von etwa 3 mm oder eine unkomprimierte Dicke von etwa 4 mm aufweisen.
In bestimmten Ausführungsformen weist die Aerogelzusammensetzung eine Dichte von etwa 0,60 g/cm³ oder weniger, etwa 0,50 g/cm³ oder weniger, etwa 0,40 g/cm³ oder weniger, etwa 0,30 g/cm³ oder weniger, etwa 0,25 g/cm³ oder weniger, etwa 0,20 g/cm³ oder weniger, etwa 0,18 g/cm³ oder weniger, etwa 0,16 g/cm³ oder weniger, etwa 0,14 g/cm³ oder weniger, etwa 0,12 g/cm³ oder weniger, etwa 0,10 g/cm³ oder weniger, etwa 0,05 g/cm³ oder weniger, etwa 0,01 g/cm³ oder weniger oder in einem Bereich zwischen zwei beliebigen dieser Werte auf. In einer beispielhaften Ausführungsform weist die Aerogelzusammensetzung eine Dichte von weniger als etwa 0,3 g/cm³ auf.
In einem beispielhaften Aspekt stellt die vorliegende Offenbarung ein Batteriemodul bereit, das eine erste Batteriezelle, eine zweite Batteriezelle und ein Wärmeregulierungselement gemäß hier offenbarten Ausführungsformen enthält, das zwischen mindestens der ersten Batteriezelle und der zweiten Batteriezelle angeordnet ist.
In einem beispielhaften Aspekt stellt die vorliegende Offenbarung ein Batteriemodul oder Batteriepack bereit, das mindestens eine Batteriezelle und ein Wärmeregulierungselement gemäß hier offenbarten Ausführungsformen enthält, das auf der Batteriezelle oder auf dem Batteriemodul, z. B. auf einer Oberfläche der mindestens einen Batteriezelle oder auf einer Oberfläche des Batteriemoduls angeordnet ist. Beispielsweise hat das Batteriemodul oder Batteriepack eine Innenfläche und eine Außenfläche. In bestimmten Ausführungsformen befindet sich das Wärmeregulierungselement auf der Innenfläche des Batteriemoduls oder Batteriepacks. In bestimmten Ausführungsformen befindet sich das Wärmeregulierungselement auf einer Außenfläche des Batteriemoduls oder Batteriepacks.
In beispielhaften Ausführungsformen enthält das Wärmeregulierungselement eine Aerogelzusammensetzung. In einigen Ausführungsformen weist das Wärmeregulierungselement eine Energieabsorptionsfähigkeit im Bereich von etwa 25 J/g bis etwa 225 J/g auf.
In Ausführungsformen der hier offenbarten Aspekte kann die Aerogelzusammensetzung ein Verstärkungsmaterial enthalten. Beispielsweise enthält das Verstärkungsmaterial Fasern. Beispielsweise kann das Verstärkungsmaterial aus der Gruppe bestehend aus diskreten Fasern, gewebten Materialien, Vliesstoffen, genadelten Vliesstoffen, Watten, Floren, Matten, Filzen und Kombinationen davon ausgewählt werden. In einigen Ausführungsformen schließt das Verstärkungsmaterial ein Material mit offenzelligem makroporösem Gerüst („OCMF“) ein. Beispielsweise kann das OCMF-Material einen Schaum auf Melaminbasis oder einen Polymerschaum auf Urethanbasis einschließen. In anderen Ausführungsformen kann das Verstärkungsmaterial eine Kombination aus Fasern und OCMF-Material enthalten.
In Ausführungsformen der hier offenbarten Aspekte kann das Wärmeregulierungselement eine unkomprimierte Dicke im Bereich von etwa 2 mm bis etwa 10 mm aufweisen. Beispielsweise kann das Wärmeregulierungselement eine unkomprimierte Dicke von etwa 2 mm, etwa 3 mm, etwa 4 mm, etwa 5 mm, etwa 6 mm, etwa 7 mm, etwa 8 mm, etwa 9 mm, etwa 10 mm oder in einem Bereich zwischen beliebigen der vorstehend erwähnten Dicken aufweisen. In beispielhaften Ausführungsformen kann das Wärmeregulierungselement eine unkomprimierte Dicke im Bereich von etwa 2 mm bis etwa 7 mm aufweisen.
In einigen Ausführungsformen der hier offenbarten Aspekte kann das Wärmeregulierungselement ferner ein Einkapselungselement enthalten, das mindestens eine der ersten oder der zweiten Außenfläche bildet. Beispielsweise kann die Aerogelzusammensetzung ein Einkapselungselement enthalten. Das Einkapselungselement kann zum Beispiel eine Einkapselungsschicht oder - beschichtung enthalten, die die Aerogelzusammensetzung und/oder das Wärmeregulierungselement umgibt. Das Einkapselungselement kann mindestens eine Entlüftung enthalten, um zu ermöglichen, dass Luft in die und aus der Platte strömt, und in einigen Ausführungsformen einen Partikelfilter enthalten, um Partikelmaterial innerhalb des Einkapselungselements zu halten.
In beispielhaften Ausführungsformen ist die Aerogelzusammensetzung des Wärmeregulierungselements hydrophob. Beispielsweise weist die Aerogelzusammensetzung eine Aufnahme von flüssigem Wasser von weniger als etwa 15 Gew.-% auf.
In beispielhaften Ausführungsformen umfasst das Aerogel der Aerogelzusammensetzung anorganische, organische oder anorganisch-organische Hybridmaterialien. Beispielsweise ist die Aerogelzusammensetzung eine Silica-Aerogelzusammensetzung. In bestimmten Ausführungsformen enthält die Aerogelzusammensetzung alkyliertes Silica.
In bestimmten Ausführungsformen ist die Aerogelzusammensetzung voluminös. Für die Zwecke dieses Patents ist eine voluminöse Aerogelzusammensetzung als eine Aerogelzusammensetzung definiert, die die Eigenschaften von Masse und etwas Elastizität (mit oder ohne vollständige Wiederherstellung der Masse) zeigt. In bestimmten Ausführungsformen ist die voluminöse Aerogelzusammensetzung (i) um mindestens 50 % ihrer ursprünglichen oder unkomprimierten Dicke komprimierbar, vorzugsweise mindestens 65 % und am meisten bevorzugt mindestens 80 %, und (ii) ist ausreichend elastisch, dass sie nach dem Komprimieren wenige Sekunden auf mindestens 70 % ihrer ursprünglichen oder unkomprimierten Dicke, vorzugsweise mindestens 75 % und am meisten bevorzugt mindestens 80 % zurückkehrt.
In einigen Ausführungsformen kann das Verstärkungsmaterial eine Verstärkung enthalten, die mehrere Materialschichten enthält. Beispielsweise können die mehreren Materialschichten miteinander verbunden werden. In beispielhaften Ausführungsformen kann mindestens eine der mehreren Schichten ein erstes Material enthalten und mindestens eine andere Schicht der mehreren Schichten kann ein zweites Material enthalten. Das erste Material und das zweite Material können gleiche oder unterschiedliche Materialeigenschaften aufweisen. Beispielsweise kann das erste Material komprimierbarer sein als das zweite Material. Als weiteres Beispiel kann das erste Material geschlossene Zellen enthalten und das zweite Material kann offene Zellen enthalten.
In einigen Ausführungsformen der hier offenbarten Aspekte kann das Wärmeregulierungselement mehrere Schichten enthalten. Beispielsweise kann das Wärmeregulierungselement mindestens eine Schicht aus oder mit einem wärmeleitfähigen Material enthalten, z. B. eine Schicht mit Metall, Kohlenstoff, wärmeleitfähigem Polymer oder Kombinationen davon. Wie im Zusammenhang mit diesen Ausführungsformen verwendet, bezieht sich wärmeleitfähiges Material auf Materialien mit einer Wärmeleitfähigkeit, die größer ist als die der Aerogelzusammensetzung. In bestimmten Ausführungsformen weisen wärmeleitfähige Materialien Wärmeleitfähigkeiten auf, die mindestens etwa eine Größenordnung größer sind als die der Aerogelzusammensetzung. In einigen Ausführungsformen kann das Wärmeregulierungselement mehrere Schichten der Aerogelzusammensetzung enthalten. In bestimmten Ausführungsformen kann das Wärmeregulierungselement mindestens eine Schicht aus leitfähigem Material enthalten, die angrenzend an die Aerogelzusammensetzung angeordnet ist. In bestimmten Ausführungsformen kann das Wärmeregulierungselement mindestens eine Schicht aus leitfähigem Material enthalten, die zwischen mindestens zwei von mehreren Schichten der Aerogelzusammensetzung angeordnet ist. In einigen Ausführungsformen kann das Wärmeregulierungselement Partikel des leitfähigen Materials enthalten, die innerhalb einer Schicht des Wärmeregulierungselements angeordnet sind, z. B. innerhalb einer Schicht der Aerogelzusammensetzung.
In beispielhaften Ausführungsformen kann das Wärmeregulierungselement Materialien oder Materialschichten enthalten, die Wärmekapazität bereitstellen (d. h. ein wärmekapazitives Material), z. B. ein Material mit einer spezifischen Wärmekapazität von mindestens etwa 0,3 J/(gC). In einigen Ausführungsformen weist das Material, das Wärmekapazität bereitstellt, eine spezifische Wärmekapazität von mindestens etwa 0,5 J/(gC) auf. Beispielsweise kann das Wärmekapazität bereitstellende Material Metalle wie Aluminium, Titan, Nickel, Stahl, Eisen oder Kombinationen davon enthalten. In einigen Ausführungsformen kann das Wärmeregulierungselement eine Schicht oder Beschichtung aus dem Wärmekapazität bereitstellenden Material enthalten. In einigen Ausführungsformen kann das Wärmeregulierungselement Partikel des Wärmekapazität bereitstellenden Materials enthalten, die innerhalb einer Schicht des Wärmeregulierungselements angeordnet sind, z. B. innerhalb einer Schicht der Aerogelzusammensetzung. In bestimmten Ausführungsformen kann das Wärmeregulierungselement mindestens eine Schicht aus einem Wärmekapazität bereitstellenden Material enthalten, die angrenzend an die Aerogelzusammensetzung angeordnet ist. In bestimmten Ausführungsformen kann das Wärmeregulierungselement mindestens eine Schicht aus einem Wärmekapazität bereitstellenden Material enthalten, die zwischen mindestens zwei von mehreren Schichten der Aerogelzusammensetzung angeordnet ist. In beispielhaften Ausführungsformen kann das Wärmeregulierungselement sowohl wärmeleitfähige als auch wärmekapazitive Materialien enthalten. Beispielsweise kann das Wärmeregulierungselement ein Material enthalten, das sowohl Wärmekapazität als auch Wärmeleitfähigkeit bereitstellt, z. B. ein Metall wie Aluminium, Titan, Nickel, Stahl, Eisen oder Kombinationen davon. Als weiteres Beispiel kann das Wärmeregulierungselement ein oder mehrere unterschiedliche Materialien oder Materialschichten enthalten, die jeweils entweder Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit oder eine Kombination davon bereitstellen, z. B. eine Schicht, die Metall enthält, und eine Schicht, die wärmeleitfähiges Polymer enthält.
In einigen Ausführungsformen können Wärmeleitpasten zwischen Schichten des Wärmeregulierungselements verwendet werden, um eine gleichmäßige und konsistente Wärmeleitung zwischen solchen Schichten sicherzustellen. Wie hier verwendet, bezieht sich Wärmeleitpaste auf verschiedene Materialien, die auch als Wärmeleitpaste, Wärmeleitfett, thermisches Interface-Material (TIM), Wärmeleitgel, Wärmepaste, Thermoleitpaste und Kühlkörperpaste bekannt sind. Beispielsweise kann eine Schicht Wärmeleitpaste zwischen der Aerogelzusammensetzung und anderen Schichten angeordnet werden, wie beispielsweise zwischen der Schicht oder Schichten, die wärmeleitende oder wärmekapazitive Materialien enthalten.
In Ausführungsformen der hier offenbarten Aspekte kann die Zusammensetzung ferner mindestens eine Deckschicht enthalten, wie nachstehend ausführlicher erörtert wird. Beispielsweise kann die Deckschicht eine Schicht sein, die aus der Gruppe bestehend aus einer Polymerfolie, einer Metallfolie, einer Faserfolie und einer Gewebefolie ausgewählt ist. In beispielhaften Ausführungsformen kann die Deckschicht das leitende Material, das Material, das Wärmekapazität bereitstellt, oder eine Kombination davon enthalten. In einigen Ausführungsformen kann die Deckschicht an der Zusammensetzung angebracht werden, z. B. durch einen Klebemechanismus, ausgewählt aus den folgenden: einem Aerosolklebstoff, einem Klebstoff auf Urethanbasis, einem Acrylatklebstoff, einem Heißschmelzklebstoff, einem Epoxid, einem Kautschuk-Harzkleber; einem Polyurethan-Verbundklebstoff und Kombinationen davon. In einigen Ausführungsformen kann die Deckschicht an der Zusammensetzung durch einen nicht klebenden Mechanismus, EPA-Mechanismus, der aus der Gruppe bestehend aus: Flammkaschieren, Nähen, Versiegeln von Beuteln, Nieten, Knöpfen, Klemmen, Umhüllungen, Klammern und Kombinationen davon ausgewählt ist, angebracht werden. In einigen Ausführungsformen kann eine Kombination aus einem beliebigen der vorstehend erwähnten klebenden und nicht klebenden Mechanismen verwendet werden, um eine Deckschicht an der Zusammensetzung anzubringen. In einigen Ausführungsformen der obigen Aspekte kann das Wärmeregulierungselement ferner mindestens eine Schicht aus leitfähigem Material oder thermisch kapazitivem Material enthalten. Beispielsweise kann die mindestens eine Schicht aus leitfähigem oder thermisch kapazitivem Material Metall, Kohlenstoff, leitfähiges Polymer oder Kombinationen davon enthalten. In einigen Beispielen kann die mindestens eine Schicht aus leitfähigem Material, das Kohlenstoff umfasst, ein stark orientiertes Graphitmaterial sein, z. B. eine Folie aus pyrolytischem Graphit oder ein ähnliches Material.
In Ausführungsformen der hier offenbarten Aspekte sind das eine oder die mehreren Additive aus der Gruppe bestehend aus Borcarbid, Diatomit, Manganferrit, MnO, NiO, SnO, Ag₂O, Bi₂O₃, Ruß, Graphit, Titanoxid, Eisentitanoxid, Aluminiumoxid, Zirkonsilikat, Zirkoniumoxid, Eisen(ll)oxid, Eisen(lll)oxid, Mangandioxid, Eisentitanoxid (Ilmenit), Chromoxid, Siliciumcarbid, Titancarbid, Wolframcarbid oder Mischungen davon ausgewählt. In bestimmten Ausführungsformen können das eine oder die mehreren Additive Siliciumcarbid enthalten. In bestimmten Ausführungsformen schließen das eine oder die mehreren Additive Whisker oder Fasern aus Siliciumcarbid aus.
In einigen Ausführungsformen enthält die Aerogelzusammensetzung ferner ein oder mehrere zusätzliche Additive. Beispielsweise enthalten das eine oder die mehreren zusätzlichen Additive Brandschutzadditive. In diesen oder anderen Ausführungsformen der obigen Aspekte ist die Zusammensetzung schwer entflammbar, nicht entflammbar, schwer brennbar oder nicht brennbar. In einigen Ausführungsformen enthalten die Additive ein Tonmineral, beispielsweise Kaolin. In diesen oder anderen Ausführungsformen enthalten das eine oder die mehreren Additive eine Kombination aus Brandschutzadditiven und Trübungsmitteln.
Darüber hinaus werden Aerogelmaterialien oder -gerüste der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung mit auf Aerogelpartikeln basierenden Aufschlämmungen oder Suspensionen in die Praxis umgesetzt, die in die in verschiedenen Ausführungsformen beschriebenen Verstärkungsmaterialien infiltriert werden. Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können mit nicht-partikulären Aerogelmaterialien in die Praxis umgesetzt werden, die in situ durch Infiltrieren der Verstärkungsmaterialien mit verschiedenen Gelvorläufern in einem geeigneten Lösungsmittel und gefolgt von der Entfernung des Lösungsmittels unter Verwendung verschiedener Verfahren, einschließlich der Verwendung von überkritischen Fluiden, oder bei erhöhten Temperaturen und Umgebungsdrücken oder bei unterkritischen Drücken hergestellt werden.
In getrennten Ausführungsformen enthält die vorliegende Offenbarung ein Wärmeregulierungselement, das eine Aerogelzusammensetzung, z. B. OCMF-verstärkte oder faserverstärkte Aerogelzusammensetzung, enthält, die eines oder mehrere - oder sogar alle - der vorstehenden Merkmale und Eigenschaften umfasst, einschließlich verschiedener Kombinationen und Verfahren der Herstellung davon.
Ausführungsformen der hier offenbarten thermischen Barrieren und Aerogelzusammensetzungen sind nützlich zum Trennen, Isolieren und Schützen von Batteriezellen oder Batteriekomponenten von Batterien jeglicher Konfiguration, z. B. Pouch-Zellen, zylindrische Zellen, prismatische Zellen, sowie Packs und Module, die beliebige derartige Zellen enthalten oder einschließen. Die hier offenbarten Wärmebarrieren und Aerogelzusammensetzungen sind nützlich in Lithium-Ionen-Batterien, Festkörperbatterien und jeder anderen Energiespeichervorrichtung oder - technologie, bei der Trennung, Isolierung und Schutz notwendig sind.
Diese und andere wichtige Aufgaben, Vorteile und Merkmale der Erfindung werden im Verlauf dieser Offenbarung deutlich.
Die Erfindung umfasst dementsprechend die Konstruktionsmerkmale, die Kombination von Elementen und die Anordnung von Teilen, die in der nachstehend dargelegten Offenbarung beispielhaft dargestellt werden, und der Umfang der Erfindung wird in den Ansprüchen angegeben.
Figurenliste

1 ist ein Diagramm, das Wärmeregulierungselemente zeigt, die das Zeit-zu-Temperatur-Verhalten gemäß bestimmten hier offenbarten Ausführungsformen steuern;
2 ist ein Diagramm, das Wärmeregulierungselemente zeigt, die das Zeit-zu-Temperatur-Verhalten gemäß bestimmten hier offenbarten Ausführungsformen steuern;
3 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen Spannung und Dehnung für Wärmeregulierungselemente gemäß bestimmten hier offenbarten Ausführungsformen zeigt;
4 ist ein Diagramm, das ein Wärmeregulierungselement zeigt, welches das Zeitzu-Temperatur-Verhalten gemäß bestimmten hier offenbarten Ausführungsformen steuert;
5 ist ein beispielhaftes Wärmeregulierungselement gemäß bestimmten hier offenbarten Ausführungsformen;
6 veranschaulicht schematisch ein Wärmeregulierungselement gemäß bestimmten hier offenbarten Ausführungsformen;
7 veranschaulicht schematisch ein Wärmeregulierungselement gemäß bestimmten hier offenbarten Ausführungsformen;
8 veranschaulicht schematisch ein Wärmeregulierungselement gemäß bestimmten hier offenbarten Ausführungsformen;
9 veranschaulicht schematisch ein Wärmeregulierungselement gemäß bestimmten hier offenbarten Ausführungsformen.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
In der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil hiervon bilden und in denen bestimmte Ausführungsformen veranschaulichend gezeigt sind, anhand derer die Erfindung in die Praxis umgesetzt werden kann. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen verwendet und strukturelle Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.
Wie in dieser Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen verwendet, umfassen die Singularformen „ein“, „eine“ und „der/die/das“ Bezüge im Plural, sofern der Inhalt nicht eindeutig etwas anderes vorschreibt. Wie in dieser Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen verwendet, wird der Begriff „oder“ im Allgemeinen in seinem Sinne verwendet, einschließlich „und/oder“, sofern der Kontext nicht eindeutig etwas anderes vorschreibt.
Wie hier verwendet, bedeutet „etwa“ ungefähr oder fast und im Zusammenhang mit einem angegebenen numerischen Wert oder Bereich bedeutet es ±5 % des numerischen Wertes. In einer Ausführungsform kann der Begriff „etwa“ das traditionelle Runden nach signifikanten Stellen des numerischen Werts beinhalten. Außerdem beinhaltet der Ausdruck „etwa ‚x‘ bis ‚y‛“ „etwa ‚x‘ bis etwa ‚y‛“.
Wie hier verwendet, werden die Begriffe „Zusammensetzung“ und „Verbundstoff“ austauschbar verwendet.
Aerogele sind eine Klasse poröser Materialien mit offenen Zellen, die ein Gerüst aus miteinander verbundenen Strukturen mit einem entsprechenden Porennetz, das in das Gerüst integriert ist, und eine interstitielle Phase innerhalb des Porennetzes umfassen, die hauptsächlich aus Gasen wie Luft besteht. Aerogele sind typischerweise durch eine geringe Dichte, eine hohe Porosität, eine große Oberfläche und kleine Porengrößen gekennzeichnet. Aerogele können durch ihre physikalischen und strukturellen Eigenschaften von anderen porösen Materialien unterschieden werden.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „Aerogel“ oder „Aerogelmaterial“ auf ein Gel, das ein Gerüst aus miteinander verbundenen Strukturen umfasst, wobei ein entsprechendes Netzwerk aus miteinander verbundenen Poren in das Gerüst integriert ist und Gase wie Luft als dispergiertes interstitielles Medium enthält; und das durch die folgenden physikalischen und strukturellen Eigenschaften (gemäß Stickstoff-Porosimetrie-Tests) gekennzeichnet ist, die Aerogelen zuzuschreiben sind: (a) einen durchschnittlichen Porendurchmesser im Bereich von etwa 2 nm bis etwa 100 nm, (b) eine Porosität von mindestens 80 % oder mehr und (c) eine Oberfläche von etwa 100 m²/g oder mehr.
Aerogelmaterialien der vorliegenden Offenbarung enthalten somit beliebige Aerogele oder andere offenzellige Materialien, die die in den vorherigen Absätzen dargelegten definierenden Elemente erfüllen, einschließlich Materialien, die ansonsten als Xerogele, Kryogele, Ambigele, mikroporöse Materialien und dergleichen kategorisiert werden können.
Aerogelmaterialien können auch weiter durch zusätzliche physikalische Eigenschaften charakterisiert werden, darunter: (d) ein Porenvolumen von etwa 2,0 ml/g oder mehr, insbesondere etwa 3,0 ml/g oder mehr; (e) eine Dichte von etwa 0,50 g/cc oder weniger, insbesondere etwa 0,3 g/cc oder weniger, insbesondere etwa 0,25 g/cc oder weniger; und (f) mindestens 50 % des gesamten Porenvolumens, das Poren mit einem Porendurchmesser zwischen 2 und 50 nm umfasst (obwohl hier offenbarte Ausführungsformen Aerogelgerüste und Zusammensetzungen enthalten, die Poren mit einem Porendurchmesser von mehr als 50 nm enthalten, wie nachstehend ausführlicher erörtert wird). Die Erfüllung dieser zusätzlichen Eigenschaften ist jedoch für die Charakterisierung einer Verbindung als Aerogelmaterial nicht erforderlich.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „innovative Verarbeitungs- und Extraktionstechniken“ auf Verfahren zum Ersetzen einer flüssigen interstitiellen Phase in einem Nassgelmaterial durch ein Gas wie Luft auf eine Weise, die einen geringen Porenkollaps und eine geringe Schrumpfung der Gerüststruktur des Gels verursacht. Trocknungstechniken, wie Verdampfung bei Umgebungsdruck, führen häufig zu starken Kapillardrücken und anderen Beschränkungen des Massentransfers an der Flüssigkeits-Dampf-Grenzfläche der interstitiellen Phase, die verdampft oder entfernt wird. Die starken Kapillarkräfte, die durch das Verdampfen oder Entfernen von Flüssigkeit erzeugt werden, können eine erhebliche Porenschrumpfung und ein Gerüstkollaps innerhalb des Gelmaterials verursachen. Der Einsatz innovativer Verarbeitungs- und Extraktionstechniken während der Extraktion einer flüssigen interstitiellen Phase reduziert die negativen Auswirkungen von Kapillarkräften auf die Poren und das Gerüst eines Gels während der Flüssigkeitsextraktion (auch als Lösungsmittelentfernung oder Trocknung bezeichnet).
In bestimmten Ausführungsformen verwendet eine innovative Verarbeitungs- und Extraktionstechnik nahezu kritische oder überkritische Fluide oder nahezu kritische oder überkritische Bedingungen, um die flüssige interstitielle Phase aus einem Nassgelmaterial zu extrahieren. Dies kann erreicht werden, indem die flüssige interstitielle Phase aus dem Gel nahe oder oberhalb des kritischen Punktes der Flüssigkeit oder Mischung von Flüssigkeiten entfernt wird. Hilfslösungsmittel und Lösungsmittelaustausch können verwendet werden, um den nahezu kritischen oder überkritischen Fluidextraktionsprozess zu optimieren.
In bestimmten Ausführungsformen umfasst eine innovative Verarbeitungs- und Extraktionstechnik die Modifikation des Gelgerüsts, um die irreversiblen Wirkungen von Kapillardrücken und anderen Beschränkungen des Massentransfers an der Flüssigkeits-Dampf-Grenzfläche zu reduzieren. Diese Ausführungsform kann die Behandlung eines Gelgerüsts mit einem Hydrophobierungsmittel oder anderen Funktionalisierungsmitteln umfassen, die es einem Gelgerüst ermöglichen, irgendwelchen kollabierenden Kräften während einer Flüssigkeitsextraktion, die unterhalb des kritischen Punkts der flüssigen interstitiellen Phase durchgeführt wird, zu widerstehen oder sich davon zu erholen. Diese Ausführungsform kann auch den Einbau von funktionellen Gruppen oder Gerüstelementen umfassen, die einen ausreichend hohen Gerüstmodul bereitstellen, um kollabierenden Kräften während der Flüssigkeitsextraktion, die unterhalb des kritischen Punkts der flüssigen interstitiellen Phase durchgeführt wird, zu widerstehen oder sich davon zu erholen.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich die Begriffe „Gerüst“ oder „Gerüststruktur“ auf ein Netzwerk aus miteinander verbundenen Oligomeren, Polymeren oder Partikeln, die die feste Struktur eines Materials bilden. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich die Begriffe „Aerogelgerüst“ oder „Aerogelgerüststruktur“ auf das Netzwerk miteinander verbundener Oligomere, Polymere oder kolloidaler Partikel, die die feste Struktur eines Gels oder eines Aerogels bilden. Die Polymere oder Partikel, die die Aerogelgerüststruktur bilden, haben typischerweise einen Durchmesser von etwa 100 Angström. Gerüststrukturen der vorliegenden Offenbarung können jedoch auch Netzwerke aus miteinander verbundenen Oligomeren, Polymeren oder kolloidalen Partikeln aller Durchmessergrößen enthalten, die die feste Struktur innerhalb eines Materials wie einem Gel oder Aerogel bilden. Darüber hinaus beziehen sich die Begriffe „Silicabasiertes Aerogel“ oder „Silica-basiertes Aerogelgerüst“ auf ein Aerogelgerüst, in dem Silica mindestens 50 % (bezogen auf das Gewicht) der Oligomere, Polymere oder kolloidalen Partikel umfasst, die die feste Gerüststruktur innerhalb des Gels oder Aerogels bilden.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „Aerogelzusammensetzung“ auf jedes Verbundmaterial, das Aerogelmaterial als eine Komponente des Verbunds enthält. Beispiele für Aerogelzusammensetzungen enthalten, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, faserverstärkte Aerogel-Verbundstoffe; Aerogel-Verbundstoffe, die Zusatzelemente wie Trübungsmittel enthalten; durch offenzellige makroporöse Gerüste verstärkte Aerogel-Verbundstoffe; Aerogel-Polymer-Verbundstoffe; und Verbundmaterialien, die Aerogelpartikel, - teilchen, -körnchen, -kügelchen oder -pulver in ein festes oder halbfestes Material einarbeiten, wie beispielsweise in Verbindung mit Bindemitteln, Harzen, Zementen, Schäumen, Polymeren oder ähnlichen festen Materialien. Aerogelzusammensetzungen werden im Allgemeinen nach der Entfernung des Lösungsmittels aus verschiedenen hier offenbarten Gelmaterialien erhalten. So erhaltene Aerogelzusammensetzungen können weiter einer zusätzlichen Verarbeitung oder Behandlung unterzogen werden.
Die verschiedenen Gelmaterialien können auch einer zusätzlichen Verarbeitung oder Behandlung unterzogen werden, die auf dem Fachgebiet anderweitig bekannt oder nützlich ist, bevor sie der Lösungsmittelentfernung (oder Flüssigkeitsextraktion oder Trocknung) unterzogen werden.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „monolithisch“ auf Aerogelmaterialien, bei denen ein Großteil (bezogen auf das Gewicht) des Aerogels, das in dem Aerogelmaterial oder der Zusammensetzung enthalten ist, in Form einer einheitlichen, miteinander verbundenen Aerogel-Nanostruktur vorliegt. Monolithische Aerogelmaterialien enthalten Aerogelmaterialien, die anfänglich so gebildet werden, dass sie ein einheitliches, miteinander verbundenes Gel oder eine Aerogel-Nanostruktur aufweisen, das bzw. die jedoch anschließend gerissen, gebrochen oder in nicht-einheitliche Aerogel-Nanostrukturen segmentiert wird. Monolithische Aerogelmaterialien werden von partikulären Aerogelmaterialien unterschieden. Der Begriff „partikuläres Aerogelmaterial“ bezieht sich auf Aerogelmaterialien, bei denen ein Großteil (bezogen auf das Gewicht) des Aerogels, das in dem Aerogelmaterial enthalten ist, in Form von Partikeln, Teilchen, Körnchen, Kügelchen oder Pulvern vorliegt, die kombiniert oder zusammengepresst werden können, denen jedoch eine zusammenhängende Aerogel-Nanostruktur zwischen einzelnen Partikeln fehlt.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „Nassgel“ auf ein Gel, in dem die mobile interstitielle Phase innerhalb des Netzwerks aus miteinander verbundenen Poren hauptsächlich aus einer Flüssigkeit besteht, wie etwa einem herkömmlichen Lösungsmittel, verflüssigten Gasen wie flüssigem Kohlendioxid, oder einer Kombination davon. Aerogele erfordern typischerweise die anfängliche Herstellung eines Nassgels, gefolgt von einer innovativen Verarbeitung und Extraktion, um die mobile interstitielle Flüssigkeit im Gel durch Luft zu ersetzen. Beispiele für Nassgele beinhalten Alcogele, Hydrogele, Ketogele, Carbonogele und alle anderen dem Fachmann bekannten Nassgele, sind jedoch nicht darauf beschränkt.
Aerogelzusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung können verstärkte Aerogelzusammensetzungen umfassen. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „verstärkte Aerogelzusammensetzung“ auf Aerogelzusammensetzungen, die eine verstärkende Phase innerhalb des Aerogelmaterials umfassen, wobei die verstärkende Phase nicht Teil des Aerogelgerüsts selbst ist. Die verstärkende Phase kann ein beliebiges Material sein, das dem Aerogelmaterial erhöhte Flexibilität, Elastizität, Anpassungsfähigkeit oder strukturelle Stabilität verleiht. Beispiele bekannter Verstärkungsmaterialien beinhalten offenzellige makroporöse Gerüstverstärkungsmaterialien, geschlossenzellige makroporöse Gerüstverstärkungsmaterialien, offenzellige Membranen, wabenförmige Verstärkungsmaterialien, polymere Verstärkungsmaterialien und Faserverstärkungsmaterialien wie diskrete Fasern, gewebte Materialien, Vliesstoffe, genadelte Vliesstoffe, Watten, Flore, Matten und Filze.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezeichnet der Begriff „faserverstärkte Aerogelzusammensetzung“ eine verstärkte Aerogelzusammensetzung, die als Verstärkungsphase ein Faserverstärkungsmaterial umfasst. Beispiele für Faserverstärkungsmaterialien beinhalten diskrete Fasern, gewebte Materialien, Vliesstoffe, Faservliese, Watten, Flore, Matten, Filze oder Kombinationen davon ein, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Faserverstärkungsmaterialien können eine Reihe von Materialien umfassen, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf: Polyester, Polyolefinterephthalate, Poly(ethylen)naphthalat, Polycarbonate (Beispiele Rayon, Nylon), Baumwolle (z. B. Lycra, hergestellt von DuPont), Kohlenstoff (z. B. Graphit), Polyacrylnitrile (PAN), oxidiertes PAN, unkarbonisierte wärmebehandelte PAN (wie die von SGL Carbon hergestellten), auf Glas oder Glasfaser basierendes Material (wie S-Glas, 901-Glas, 902-Glas, 475-Glas, E-Glas), auf Silica basierende Fasern wie Quarz (z. B. Quartzel, hergestellt von Saint-Gobain), Q-Filz (hergestellt von Johns Manville), Saffil (hergestellt von Saffil), Durablanket (hergestellt von Unifrax) und andere Silicafasern, Duraback (hergestellt von Carborundum), Polyaramidfasern wie Kevlar, Nomex, Sontera (alle hergestellt von DuPont), Conex (hergestellt von Taijin), Polyolefine wie Tyvek (hergestellt von DuPont), Dyneema (hergestellt von DSM), Spectra (hergestellt von Honeywell), andere Polypropylenfasern wie Typar, Xavan (beide hergestellt von DuPont), Fluorpolymere wie PTFE mit Handelsnamen wie Teflon (hergestellt von DuPont), Goretex (hergestellt von W.L. GORE), Siliciumcarbidfasern wie Nicalon (hergestellt von COI Ceramics), Keramikfasern wie Nextel (hergestellt von 3M), Acrylpolymere, Fasern aus Wolle, Seide, Hanf, Leder, Wildleder, PBO-Zylon-Fasern (hergestellt von Tyobo), Flüssigkristallmaterial wie Vectan (hergestellt von Hoechst), Cambrelle-Faser (hergestellt von DuPont), Polyurethane, Polyamide, Holzfasern, Bor-, Aluminium-, Eisen-, Edelstahlfasern und andere Thermoplaste wie PEEK, PES, PEI, PEK, PPS. Die Faserverstärkungsmaterialien auf Glas- oder Glasfaserbasis können unter Verwendung einer oder mehrerer Techniken hergestellt werden. In bestimmten Ausführungsformen ist es wünschenswert, sie unter Verwendung eines Kardier- und Kreuzlege- oder Airlaid-Verfahrens herzustellen. In beispielhaften Ausführungsformen bieten kardierte und kreuzweise überlappte Glas- oder Faserverstärkungsmaterialien auf Glasfaserbasis bestimmte Vorteile gegenüber Airlaid-Materialien. Beispielsweise können kardierte und kreuzweise überlappende Faserverstärkungsmaterialien auf Glas- oder Glasfaserbasis eine konsistente Materialdicke für ein gegebenes Flächengewicht des Verstärkungsmaterials bereitstellen. In bestimmten zusätzlichen Ausführungsformen ist es wünschenswert, die Faserverstärkungsmaterialien weiter zu vernadeln, wobei die Notwendigkeit besteht, die Fasern in z-Richtung zu verflechten, um die mechanischen und anderen Eigenschaften in der endgültigen Aerogelzusammensetzung zu verbessern.
Verstärkte Aerogelzusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung können Aerogelzusammensetzungen umfassen, die mit offenzelligen makroporösen Gerüstmaterialien verstärkt sind. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „offenzelliges makroporöses Gerüst“ oder „OCMF“ auf ein poröses Material, das ein Gerüst aus miteinander verbundenen Strukturen mit im Wesentlichen gleichförmiger Zusammensetzung umfasst, wobei ein entsprechendes Netzwerk aus miteinander verbundenen Poren in das Gerüst integriert ist und das durch einen durchschnittlichen Porendurchmesser im Bereich von etwa 10 µm bis etwa 700 µm gekennzeichnet ist. Ein solcher durchschnittlicher Porendurchmesser kann durch bekannte Techniken gemessen werden, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf, Mikroskopie mit optischer Analyse. OCMF-Materialien der vorliegenden Offenbarung enthalten somit alle offenzelligen Materialien, die die in diesem Absatz dargelegten definierenden Elemente erfüllen, einschließlich Verbindungen, die ansonsten als Schäume, schaumartige Materialien, makroporöse Materialien und dergleichen kategorisiert werden können. OCMF-Materialien können von Materialien unterschieden werden, die ein Gerüst aus miteinander verbundenen Strukturen umfassen, die ein Hohlraumvolumen innerhalb des Gerüsts aufweisen und die keine einheitliche Zusammensetzung aufweisen, wie Ansammlungen von Fasern und Bindemitteln mit einem Hohlraumvolumen innerhalb der Fasermatrix.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „im Wesentlichen einheitliche Zusammensetzung“ auf eine Einheitlichkeit in der Zusammensetzung des genannten Materials innerhalb einer Toleranz von 10 %.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „OCMF-verstärkte Aerogelzusammensetzung“ auf eine verstärkte Aerogelzusammensetzung, die ein offenzelliges makroporöses Gerüstmaterial als Verstärkungsphase umfasst. Geeignete OCMF-Materialien zur Verwendung in der vorliegenden Offenbarung enthalten OCMF-Materialien, die aus organischen Polymermaterialien hergestellt sind, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Beispiele beinhalten OCMF-Materialien aus Polyolefinen, Polyurethanen, Phenolen, Melamin, Celluloseacetat und Polystyrol. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „organisches OCMF“ auf OCMF-Materialien mit einem Gerüst, das hauptsächlich aus organischen Polymermaterialien besteht. OCMF-Materialien aus Melamin oder Melaminderivaten sind in bestimmten Ausführungsformen ebenfalls bevorzugt. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich die Begriffe „Melamin-OCMF“ oder „Melaminbasiertes OCMF“ auf organische OCMF-Materialien mit einem Gerüst, das hauptsächlich aus polymeren Materialien besteht, die aus der Reaktion von Melamin mit einem Kondensationsmittel wie Formaldehyd stammen. Beispiele für aus Melamin oder Melaminderivaten hergestellte OCMF-Materialien zur Verwendung in der vorliegenden Offenbarung sind in den US-Patenten Nr. 8.546.457 ; 4.666.948 ; und WO 2001/094436 dargestellt. Der Begriff „anorganisches OCMF“ bezieht sich auf OCMF-Materialien mit einem Gerüst, das hauptsächlich aus anorganischen Materialien besteht. Beispiele für anorganisches OCMF schließen zementartige Materialien, Gips und Calciumsilikat ein, sind jedoch nicht darauf beschränkt.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „Schaum“ auf ein Material, das ein Gerüst aus miteinander verbundenen Polymerstrukturen mit im Wesentlichen einheitlicher Zusammensetzung umfasst, mit einem entsprechenden Netzwerk oder einer Ansammlung von Poren, die in das Gerüst integriert sind, und das durch Dispergieren eines Anteils von Gas in Form von Blasen in ein flüssiges oder Harzschaummaterial gebildet wird, sodass die Gasblasen als Poren zurückgehalten werden, wenn sich das Schaummaterial zu einer festen Struktur verfestigt. Im Allgemeinen können Schäume unter Verwendung einer breiten Vielfalt von Verfahren hergestellt werden - siehe beispielsweise US-Patente Nr. 6.147.134 , 5.889.071 , 6.187.831 und 5.229.429 . Schaummaterialien der vorliegenden Offenbarung beinhalten somit alle Materialien, die die in diesem Absatz dargelegten definierenden Elemente erfüllen, einschließlich Verbindungen, die ansonsten als OCMF-Materialien, makroporöse Materialien und dergleichen kategorisiert werden können. Schäume, wie sie in der vorliegenden Offenbarung definiert sind, können in der Art von Thermoplasten, Elastomeren und Duroplasten(Duromeren) vorliegen.
Die Poren innerhalb eines festen Gerüsts können auch als „Zellen“ bezeichnet werden. Zellen können durch Zellwände oder Membranen geteilt werden, wodurch eine Ansammlung unabhängiger geschlossener Poren innerhalb des porösen Materials entsteht. Der Begriff „geschlossene Zelle“ bezieht sich auf poröse Materialien, bei denen mindestens 50 % des Porenvolumens [im Wesentlichen] begrenzte Zellen sind, die von Membranen oder Wänden eingeschlossen sind. Zellen in einem Material können auch durch Zellöffnungen miteinander verbunden sein, wodurch ein Netzwerk miteinander verbundener offener Poren innerhalb des Materials entsteht. Der Begriff „offenzellig“ bezieht sich auf poröse Materialien, bei denen mindestens 50 % des Porenvolumens offenzellig sind. Das offenzellige Material kann ein netzartiges offenzelliges Material, ein nicht netzartiges offenzelliges Material oder eine Kombination davon umfassen. Retikulierte Materialien sind offenzellige Materialien, die durch einen Retikulationsprozess hergestellt werden, der Zellmembranen innerhalb des porösen Materials eliminiert oder durchsticht. Retikulierte Materialien haben typischerweise eine höhere Konzentration an offenen Zellen als nichtretikulierte Materialien, sind jedoch tendenziell teurer und schwieriger herzustellen. Im Allgemeinen hat kein poröses Material nur eine Art von Zellstruktur (offene Zelle oder geschlossene Zelle). Poröse Materialien können unter Verwendung einer breiten Vielfalt von Verfahren hergestellt werden, einschließlich Schaumherstellungsverfahren, die in den US-Patenten Nr. 6.147.134 , 5.889.071 , 6.187.831 , 5.229.429 , 4.454.248 und US-Patentanmeldung Nr. 2007/0213417 dargestellt sind.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich die Begriffe „Aerogel-Decke“ oder „Aerogel-Deckenzusammensetzung“ auf Aerogelzusammensetzungen, die mit einer fortlaufenden Bahn aus Verstärkungsmaterial verstärkt sind. Aerogel-Deckenzusammensetzungen können von anderen verstärkten Aerogelzusammensetzungen unterschieden werden, die mit einem nicht fortlaufenden Verstärkungsmaterial verstärkt sind, wie getrennten Agglomeraten oder Klumpen von Verstärkungsmaterialien. Aerogel-Deckenzusammensetzungen sind besonders nützlich für Anwendungen, die Flexibilität erfordern, da sie sehr anpassungsfähig sind und wie eine Decke verwendet werden können, um Oberflächen mit einfacher oder komplexer Geometrie zu bedecken, während sie auch die hervorragenden Wärmeisolationseigenschaften von Aerogelen beibehalten.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich die Begriffe „flexibel“ und „Flexibilität“ auf die Fähigkeit eines Aerogelmaterials oder einer Aerogelzusammensetzung, ohne makrostrukturelles Versagen gekrümmt oder gebogen zu werden. Aerogelzusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung können sich ohne makroskopisches Versagen um mindestens 5°, mindestens 25°, mindestens 45°, mindestens 65° oder mindestens 85° krümmen; und/oder einen Krümmungsradius von weniger als 4 Fuß, weniger als 2 Fuß, weniger als 1 Fuß, weniger als 6 Zoll, weniger als 3 Zoll, weniger als 2 Zoll, weniger als 1 Zoll oder weniger als ½ Zoll ohne makroskopisches Versagen aufweisen. Ebenso beziehen sich die Begriffe „hochflexibel“ oder „hohe Flexibilität“ auf Aerogelmaterialien oder - zusammensetzungen, die ohne makroskopisches Versagen um mindestens 90° gekrümmt werden können und/oder einen Krümmungsradius von weniger als ½ Zoll aufweisen. Darüber hinaus beziehen sich die Begriffe „klassifiziert flexibel“ und „klassifiziert als flexibel“ auf Aerogelmaterialien oder -zusammensetzungen, die gemäß ASTM C1101 (ASTM International, West Conshohocken, PA) als flexibel klassifiziert werden können.
Aerogelzusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung können flexibel, hochflexibel und/oder als flexibel klassifiziert sein. Aerogelzusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung können auch drapierbar sein. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich die Begriffe „drapierbar“ und „Drapierbarkeit“ auf die Fähigkeit eines Aerogelmaterials oder einer Aerogelzusammensetzung, um 90° oder mehr mit einem Krümmungsradius von etwa 4 Zoll oder weniger ohne makroskopisches Versagen gekrümmt oder gebogen zu werden. Aerogelmaterialien oder -zusammensetzungen gemäß bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind flexibel, sodass die Zusammensetzung nicht starr ist und auf dreidimensionale Oberflächen oder Objekte aufgebracht und angepasst oder in eine Vielzahl von Formen und Konfigurationen vorgeformt werden kann, um die Installation oder Anwendung zu vereinfachen.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich die Begriffe „Additiv“ oder „Additivelement“ auf Materialien, die einer Aerogelzusammensetzung vor, während oder nach der Herstellung des Aerogels zugesetzt werden können. Additive können hinzugefügt werden, um wünschenswerte Eigenschaften in einem Aerogel zu verändern oder zu verbessern oder um unerwünschten Eigenschaften in einem Aerogel entgegenzuwirken. Additive werden einem Aerogelmaterial typischerweise entweder vor der Gelierung einer Vorläuferflüssigkeit, während der Gelierung einem Übergangszustandsmaterial oder nach der Gelierung einem festen oder halbfesten Material zugesetzt. Beispiele für Additive beinhalten, sind jedoch nicht beschränkt auf Mikrofasern, Füllstoffe, Verstärkungsmittel, Stabilisatoren, Verdickungsmittel, elastische Verbindungen, Trübungsmittel, Färbe- oder Pigmentierungsverbindungen, strahlungsabsorbierende Verbindungen, strahlungsreflektierende Verbindungen, Brandschutzadditive, Korrosionsinhibitoren, wärmeleitfähige Komponenten, Komponenten, die Wärmekapazität bereitstellen, Phasenänderungsmaterialien, pH-Einsteller, Redox-Einsteller, HCN-Abschwächer, Abgasabschwächer, elektrisch leitfähige Verbindungen, elektrisch dielektrische Verbindungen, magnetische Verbindungen, Radarblockierungskomponenten, Härter, Anti-Schrumpfmittel und andere dem Fachmann bekannte Aerogel-Additive. In einigen Ausführungsformen können Komponenten, die Wärmekapazität bereitstellen, Materialien mit einer spezifischen Wärmekapazität von mindestens etwa 0,3 J/(gC) enthalten. In einigen Ausführungsformen weist das Material, das Wärmekapazität bereitstellt, eine spezifische Wärmekapazität von mindestens etwa 0,5 J/(gC) auf. Beispielsweise kann das Wärmekapazität bereitstellende Material Metalle wie Aluminium, Titan, Nickel, Stahl, Eisen oder Kombinationen davon enthalten. In einigen Ausführungsformen kann das Wärmeregulierungselement eine Schicht oder Beschichtung aus dem Wärmekapazität bereitstellenden Material enthalten. In einigen Ausführungsformen kann das Wärmeregulierungselement Partikel des Wärmekapazität bereitstellenden Materials enthalten, die innerhalb einer Schicht des Wärmeregulierungselements angeordnet sind. In bestimmten Ausführungsformen kann das Wärmeregulierungselement mindestens eine Schicht aus einem Wärmekapazität bereitstellenden Material enthalten, die angrenzend an die Aerogelzusammensetzung angeordnet ist. In bestimmten Ausführungsformen kann das Wärmeregulierungselement mindestens eine Schicht aus einem Wärmekapazität bereitstellenden Material enthalten, die zwischen mindestens zwei von mehreren Schichten der Aerogelzusammensetzung angeordnet ist.
In bestimmten Ausführungsformen können die hier offenbarten Aerogelzusammensetzungen, verstärkten Aerogelzusammensetzungen und Wärmeregulierungselemente während Hochtemperaturereignissen funktionieren, z. B. Wärmeschutz während Hochtemperaturereignissen bereitstellen, wie hier offenbart. Hochtemperaturereignisse sind durch einen anhaltenden Wärmefluss von mindestens etwa 25 kW/m², mindestens etwa 30 kW/m², mindestens etwa 35 kW/m² oder mindestens etwa 40 kW/m² über eine Fläche von mindestens etwa 1 cm² für mindestens 2 Sekunden gekennzeichnet. Ein Wärmefluss von etwa 40 kW/m² wurde mit dem bei typischen Bränden entstehenden Wärmefluss assoziiert (Behavior of Charring Solids under Fire-Level Heat Fluxes; Milosavljevic, I., Suuberg, EM; NISTIR 5499; September 1994). In einem speziellen Fall ist das Hochtemperaturereignis ein Wärmestrom mit einem Wärmestrom von etwa 40 kW/m über eine Fläche von mindestens etwa 10 cm² für eine Dauer von mindestens 1 Minute.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich die Begriffe „Wärmeleitfähigkeit“ und „TC“ auf eine Messung der Fähigkeit eines Materials oder einer Zusammensetzung, Wärme zwischen zwei Oberflächen auf beiden Seiten des Materials oder der Zusammensetzung mit einem Temperaturunterschied zwischen den beiden Oberflächen zu übertragen. Die Wärmeleitfähigkeit wird konkret als die pro Zeiteinheit und pro Flächeneinheit übertragene Wärmeenergie geteilt durch die Temperaturdifferenz gemessen. Sie wird typischerweise in SI-Einheiten als mW/m*K (Milliwatt pro Meter * Kelvin) aufgezeichnet. Die Wärmeleitfähigkeit eines Materials kann durch im Stand der Technik bekannte Testverfahren bestimmt werden, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf das Standardtestverfahren für stationäre Wärmeleitungseigenschaften mit dem Wärmedurchflussmesser-Gerät (ASTM C518, ASTM International, West Conshohocken, PA); ein Standardtestverfahren für stationäre Wärmeflussmessungen und Wärmeleitungseigenschaften mit einem abgeschirmten Heizplattengerät (ASTM C177, ASTM International, West Conshohocken, PA); ein Prüfverfahren für stationäre Wärmeübertragungseigenschaften von Rohrdämmstoffen (ASTM C335, ASTM International, West Conshohocken, PA); Prüfung der Wärmeleitfähigkeit von Dünnschichtheizungen (ASTM C1114, ASTM International, West Conshohocken, PA); Standardtestverfahren für Wärmeleiteigenschaften von wärmeleitenden elektrischen Isoliermaterialien (ASTM D5470, ASTM International, West Conshohocken, PA); Bestimmung des Wärmedurchlasswiderstandes nach dem Verfahren mit dem Plattengerät und dem Wärmestrommessverfahren (EN 12667, British Standards Institution, Vereinigtes Königreich); oder Bestimmung des thermischen Widerstands im stationären Zustand und verwandter Eigenschaften - Geräte mit geschützter Heizplatte (ISO 8203, Internationale Organisation für Normung, Schweiz). Aufgrund unterschiedlicher Verfahren, die möglicherweise zu unterschiedlichen Ergebnissen führen, versteht es sich, dass im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung und sofern nicht ausdrücklich anders angegeben, Wärmeleitfähigkeitsmessungen gemäß dem ASTM C518-Standard (Standardtestverfahren für stationäre Wärmeleitungseigenschaften mit dem Wärmedurchflussmesser-Gerät) bei einer Temperatur von etwa 37,5 °C bei atmosphärischem Druck in der Umgebung und unter einer Kompressionslast von etwa 2 psi durchgeführt werden. Die nach ASTM C518 berichteten Messungen korrelieren typischerweise gut mit allen Messungen, die nach EN 12667 mit jeder relevanten Anpassung der Druckbelastung durchgeführt wurden. In bestimmten Ausführungsformen weisen Aerogelmaterialien oder - zusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 40 mW/mK oder weniger, etwa 30 mW/mK oder weniger, etwa 25 mW/mK oder weniger, etwa 20 mW/mK oder weniger 18 mW/mK oder weniger, etwa 16 mW/mK oder weniger, etwa 14 mW/mK oder weniger, etwa 12 mW/mK oder weniger, etwa 10 mW/mK oder weniger, etwa 5 mW/mK oder weniger oder in einem Bereich zwischen zwei beliebigen dieser Werte auf.
Wärmeleitfähigkeitsmessungen können auch bei einer Temperatur von etwa 10 °C bei atmosphärischem Druck unter Kompression durchgeführt werden. Wärmeleitfähigkeitsmessungen bei 10 °C sind im Allgemeinen 0,5-0,7 mW/mK niedriger als entsprechende Wärmeleitfähigkeitsmessungen bei 37,5 °C. In bestimmten Ausführungsformen weisen Aerogelmaterialien oder - Zusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung eine Wärmeleitfähigkeit bei 10 °C von etwa 40 mW/mK oder weniger, etwa 30 mW/mK oder weniger, etwa 25 mW/mK oder weniger, etwa 20 mW/mK oder weniger, etwa 18 mW/mK oder weniger, etwa 16 mW/mK oder weniger, etwa 14 mW/mK oder weniger, etwa 12 mW/mK oder weniger, etwa 10 mW/mK oder weniger, etwa 5 mW/mK oder weniger oder in einem Bereich zwischen zwei beliebigen dieser Werte auf.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „Dichte“ auf eine Messung der Masse pro Volumeneinheit eines Aerogelmaterials oder einer Aerogelzusammensetzung. Der Begriff „Dichte“ bezieht sich im Allgemeinen auf die scheinbare Dichte eines Aerogelmaterials sowie auf die Schüttdichte einer Aerogelzusammensetzung. Die Dichte wird typischerweise als kg/m³ oder g/cc aufgezeichnet. Die Dichte eines Aerogelmaterials oder einer Aerogelzusammensetzung kann durch im Stand der Technik bekannte Verfahren bestimmt werden, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf, Standardprüfverfahren für die Abmessungen und Dichte vorgeformter block- und plattenartiger Wärmeisolierung (ASTM C303, ASTM International, West Conshohocken, PA); Standardprüfverfahren für die Dicke und Dichte von Decken- oder Vlieswärmeisolierungen (ASTM C167, ASTM International, West Conshohocken, PA); Bestimmung der Rohdichte von vorgeformten Rohrdämmstoffen (EN 13470, British Standards Institution, Vereinigtes Königreich); oder Bestimmung der Rohdichte von vorgeformten Rohrdämmstoffen (ISO 18098, Internationale Organisation für Normung, Schweiz). Aufgrund unterschiedlicher Verfahren, die möglicherweise zu unterschiedlichen Ergebnissen führen, versteht es sich, dass im Rahmen der vorliegenden Offenbarung Dichtemessungen gemäß dem ASTM C167-Standard (Standardprüfverfahren für die Dicke und Dichte von Decken- oder Vlieswärmeisolierungen) bei 2 psi Kompression für die Dickenmessung vorgenommen werden, sofern nicht anders angegeben. In bestimmten Ausführungsformen weisen Aerogelmaterialien oder -zusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung eine Dichte von etwa 0,60 g/cc oder weniger, etwa 0,50 g/cc oder weniger, etwa 0,40 g/cc oder weniger, etwa 0,30 g/cc oder weniger, etwa 0,25 g/cc oder weniger, etwa 0,20 g/cc oder weniger, etwa 0,18 g/cc oder weniger, etwa 0,16 g/cc oder weniger, etwa 0,14 g/cc oder weniger, etwa 0,12 g/cc oder weniger, etwa 0,10 g/cc oder weniger, etwa 0,05 g/cc oder weniger, etwa 0,01 g/cc oder weniger oder in einem Bereich zwischen zwei beliebigen dieser Werte auf.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „Hydrophobie“ auf eine Messung der Fähigkeit eines Aerogelmaterials oder einer Aerogelzusammensetzung, Wasser abzustoßen.
Die Hydrophobizität eines Aerogelmaterials oder einer Aerogelzusammensetzung kann in Bezug auf die Aufnahme von flüssigem Wasser ausgedrückt werden. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „Aufnahme von flüssigem Wasser“ auf eine Messung des Potenzials eines Aerogelmaterials oder einer Aerogelzusammensetzung, flüssiges Wasser zu absorbieren oder anderweitig zurückzuhalten. Die Aufnahme von flüssigem Wasser kann als Prozentsatz (nach Gewicht oder Volumen) von Wasser ausgedrückt werden, das von einem Aerogelmaterial oder einer Aerogelzusammensetzung absorbiert oder anderweitig zurückgehalten wird, wenn es unter bestimmten Messbedingungen flüssigem Wasser ausgesetzt wird. Die Aufnahme von flüssigem Wasser eines Aerogelmaterials oder einer Aerogelzusammensetzung kann durch im Stand der Technik bekannte Verfahren bestimmt werden, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf, Standardprüfverfahren zur Bestimmung der Eigenschaften der Wasserretention (wasserabweisenden Eigenschaften) von Glasfaserisolierungen (ASTM C1511, ASTM International, West Conshohocken, PA); Standardprüfverfahren für die Wasseraufnahme durch Eintauchen von Wärmedämmstoffen (ASTM C1763, ASTM International, West Conshohocken, PA); Wärmedämmstoffe für Bauanwendungen: Bestimmung der Wasseraufnahme bei kurzzeitigem teilweisem Eintauchen (EN 1609, British Standards Institution, Vereinigtes Königreich). Aufgrund unterschiedlicher Verfahren, die möglicherweise zu unterschiedlichen Ergebnissen führen, versteht es sich, dass im Rahmen der vorliegenden Offenbarung Messungen der Aufnahme von flüssigem Wasser gemäß dem Standard ASTM C1511 (Standardprüfverfahren zur Bestimmung der Eigenschaften der Wasserretention (wasserabweisenden Eigenschaften) von Glasfaserisolierungen), unter Umgebungsdruck und Umgebungstemperatur vorgenommen werden, sofern nicht anders angegeben. In bestimmten Ausführungsformen können Aerogelmaterialien oder -zusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung eine Aufnahme von flüssigem Wasser von etwa 50 Gew.% oder weniger, etwa 40 Gew.-% oder weniger, etwa 30 Gew.-% oder weniger, etwa 20 Gew.-% oder weniger, etwa 15 Gew.-% oder weniger, etwa 10 Gew.-% oder weniger, etwa 8 Gew.-% oder weniger, etwa 3 Gew.-% oder weniger, etwa 2 Gew.-% oder weniger, etwa 1 Gew.-% oder weniger, etwa 0,1 Gew.-% oder weniger oder in einem Bereich zwischen zwei beliebigen dieser Werte aufweisen. Ein Aerogelmaterial oder eine Aerogelzusammensetzung, das bzw. die relativ zu einem anderen Aerogelmaterial oder einer anderen Aerogelzusammensetzung eine verbesserte Aufnahme von flüssigem Wasser aufweist, weist einen geringeren Prozentsatz an Aufnahme/Retention von flüssigem Wasser im Vergleich zu den Referenz-Aerogelmaterialien oder -zusammensetzungen auf.
Die Hydrophobie eines Aerogelmaterials oder einer Aerogelzusammensetzung kann als Wasserdampfaufnahme ausgedrückt werden. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „Wasserdampfaufnahme“ auf eine Messung des Potenzials eines Aerogelmaterials oder einer Aerogelzusammensetzung, Wasserdampf zu absorbieren. Die Wasserdampfaufnahme kann als Prozent (nach Gewicht) von Wasser ausgedrückt werden, das von einem Aerogelmaterial oder einer Aerogelzusammensetzung absorbiert oder anderweitig zurückgehalten wird, wenn es unter bestimmten Messbedingungen Wasserdampf ausgesetzt wird. Die Wasserdampfaufnahme eines Aerogelmaterials oder einer Aerogelzusammensetzung kann durch im Stand der Technik bekannte Verfahren bestimmt werden, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf Standardprüfverfahren zur Bestimmung der Wasserdampfaufnahme von unbeschichteten Mineralfaserisolierungen (ASTM C1104, ASTM International, West Conshohocken, PA); Wärmedämmstoffe für Bauanwendungen: Bestimmung der langfristigen Wasseraufnahme durch Diffusion (EN 12088, British Standards Institution, Vereinigtes Königreich). Aufgrund unterschiedlicher Verfahren, die möglicherweise zu unterschiedlichen Ergebnissen führen, versteht es sich, dass im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung Messungen der Wasserdampfaufnahme gemäß dem Standard ASTM C1104 (Standardprüfverfahren zur Bestimmung der Wasserdampfaufnahme von unbeschichteten Mineralfaserisolierungen) bei 49 °C und 95 % Luftfeuchtigkeit für 24 Stunden (modifiziert von 96 Stunden gemäß der Norm ASTM C1104) unter Umgebungsdruck vorgenommen werden, sofern nicht anders angegeben. In bestimmten Ausführungsformen können Aerogelmaterialien oder - zusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung eine Wasserdampfaufnahme von etwa 50 Gew.-% oder weniger, etwa 40 Gew.-% oder weniger, etwa 30 Gew.-% oder weniger, etwa 20 Gew.-% oder weniger, etwa 15 Gew.-% oder weniger, etwa 10 Gew.% oder weniger, etwa 8 Gew.-% oder weniger, etwa 3 Gew.-% oder weniger, etwa 2 Gew.-% oder weniger, etwa 1 Gew.-% oder weniger, etwa 0,1 Gew.-% oder weniger oder in einem Bereich zwischen zwei beliebigen dieser Werte aufweisen. Ein Aerogelmaterial oder eine Aerogelzusammensetzung, das bzw. die eine verbesserte Wasserdampfaufnahme relativ zu einem anderen Aerogelmaterial oder einer anderen Aerogelzusammensetzung aufweist, wird einen geringeren Prozentsatz an Wasserdampfaufnahme/-retention im Vergleich zu den Referenz-Aerogelmaterialien oder -zusammensetzungen aufweisen.
Die Hydrophobizität eines Aerogelmaterials oder einer Aerogelzusammensetzung kann ausgedrückt werden, indem der Gleichgewichtskontaktwinkel eines Wassertropfens an der Grenzfläche mit der Oberfläche des Materials gemessen wird. Aerogelmaterialien oder -zusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung können einen Wasserkontaktwinkel von etwa 90° oder mehr, etwa 120° oder mehr, etwa 130 ° oder mehr, etwa 140° oder mehr, etwa 150° oder mehr, etwa 160° oder mehr, etwa 170° oder mehr, etwa 175° oder mehr oder in einem Bereich zwischen zwei beliebigen dieser Werte aufweisen.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich die Begriffe „Verbrennungswärme“, „HOC“ und „AHc“ auf eine Messung der Menge an Wärmeenergie, die bei der Verbrennung oder exothermen thermischen Zersetzung eines Materials oder einer Zusammensetzung freigesetzt wird. Die Verbrennungswärme wird typischerweise in Kalorien an Wärmeenergie aufgezeichnet, die pro Gramm Aerogelmaterial oder -zusammensetzung (cal/g) freigesetzt wird, oder als Megajoule an Wärmeenergie, die pro Kilogramm Material oder Zusammensetzung freigesetzt wird (MJ/kg). Die Verbrennungswärme eines Materials oder einer Zusammensetzung kann durch im Stand der Technik bekannte Verfahren bestimmt werden, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf Prüfung zum Brandverhalten von Produkten - Bestimmung der Verbrennungswärme (des Brennwerts) (EN ISO 1716, Internationale Organisation für Normung, Schweiz; EN angenommen). Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung werden Verbrennungswärmemessungen gemäß den Normen EN ISO 1716 (Prüfung zum Brandverhalten von Produkten - Bestimmung der Verbrennungswärme (des Brennwerts)) gewonnen, sofern nicht anders angegeben. In bestimmten Ausführungsformen können Aerogelzusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung eine Verbrennungswärme von etwa 750 cal/g oder weniger, etwa 717 cal/g oder weniger, etwa 700 cal/g oder weniger, etwa 650 cal/g oder weniger, etwa 600 cal/g oder weniger, etwa 575 cal/g oder weniger, etwa 550 cal/g oder weniger, etwa 500 cal/g oder weniger, etwa 450 cal/g oder weniger, etwa 400 cal/g oder weniger, etwa 350 cal/g oder weniger, etwa 300 cal/g oder weniger, etwa 250 cal/g oder weniger, etwa 200 cal/g oder weniger, etwa 150 cal/g oder weniger, etwa 100 cal/g oder weniger, etwa 50 cal/g oder weniger, etwa 25 cal/g oder weniger, etwa 10 cal/g oder weniger oder in einem Bereich zwischen zwei beliebigen dieser Werte aufweisen. Eine Aerogelzusammensetzung, die im Vergleich zu einer anderen Aerogelzusammensetzung eine verbesserte Verbrennungswärme aufweist, wird im Vergleich zu den Referenz-Aerogelzusammensetzungen einen niedrigeren Verbrennungswärmewert aufweisen. In bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung wird die HOC eines Aerogel-Verbundstoffs verbessert, indem ein Brandschutzadditiv in den Aerogel-Verbundstoff eingebracht wird.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich alle thermischen Analysen und zugehörigen Definitionen auf Messungen, die durchgeführt werden, indem bei 25 °C begonnen und mit einer Rate von 20 °C pro Minute bis zu 1000 °C in Luft bei Umgebungsdruck erhöht wird. Dementsprechend müssen alle Änderungen dieser Parameter beim Messen und Berechnen des Beginns der thermischen Zersetzung, der Temperatur der Spitzenwärmefreisetzung, der Temperatur der Spitzenwärmeabsorption und dergleichen berücksichtigt (oder unter diesen Bedingungen erneut durchgeführt) werden. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich die Begriffe „Beginn der thermischen Zersetzung“ und „T_D“ auf eine Messung der niedrigsten Temperatur der Umgebungswärme, bei der schnelle exotherme Reaktionen aus der Zersetzung von organischem Material innerhalb eines Materials oder einer Zusammensetzung auftreten. Der Beginn der thermischen Zersetzung von organischem Material innerhalb eines Materials oder einer Zusammensetzung kann unter Verwendung einer thermogravimetrischen Analyse (TGA) gemessen werden. Die TGA-Kurve eines Materials zeigt den Gewichtsverlust (%Masse) eines Materials, wenn es einem Anstieg der Umgebungstemperatur ausgesetzt wird, und zeigt somit eine thermische Zersetzung an. Der Beginn der thermischen Zersetzung eines Materials kann mit dem Schnittpunkt der folgenden Tangentenlinien der TGA-Kurve korreliert werden: einer Linie, die die Basislinie der TGA-Kurve tangiert, und einer Linie, die die TGA-Kurve am Punkt der maximalen Steigung während des schnellen exothermen Zersetzungsereignisses im Zusammenhang mit der Zersetzung von organischem Material tangiert. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung werden Messungen des Beginns der thermischen Zersetzung von organischem Material unter Verwendung der TGA-Analyse, wie in diesem Absatz bereitgestellt, gewonnen, sofern nicht anders angegeben.
Der Beginn der thermischen Zersetzung eines Materials kann auch unter Verwendung der Dynamischen Differenzkalorimetrie(DDK-)Analyse gemessen werden. Die DDK-Kurve eines Materials stellt die Wärmeenergie (mW/mg) dar, die von einem Material freigesetzt wird, wenn es einem allmählichen Anstieg der Umgebungstemperatur ausgesetzt wird. Der Beginn der thermischen Zersetzungstemperatur eines Materials kann mit dem Punkt in der DDK-Kurve korreliert werden, an dem Δ mW/mg (Änderung der Wärmeenergieabgabe) maximal ansteigt, wodurch eine exotherme Wärmeerzeugung aus dem Aerogelmaterial angezeigt wird. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung werden Messungen des Beginns der thermischen Zersetzung unter Verwendung von DDK, TGA oder beiden unter Verwendung einer Temperaturanstiegsrate von 20 °C/min, wie im vorherigen Absatz weiter definiert, erfasst, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben. DDK und TGA liefern jeweils ähnliche Werte für diesen Beginn der thermischen Zersetzung, und oft werden die Tests gleichzeitig durchgeführt, sodass Ergebnisse von beiden erhalten werden. In bestimmten Ausführungsformen weisen Aerogelmaterialien oder - zusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung einen Beginn der thermischen Zersetzung bei etwa 300 °C oder mehr, etwa 320 °C oder mehr, etwa 340 °C oder mehr, etwa 360 °C oder mehr, etwa 380 °C oder mehr, etwa 400 °C oder mehr, etwa 420 °C oder mehr, etwa 440 °C oder mehr, etwa 460 °C oder mehr, etwa 480 °C oder mehr, etwa 500 °C oder mehr, etwa 550 °C oder mehr, etwa 600 °C oder mehr oder in einem Bereich zwischen zwei beliebigen dieser Werte auf. Im vorliegenden Rahmen würde beispielsweise eine erste Zusammensetzung mit einem Beginn der thermischen Zersetzung, der höher ist als ein Beginn der thermischen Zersetzung einer zweiten Zusammensetzung, als eine Verbesserung der ersten Zusammensetzung gegenüber der zweiten Zusammensetzung angesehen. Es wird hier erwogen, dass der Beginn der thermischen Zersetzung einer Zusammensetzung oder eines Materials erhöht wird, wenn ein oder mehrere Brandschutzadditive hinzugefügt werden, verglichen mit einer Zusammensetzung, die keine Brandschutzadditive enthält.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich die Begriffe „Beginn der endothermen Zersetzung“ und „T_ED“ auf eine Messung der niedrigsten Temperatur der Umgebungswärme, bei der endotherme Reaktionen durch Zersetzung oder Dehydratisierung innerhalb eines Materials oder einer Zusammensetzung auftreten. Der Beginn der endothermen Zersetzung eines Materials oder einer Zusammensetzung kann unter Verwendung einer thermogravimetrischen Analyse (TGA) gemessen werden. Die TGA-Kurve eines Materials zeigt den Gewichtsverlust (Masse%) eines Materials, wenn es einem Anstieg der Umgebungstemperatur ausgesetzt wird. Der Beginn der thermischen Zersetzung eines Materials kann mit dem Schnittpunkt der folgenden Tangentenlinien der TGA-Kurve korreliert werden: einer Linie, die die Grundlinie der TGA-Kurve tangiert, und einer Linie, die die TGA-Kurve am Punkt der maximalen Steigung während der schnellen endothermen Zersetzung oder Dehydratisierung des Materials tangiert. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung werden Messungen des Beginns der endothermen Zersetzung eines Materials oder einer Zusammensetzung unter Verwendung der TGA-Analyse, wie in diesem Absatz bereitgestellt, gewonnen, sofern nicht anders angegeben.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich die Begriffe „Ofentemperaturanstieg“ und „ΔT_R“ auf eine Messung der Differenz zwischen einer maximalen Temperatur (T_MAX) eines Materials oder einer Zusammensetzung unter thermischen Zersetzungsbedingungen relativ zu einer Basislinientemperatur dieses Materials oder dieser Zusammensetzung unter den Bedingungen der thermischen Zersetzung (normalerweise die Endtemperatur oder T_END). Der Anstieg der Ofentemperatur wird typischerweise in Grad Celsius oder °C aufgezeichnet. Der Ofentemperaturanstieg eines Materials oder einer Zusammensetzung kann durch im Stand der Technik bekannte Verfahren bestimmt werden, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf Prüfungen zum Brandverhalten von Bau- und Transportprodukten: Nichtbrennbarkeitsprüfung (EN ISO 1182, Internationale Organisation für Normung, Schweiz; EN übernommen). Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung werden Ofentemperaturanstiegsmessungen gemäß Bedingungen gewonnen, die mit der Norm EN ISO 1182 vergleichbar sind (Prüfungen zum Brandverhalten von Bau- und Transportprodukten: Nichtbrennbarkeitsprüfung), sofern nicht anders angegeben. In bestimmten Ausführungsformen können Aerogelzusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung einen Ofentemperaturanstieg von etwa 100 °C oder weniger, etwa 90 °C oder weniger, etwa 80 °C oder weniger, etwa 70 °C oder weniger, etwa 60 °C oder weniger, etwa 50 °C oder weniger, etwa 45 °C oder weniger, etwa 40 °C oder weniger, etwa 38 °C oder weniger, etwa 36 °C oder weniger, etwa 34 °C oder weniger, etwa 32 °C oder weniger, etwa 30 °C oder weniger, etwa 28 °C oder weniger, etwa 26 °C oder weniger, etwa 24 °C oder weniger oder in einem Bereich zwischen zwei beliebigen dieser Werte aufweisen. Im Rahmen der Zusammensetzungsstabilität bei erhöhten Temperaturen würde beispielsweise eine erste Zusammensetzung mit einem Ofentemperaturanstieg, der geringer ist als ein Ofentemperaturanstieg einer zweiten Zusammensetzung, als Verbesserung der ersten Zusammensetzung gegenüber der zweiten Zusammensetzung betrachtet. Es wird hier in Betracht gezogen, dass der Ofentemperaturanstieg einer Zusammensetzung verringert wird, wenn ein oder mehrere Brandschutzadditive hinzugefügt werden, im Vergleich zu einer Zusammensetzung, die keine Brandschutzadditive enthält.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich die Begriffe „Flammzeit“ und „T_FLAMME “ auf eine Messung der anhaltenden Flamme eines Materials oder einer Zusammensetzung unter thermischen Zersetzungsbedingungen, wobei „anhaltende Flamme“ ein Fortbestehen der Flamme an einem beliebigen Teil an dem sichtbaren Teil der Probe 5 Sekunden oder länger dauert. Die Flammzeit wird typischerweise in Sekunden oder Minuten aufgezeichnet. Die Flammzeit eines Materials oder einer Zusammensetzung kann durch im Stand der Technik bekannte Verfahren bestimmt werden, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf Prüfungen zum Brandverhalten von Bau- und Transportprodukten: Nichtbrennbarkeitsprüfung (EN ISO 1182, Internationale Organisation für Normung, Schweiz; EN übernommen). Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung werden Flammzeitmessungen gemäß Bedingungen durchgeführt, die mit der Norm EN ISO 1182 vergleichbar sind (Prüfungen zum Brandverhalten von Bau- und Transportprodukten: Nichtbrennbarkeitsprüfung), sofern nicht anders angegeben. In bestimmten Ausführungsformen weisen Aerogelzusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung eine Flammzeit von etwa 30 Sekunden oder weniger, etwa 25 Sekunden oder weniger, etwa 20 Sekunden oder weniger, etwa 15 Sekunden oder weniger, etwa 10 Sekunden oder weniger, etwa 5 Sekunden oder weniger, etwa 2 Sekunden oder weniger, oder in einem Bereich zwischen zwei beliebigen dieser Werte auf. Im vorliegenden Rahmen würde beispielsweise eine erste Zusammensetzung mit einer Flammzeit, die niedriger ist als eine Flammzeit einer zweiten Zusammensetzung, als eine Verbesserung der ersten Zusammensetzung gegenüber der zweiten Zusammensetzung angesehen werden. Es wird hier in Betracht gezogen, dass die Flammzeit einer Zusammensetzung verringert wird, wenn ein oder mehrere Brandschutzadditive hinzugefügt werden, im Vergleich zu einer Zusammensetzung, die keine Brandschutzadditive enthält.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich die Begriffe „Massenverlust“ und „ΔM“ auf eine Messung der Menge eines Materials, einer Zusammensetzung oder eines Verbundstoffs, die unter thermischen Zersetzungsbedingungen verloren geht oder abgebrannt wird. Der Massenverlust wird typischerweise als Gewichtsprozent oder Gew.-% aufgezeichnet. Der Massenverlust eines Materials, einer Zusammensetzung oder eines Verbundstoffs kann durch im Stand der Technik bekannte Verfahren bestimmt werden, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf: Prüfungen zum Brandverhalten von Bau- und Transportprodukten:

Nichtbrennbarkeitsprüfung (EN ISO 1182, Internationale Organisation für Normung, Schweiz; EN übernommen). Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung werden Massenverlustmessungen gemäß Bedingungen durchgeführt, die mit der Norm EN ISO 1182 vergleichbar sind (Prüfungen zum Brandverhalten von Bau- und Transportprodukten: Nichtbrennbarkeitsprüfung), sofern nicht anders angegeben. In bestimmten Ausführungsformen können Aerogelzusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung einen Massenverlust von etwa 50 % oder weniger, etwa 40 % oder weniger, etwa 30 % oder weniger, etwa 28 % oder weniger, etwa 26 % oder weniger, etwa 24 % oder weniger, etwa 22 % oder weniger, etwa 20 % oder weniger, etwa 18 % oder weniger, etwa 16 % oder weniger oder in einem Bereich zwischen zwei beliebigen dieser Werte aufweisen. Im vorliegenden Rahmen würde beispielsweise eine erste Zusammensetzung mit einem Massenverlust, der niedriger ist als ein Massenverlust einer zweiten Zusammensetzung, als eine Verbesserung der ersten Zusammensetzung gegenüber der zweiten Zusammensetzung angesehen werden. Es wird hier in Betracht gezogen, dass der Massenverlust einer Zusammensetzung verringert wird, wenn ein oder mehrere Brandschutzadditive hinzugefügt werden, im Vergleich zu einer Zusammensetzung, die keine Brandschutzadditive enthält.

Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „Temperatur der Spitzenwärmefreisetzung“ auf eine Messung der Temperatur der Umgebungswärme, bei der die exotherme Wärmefreisetzung aus der Zersetzung maximal ist. Die Temperatur der Spitzenwärmefreisetzung eines Materials oder einer Zusammensetzung kann unter Verwendung der TGA-Analyse, dynamischen Differenzkalorimetrie (DDK) oder einer Kombination davon gemessen werden. DDK und TGA würden jeweils ähnliche Werte für die Temperatur der Spitzenwärmefreisetzung liefern, und häufig werden die Tests gleichzeitig durchgeführt, sodass Ergebnisse von beiden erhalten werden. Bei einer typischen DDK-Analyse wird der Wärmestrom gegen die ansteigende Temperatur aufgetragen, und die Temperatur der Spitzenwärmefreisetzung ist die Temperatur, bei der die höchste Spitze in einer solchen Kurve auftritt. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung werden Messungen der Temperatur der Spitzenwärmefreisetzung eines Materials oder einer Zusammensetzung unter Verwendung einer TGA-Analyse, wie in diesem Absatz bereitgestellt, gewonnen, sofern nicht anders angegeben.
Im Zusammenhang mit einem endothermen Material beziehen sich die Begriffe „Temperatur der Spitzenwärmeabsorption“ auf eine Messung der Temperatur der Umgebungswärme, bei der die endotherme Wärmeabsorption aus der Zersetzung minimal ist. Die Temperatur der Spitzenwärmeabsorption eines Materials oder einer Zusammensetzung kann unter Verwendung der TGA-Analyse, dynamischen Differenzkalorimetrie (DDK) oder einer Kombination davon gemessen werden. Bei einer typischen DDK-Analyse wird der Wärmestrom gegen die ansteigende Temperatur aufgetragen, und die Temperatur der Spitzenwärmeabsorption ist die Temperatur, bei der die niedrigste Spitze in einer solchen Kurve auftritt. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung werden Messungen der Temperatur der Spitzenwärmeabsorption eines Materials oder einer Zusammensetzung unter Verwendung einer TGA-Analyse, wie in diesem Absatz bereitgestellt, gewonnen, sofern nicht anders angegeben.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich die Begriffe „Schwerentflammbarkeit“ und „schwer entflammbar“ auf ein Material oder eine Zusammensetzung, die die folgende Kombination von Eigenschaften erfüllen: i) einen Ofentemperaturanstieg von 50 °C oder weniger; ii) eine Flammzeit von 20 Sekunden oder weniger; und iii) einen Massenverlust von 50 Gew.-% oder weniger. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich die Begriffe „Nichtentflammbarkeit“ und „nicht entflammbar“ auf ein Material oder eine Zusammensetzung, die die folgende Kombination von Eigenschaften erfüllen: i) einen Ofentemperaturanstieg von 40 °C oder weniger; ii) eine Flammzeit von 2 Sekunden oder weniger; und iii) einen Massenverlust von 30 Gew.-% oder weniger. Es wird in Betracht gezogen, dass die Entflammbarkeit (z. B. Kombination aus Ofentemperaturanstieg, Flammzeit und Massenverlust) einer Zusammensetzung bei Einschluss eines oder mehrerer Brandschutzadditive, wie hier beschrieben, verringert wird.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich die Begriffe „Schwerbrennbarkeit“ und „schwer brennbar“ auf ein schwer entflammbares Material oder eine schwer entflammbare Zusammensetzung, die eine Gesamtverbrennungswärme (HOC) von weniger als oder gleich 3 MJ/kg aufweist. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich die Begriffe „Nichtbrennbarkeit“ und „nicht brennbar“ auf ein nicht brennbares Material oder eine nicht brennbare Zusammensetzung, die eine Verbrennungswärme (HOC) von weniger als oder gleich 2 MJ/kg aufweist. Es wird in Betracht gezogen, dass die HOC einer Zusammensetzung durch den Einschluss von einem oder mehreren Brandschutzadditiven, wie hier beschrieben, reduziert wird.
Aerogele werden als Gerüst aus miteinander verbundenen Strukturen beschrieben, die am häufigsten aus miteinander verbundenen Oligomeren, Polymeren oder kolloidalen Partikeln bestehen. Ein Aerogelgerüst kann aus einer Reihe von Vorläufermaterialien hergestellt werden, einschließlich anorganischer Vorläufermaterialien (wie z. B. Vorläufern, die bei der Herstellung von Aerogelen auf Silicabasis verwendet werden); organischer Vorläufermaterialien (solcher Vorläufer, die bei der Herstellung von Aerogelen auf Kohlenstoffbasis verwendet werden); hybrider anorganischer/organischer Vorläufermaterialien; und Kombinationen davon. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „Amalgam-Aerogel“ auf ein Aerogel, das aus einer Kombination von zwei oder mehr unterschiedlichen Gelvorläufern hergestellt ist; die entsprechenden Vorstufen werden als „Amalgamvorstufen“ bezeichnet.
Anorganische Aerogele werden im Allgemeinen aus Metalloxid- oder Metallalkoxidmaterialien gebildet. Die Metalloxid- oder Metallalkoxidmaterialien können auf Oxiden oder Alkoxiden eines beliebigen Metalls basieren, das Oxide bilden kann. Solche Metalle schließen Silicium, Aluminium, Titan, Zirkonium, Hafnium, Yttrium, Vanadium, Cer und dergleichen ein, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Anorganische Silica-Aerogele werden traditionell durch Hydrolyse und Kondensation von Alkoxiden auf Silicabasis (wie Tetraethoxysilan) oder durch Gelierung von Kieselsäure oder Wasserglas hergestellt. Andere relevante anorganische Vorläufermaterialien für die Aerogelsynthese auf Silicabasis beinhalten, sind jedoch nicht beschränkt auf Metallsilikate wie Natriumsilikat oder Kaliumsilikat, Alkoxysilane, teilweise hydrolysierte Alkoxysilane, Tetraethoxysilan (TEOS), teilweise hydrolysiertes TEOS, kondensierte Polymere von TEOS, Tetramethoxysilan (TMOS), teilhydrolysiertes TMOS, kondensierte Polymere von TMOS, Tetra-n-propoxysilan, teilhydrolysierte und/oder kondensierte Polymere von Tetra-n-propoxysilan, Polyethylsilikate, teilhydrolysierte Polyethylsilikate, monomere Alkylalkoxysilane, Bistrialkoxyalkyl- oder Arylsilane, polyhedrale Silsesquioxane oder Kombinationen davon.
In bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann vorhydrolysiertes TEOS wie etwa Silbond H-5 (SBH5, Silbond Corp), das mit einem Wasser/Kieselsäure-Verhältnis von etwa 1,9-2 hydrolysiert wird, wie im Handel erhältlich verwendet werden oder wird vor der Einarbeitung in das Gelierverfahren weiter hydrolysiert. Teilweise hydrolysiertes TEOS oder TMOS, wie etwa Polyethylsilikat (Silbond 40) oder Polymethylsilikat, kann ebenfalls wie im Handel erhältlich verwendet werden oder kann vor dem Einbringen in das Gelierverfahren weiter hydrolysiert werden.
Anorganische Aerogele können auch Gelvorläufer enthalten, die mindestens eine hydrophobe Gruppe umfassen, wie Alkylmetallalkoxide, Cycloalkylmetallalkoxide und Arylmetallalkoxide, die dem Gel bestimmte Eigenschaften wie Stabilität und Hydrophobie verleihen oder verbessern können. Anorganische Silica-Aerogele können insbesondere hydrophobe Vorläufer wie Alkylsilane oder Arylsilane enthalten. Hydrophobe Gelvorläufer können als primäre Vorläufermaterialien verwendet werden, um das Gerüst eines Gelmaterials zu bilden. Hydrophobe Gelvorläufer werden jedoch häufiger als Co-Vorläufer in Kombination mit einfachen Metallalkoxiden bei der Bildung von Amalgam-Aerogelen verwendet. Hydrophobe anorganische Vorläufermaterialien für die Aerogelsynthese auf Silicabasis beinhalten, sind jedoch nicht beschränkt auf Trimethylmethoxysilan (TMS), Dimethyldimethoxysilan (DMS), Methyltrimethoxysilan (MTMS), Trimethylethoxysilan, Dimethyldiethoxysilan (DMDS), Methyltriethoxysilan (MTES), Ethyltriethoxysilan (ETES), Diethyldiethoxysilan, Dimethyldiethoxysilan (DMDES), Ethyltriethoxysilan, Propyltrimethoxysilan, Propyltriethoxysilan, Phenyltrimethoxysilan, Phenyltriethoxysilan (PhTES), Hexamethyldisilazan und Hexaethyldisilazan und dergleichen. Beliebige Derivate von jedem der obigen Vorläufer können verwendet werden und insbesondere können bestimmte polymere oder andere chemische Gruppen zu einem oder mehreren der obigen Vorläufer hinzugefügt oder damit vernetzt werden.
Aerogele können auch behandelt werden, um Hydrophobizität zu verleihen oder zu verbessern. Eine hydrophobierende Behandlung kann auf eine Sol-Gel-Lösung, ein Nassgel vor der Flüssigkeitsextraktion oder auf ein Aerogel nach der Flüssigkeitsextraktion angewendet werden. Die hydrophobierende Behandlung ist besonders üblich bei der Herstellung von Metalloxid-Aerogelen wie Silica-Aerogelen. Ein Beispiel für eine hydrophobierende Behandlung eines Gels wird nachstehend ausführlicher erläutert, insbesondere im Zusammenhang mit der Behandlung eines Silica-Nassgels. Die hier bereitgestellten spezifischen Beispiele und Veranschaulichungen sollen jedoch den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht auf eine bestimmte Art von hydrophobem Behandlungsverfahren oder Aerogel-Substrat beschränken. Die vorliegende Offenbarung kann jedes dem Fachmann bekannte Gel oder Aerogel sowie damit verbundene Verfahren zur hydrophobierenden Behandlung der Aerogele entweder in Nassgelform oder in getrockneter Aerogelform beinhalten.
Die hydrophobierende Behandlung wird durch Umsetzen einer Hydroxygruppe auf einem Gel, wie einer Silanolgruppe (Si-OH), die auf einem Gerüst eines Kieselgels vorhanden ist, mit einer funktionellen Gruppe eines Hydrophobierungsmittels durchgeführt. Die resultierende Reaktion wandelt die Silanolgruppe und das Hydrophobierungsmittel in eine hydrophobe Gruppe am Gerüst des Kieselgels um. Die Verbindung des Hydrophobierungsmittels kann gemäß der folgenden Reaktion mit Hydroxylgruppen auf dem Gel reagieren: R_NMX_4-N (Hydrophobierungsmittel) + MOH (Silanol) →MOMR_N (hydrophobe Gruppe) + HX. Die Hydrophobierung kann sowohl auf der äußeren Makrooberfläche eines Kieselgels als auch auf den inneren Porenoberflächen innerhalb des porösen Netzwerks eines Gels stattfinden.
Ein Gel kann in eine Mischung aus einem Hydrophobierungsmittel und einem optionalen Hydrophobierungslösungsmittel eingetaucht werden, in dem das Hydrophobierungsmittel löslich ist und das auch mit dem Gellösungsmittel in dem Nassgel mischbar ist. Eine breite Palette von Lösungsmitteln zur Hydrophobierung kann verwendet werden, einschließlich Lösungsmittel wie Methanol, Ethanol, Isopropanol, Xylol, Toluol, Benzol, Dimethylformamid und Hexan. Hydrophobierungsmittel in flüssiger oder gasförmiger Form können auch direkt mit dem Gel in Kontakt gebracht werden, um ihm Hydrophobizität zu verleihen.
Das Verfahren zur hydrophobierenden Behandlung kann Mischen oder Rühren beinhalten, um das Hydrophobierungsmittel beim Durchdringen des Nassgels zu unterstützen. Das Verfahren zur hydrophobierenden Behandlung kann auch das Variieren anderer Bedingungen wie Temperatur und pH beinhalten, um die Behandlungsreaktionen weiter zu verbessern und zu optimieren. Nachdem die Reaktion abgeschlossen ist, wird das Nassgel gewaschen, um nicht umgesetzte Verbindungen und Reaktionsnebenprodukte zu entfernen.
Hydrophobierungsmittel zur Hydrophobierung eines Aerogels sind im Allgemeinen Verbindungen der Formel: R_NMX_4-N; wobei M das Metall ist; R eine hydrophobe Gruppe wie CH₃ ist. CH₂CH₃, C₆H₆ oder ähnliche hydrophobe Alkyl-, Cycloalkyl- oder Aryleinheiten; und X ein Halogen, üblicherweise CI, ist. Spezifische Beispiele für Hydrophobierungsmittel beinhalten Trimethylchlorsilan (TMCS), Triethylchlorsilan (TECS), Triphenylchlorsilan (TPCS), Dimethylchlorsilan (DMCS), Dimethyldichlorsilan (DMDCS) und dergleichen, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Hydrophobierungsmittel können auch die folgende Formel aufweisen: Y(R₃M)₂; wobei M ein Metall ist; Y eine Brückengruppe wie NH oder O ist; und R eine hydrophobe Gruppe wie CH₃, CH₂CH₃, C₆H₆ oder ähnliche hydrophobe Alkyl-, Cycloalkyl- oder Aryleinheiten ist. Spezifische Beispiele für solche Hydrophobierungsmittel beinhalten Hexamethyldisilazan[HMDZ] und Hexamethyldisiloxan [HMDSO], sind jedoch nicht darauf beschränkt. Hydrophobierungsmittel können ferner Verbindungen der folgenden Formel enthalten: R_NMV_4-N, wobei V eine von Halogen verschiedene reaktive oder Abgangsgruppe ist. Spezifische Beispiele für solche Hydrophobierungsmittel beinhalten Vinyltriethoxysilan und Vinyltrimethoxysilan, sind jedoch nicht darauf beschränkt.
Hydrophobe Behandlungen der vorliegenden Offenbarung können auch während des Entfernens, Austauschens oder Trocknens von Flüssigkeit in dem Gel durchgeführt werden. In einer speziellen Ausführungsform kann die hydrophobierende Behandlung in einer überkritischen Fluidumgebung (wie beispielsweise, jedoch nicht beschränkt auf, überkritisches Kohlendioxid) durchgeführt werden und kann mit dem Trocknungs- oder Extraktionsschritt kombiniert werden.
Der Begriff „hydrophob gebundenes Silicium“ bezeichnet im Rahmen der vorliegenden Offenbarung ein Siliciumatom im Rahmen eines Gels oder Aerogels, das mindestens eine kovalent an das Siliciumatom gebundene hydrophobe Gruppe umfasst. Beispiele für hydrophob gebundenes Silicium beinhalten Siliciumatome in Siliciumdioxidgruppen innerhalb des Gelgerüsts, die aus Gelvorläufern gebildet werden, die mindestens eine hydrophobe Gruppe (wie MTES oder DMDS) umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Hydrophob gebundenes Silicium kann auch Siliciumatome im Gelgerüst oder auf der Oberfläche des Gels enthalten, die mit einem Hydrophobierungsmittel (wie HMDZ) behandelt werden, um Hydrophobizität zu verleihen oder zu verbessern, indem zusätzliche hydrophobe Gruppen in die Zusammensetzung eingebaut werden, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Hydrophobe Gruppen der vorliegenden Offenbarung enthalten Methylgruppen, Ethylgruppen, Propylgruppen, Isopropylgruppen, Butylgruppen, Isobutylgruppen, tert-Butylgruppen, Octylgruppen, Phenylgruppen oder andere dem Fachmann bekannte substituierte oder unsubstituierte hydrophobe organische Gruppen, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung schließen die Begriffe „hydrophobe Gruppe“, „hydrophobes organisches Material“ und „hydrophober organischer Anteil“ ausdrücklich leicht hydrolysierbare organische siliciumgebundene Alkoxygruppen am Gerüst des Gelmaterials aus, die das Produkt von Reaktionen zwischen organischen Lösungsmitteln und Silanolgruppen sind. Solche ausgeschlossenen Gruppen sind vom hydrophoben organischen Gehalt davon durch NMR-Analyse unterscheidbar. Die Menge an hydrophob gebundenem Silicium, die in einem Aerogel enthalten ist, kann unter Verwendung von NMR-Spektroskopie, wie z. B. CP/MAS²⁹Si-Festkörper-NMR, analysiert werden. Eine NMR-Analyse eines Aerogels ermöglicht die Charakterisierung und relative Quantifizierung von hydrophob gebundenem Silicium vom M-Typ (monofunktionelles Siliciumdioxid wie TMS-Derivate); hydrophob gebundenes Silicium vom D-Typ (bifunktionelles Siliciumdioxid wie DMDS-Derivate); hydrophob gebundenes Silicium vom T-Typ (trifunktionelles Siliciumdioxid wie MTES-Derivate); und Silicium vom Q-Typ (quadfunktionales Siliciumdioxid wie etwa TEOS-Derivate). Die NMR-Analyse kann auch verwendet werden, um die Bindungschemie von hydrophob gebundenem Silicium, das in einem Aerogel enthalten ist, zu analysieren, indem eine Kategorisierung bestimmter Arten von hydrophob gebundenem Silicium in Untertypen ermöglicht wird (wie die Kategorisierung von hydrophob gebundenem Silicium vom T-Typ in T¹-Spezies, T²-Spezies und T³-Spezies). Spezifische Details in Bezug auf die NMR-Analyse von Silicamaterialien finden sich im Artikel „Applications of Solid-State NMR to the Study of Organic/Inorganic Multicomponent Materials“ von Geppi et al., insbesondere Seiten 7-9 (Appl. Spec. Rev. (2008), 44-1:1-89), auf die hiermit entsprechend den konkret zitierten Seiten Bezug genommen wird.
Die Charakterisierung von hydrophob gebundenem Silicium in einer CP/MAS²⁹-Si-NMR-Analyse kann auf folgenden Peaks der chemischen Verschiebung basieren: M¹ (30 bis 10 ppm); D¹ (10 bis -10 ppm), D² (-10 bis -20 ppm); T¹ (-30 bis -40 ppm), T² (-40 bis -50 ppm), T³ (-50 bis -70 ppm); Q² (-70 bis -85 ppm), Q³ (-85 bis -95 ppm), Q⁴ (-95 bis -110 ppm). Diese Peaks der chemischen Verschiebung sind ungefähr und beispielhaft und sollen nicht einschränkend oder endgültig sein. Die genauen Peaks der chemischen Verschiebung, die den verschiedenen Siliciumspezies innerhalb eines Materials zuzuschreiben sind, können von den spezifischen chemischen Komponenten des Materials abhängen und können im Allgemeinen durch Routineexperimente und Analysen von Fachleuten entschlüsselt werden.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „hydrophober organischer Gehalt“ oder „hydrophober Gehalt“ auf die Menge an hydrophobem organischem Material, das in einem Aerogelmaterial oder einer Aerogelzusammensetzung an das Gerüst gebunden ist. Der hydrophobe organische Gehalt eines Aerogelmaterials oder einer Aerogelzusammensetzung kann als Gewichtsprozentsatz der Menge an hydrophobem organischem Material auf dem Aerogelgerüst relativ zu der Gesamtmenge an Material in dem Aerogelmaterial oder der Aerogelzusammensetzung ausgedrückt werden. Der Gehalt an hydrophoben organischen Stoffen kann vom Durchschnittsfachmann auf der Grundlage der Natur und der relativen Konzentrationen der Materialien berechnet werden, die bei der Herstellung des Aerogelmaterials oder der Aerogelzusammensetzung verwendet werden. Der Gehalt an hydrophoben organischen Stoffen kann auch unter Verwendung einer thermogravimetrischen Analyse (TGA) der betreffenden Materialien gemessen werden, vorzugsweise in einer Sauerstoffatmosphäre (obwohl TGA in alternativen Gasumgebungen ebenfalls nützlich ist). Insbesondere kann der Prozentsatz an hydrophobem organischem Material in einem Aerogel mit dem Prozentsatz an Gewichtsverlust in einem hydrophoben Aerogelmaterial oder einer hydrophoben Aerogelzusammensetzung korreliert werden, wenn sie während einer TGA-Analyse Temperaturen von Verbrennungswärme ausgesetzt werden, wobei Anpassungen für den Feuchtigkeitsverlust, Verlust von Restlöseungsittel und der Verlust leicht hydrolysierbarer Alkoxygruppen bei der TGA-Analyse vorgenommen werden. Andere alternative Techniken wie dynamische Differenzialkalorimetrie, Elementaranalyse (insbesondere Kohlenstoff), chromatographische Techniken, kernmagnetische Resonanzspektren und andere dem Fachmann bekannte analytische Techniken können verwendet werden, um den hydrophoben Gehalt in den Aerogelzusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung zu messen und zu ermitteln. In bestimmten Fällen kann eine Kombination der bekannten Techniken nützlich oder notwendig sein, um den hydrophoben Gehalt der Aerogelzusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung zu ermitteln.
Aerogelmaterialien oder -zusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung können einen hydrophoben organischen Gehalt von 50 Gew.-% oder weniger, 40 Gew.-% oder weniger, 30 Gew.-% oder weniger, 25 Gew.-% oder weniger, 20 Gew.-% oder weniger, 15 Gew.-% oder weniger, 10 Gew.-% oder weniger, 8 Gew.-% oder weniger, 6 Gew.% oder weniger, 5 Gew.-% oder weniger, 4 Gew.-% oder weniger, 3 Gew.-% oder weniger, 2 Gew.-% oder weniger, 1 Gew.-% oder weniger oder in einem Bereich zwischen zwei beliebigen dieser Werte aufweisen.
Der Begriff „Brennstoffgehalt“ bezieht sich auf die Gesamtmenge an brennbarem Material in einem Aerogelmaterial oder einer Aerogelzusammensetzung, die mit dem Gesamtprozentsatz des Gewichtsverlusts in einem Aerogelmaterial oder einer Aerogelzusammensetzung korreliert werden kann, wenn es bzw. sie während einer TGA- oder TG-DDK-Analyse Verbrennungswärmetemperaturen ausgesetzt wird, wobei Anpassungen für den Feuchtigkeitsverlust vorgenommen werden. Der Brennstoffgehalt eines Aerogelmaterials oder einer Aerogelzusammensetzung kann einen hydrophoben organischen Gehalt sowie andere brennbare restliche alkoholische Lösungsmittel, Füllmaterialien, Verstärkungsmaterialien und leicht hydrolysierbare Alkoxygruppen beinhalten.
Organische Aerogele werden im Allgemeinen aus Polymervorläufern auf Kohlenstoffbasis gebildet. Solche polymeren Materialien enthalten Resorcin-Formaldehyde (RF), Polyimid, Polyacrylat, Polymethylmethacrylat, Acrylatoligomere, Polyoxyalkylen, Polyurethan, Polyphenol, Polybutadien, Trialkoxysilyl-terminiertes Polydimethylsiloxan, Polystyrol, Polyacrylnitril, Polyfurfural, Melamin-Formaldehyd, Cresol, Formaldehyd, Phenolfurfural, Polyether, Polyol, Polyisocyanat, Polyhydroxybenzol, Polyvinylalkoholdialdehyd, Polycyanurate, Polyacrylamide, verschiedene Epoxide, Agar, Agarose, Chitosan und Kombinationen davon, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Beispielsweise werden organische RF-Aerogele typischerweise durch die Sol-Gel-Polymerisation von Resorcin oder Melamin mit Formaldehyd unter alkalischen Bedingungen hergestellt.
Organische/anorganische Hybrid-Aerogele bestehen hauptsächlich aus (organisch modifizierten Silica(„Ormosil“)-Aerogelen. Diese Ormosil-Materialien enthalten organische Komponenten, die kovalent an ein Silica-Netzwerk gebunden sind. Ormosile werden typischerweise durch die Hydrolyse und Kondensation von organisch modifizierten Silanen, R--Si(OX)₃, mit herkömmlichen Alkoxidvorläufern, Y(OX)₄, gebildet. In diesen Formeln kann X beispielsweise CH₃, C₂H₅, C₃H₇, C₄H₉ darstellen; Y kann beispielsweise Si, Ti, Zr oder Al darstellen; und R kann ein beliebiges organisches Fragment wie Methyl, Ethyl, Propyl, Butyl, Isopropyl, Methacrylat, Acrylat, Vinyl, Epoxid und dergleichen sein. Die organischen Komponenten in Ormosil-Aerogel können auch im Silica-Netzwerk dispergiert oder chemisch an das Silica-Netzwerk gebunden sein.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung umfasst der Begriff „Ormosil“ die vorstehenden Materialien sowie andere organisch modifizierte Materialien, die manchmal als „Ormocere“ bezeichnet werden. Ormosile werden häufig als Beschichtungen verwendet, bei denen ein Ormosilfilm beispielsweise durch das Sol-Gel-Verfahren über ein Substratmaterial gegossen wird. Beispiele für andere organisch-anorganische Hybrid-Aerogele der Offenbarung beinhalten Silica-Polyether, Silica-PMMA, Silica-Chitosan, Carbide, Nitride und andere Kombinationen der zuvor erwähnten organischen und anorganischen aerogelbildenden Verbindungen, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Die veröffentlichte US-Patentanmeldung 20050192367 (Absätze [0022]-[0038] und [0044]-[0058]) enthält Lehren solcher hybriden organisch-anorganischen Materialien und wird hiermit durch Bezugnahme gemäß den einzeln zitierten Abschnitten und Absätzen eingeschlossen.
In bestimmten Ausführungsformen sind die Aerogele der vorliegenden Offenbarung anorganische Silica-Aerogele, die hauptsächlich aus vorpolymerisierten Silica-Vorläufern gebildet werden, vorzugsweise als Oligomere, oder hydrolysierte Silikatester, die aus Siliciumalkoxiden in einem Alkohollösungsmittel gebildet werden. In bestimmten Ausführungsformen können solche vorpolymerisierten Silicavorläufer oder hydrolysierten Silikatester in situ aus anderen Vorläufern oder Silikatestern wie Alkoxysilanen oder Wasserglas gebildet werden. Die Offenbarung als Ganzes kann jedoch mit beliebigen anderen Aerogelzusammensetzungen, die Fachleuten bekannt sind, in der Praxis umgesetzt werden, und ist nicht auf irgendein Vorläufermaterial oder Amalgamgemisch von Vorläufermaterialien beschränkt.
Wie oben erörtert, stellen Aerogelzusammensetzungen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung günstige Eigenschaften für Kompressibilität, Kompressionselastizität und Nachgiebigkeit bereit. Bei Verwendung als Separator zwischen Zellen innerhalb eines Batteriemoduls können unter Verwendung von Aerogelzusammensetzungen gebildete Wärmedämmfolien Widerstand gegen Druckverformung bieten, um die Ausdehnung von Zellen aufgrund des Abbaus und Quellens aktiver Materialien während Lade-/Entladezyklen für die Batterie aufzunehmen. Während des anfänglichen Zusammenbaus eines Batteriemoduls wird typischerweise eine relativ geringe Belastung von 1 MPa oder weniger auf die Zellseparatormaterialien ausgeübt, z. B. die hier offenbarten verstärkten Aerogelzusammensetzungen. Wenn sich die Zellen innerhalb eines Batteriemoduls während Lade-/Entladezyklen ausdehnen oder anschwellen, kann eine Last von bis zu etwa 5 MPa auf die Zellseparatormaterialien aufgebracht werden, z. B. die hier offenbarten verstärkten Aerogelzusammensetzungen. Dementsprechend sind Kompressibilität, Kompressionselastizität und Nachgiebigkeit der Zellseparatormaterialien wichtige Eigenschaften.
In einem beispielhaften Aspekt stellt die vorliegende Offenbarung ein Wärmeregulierungselement bereit, das eine Aerogelzusammensetzung umfasst, wobei das Wärmeregulierungselement eine Kompressibilität von weniger als etwa 25 % bei etwa 25 kPa aufweist. Gegebenenfalls kann das Wärmeregulierungselement nach Druckentlastung ausreichend elastisch sein, um auf mindestens etwa 80 %, 75 %, 65 %, 60 % oder 50 % seiner ursprünglichen Dicke zurückzukehren. In einigen Ausführungsformen weist das Wärmeregulierungselement eine Kompressibilität von weniger als etwa 25 % in einem Bereich von etwa 25 kPa bis etwa 35 kPa und vorzugsweise eine Kompressibilität von weniger als etwa 50 % bei etwa 50 kPa auf. In einigen Ausführungsformen weist das Wärmeregulierungselement eine Kompressibilität im Bereich von etwa 25 % bis etwa 50 % bei etwa 50 kPa auf. In beispielhaften Ausführungsformen weist das Wärmeregulierungselement eine Kompressibilität von weniger als etwa 80 % bei etwa 245 kPa auf, z. B. weniger als etwa 70 % bei etwa 235 kPa. In beispielhaften Ausführungsformen weist das Wärmeregulierungselement eine Kompressibilität von weniger als etwa 70 % bei etwa 345 kPa auf. Die Wärmeleitfähigkeit des Wärmeregulierungselements, das eine verstärkte Aerogelzusammensetzung enthält, wird vorzugsweise bei weniger als etwa 25 mW/m*K gehalten, wenn das Wärmeregulierungselement komprimiert wird.
Wie oben erörtert, können Aerogelzusammensetzungen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ein Aerogelgerüst enthalten, das Makroporen enthält. Ohne an ein bestimmtes Funktionsprinzip gebunden zu sein, kann das Vorhandensein von Makroporen innerhalb des Aerogelgerüsts eine Kompression der Aerogelzusammensetzung, z. B. der verstärkten Aerogelzusammensetzung, ermöglichen, während die thermischen Eigenschaften beibehalten oder sogar verbessert werden, z. B. die Wärmeleitfähigkeit reduziert wird. Beispielsweise können die Makroporen durch Kompression der Zusammensetzung verformt, zerdrückt oder auf andere Weise in ihrer Größe reduziert werden, wodurch ermöglicht wird, dass die Dicke der Zusammensetzung unter Belastung reduziert wird. Wenn die Makroporen jedoch verformt werden, werden sie effektiv zu kleineren Poren. Infolgedessen kann der Weg für die Wärmeübertragung innerhalb des Aerogelgerüsts gewundener sein, wenn die Makroporen verformt werden, wodurch die thermischen Eigenschaften verbessert werden, z. B. die Wärmeleitfähigkeit verringert wird. „Mesoporen“ im Sinne der vorliegenden Offenbarung sind Poren, bei denen der mittlere Porendurchmesser im Bereich von etwa 2 nm bis etwa 50 nm liegt. Aerogelgerüste sind typischerweise mesoporös (d. h. enthalten hauptsächlich Poren mit einem durchschnittlichen Durchmesser im Bereich von etwa 2 nm bis etwa 50 nm). In bestimmten Ausführungsformen kann das Aerogelgerüst von Aerogelzusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung Makroporen beinhalten. „Makroporen“ im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung sind Poren, bei denen der durchschnittliche Porendurchmesser größer als etwa 50 nm ist. Ein Aerogelgerüst kann sowohl Makroporen als auch Mesoporen enthalten. Beispielsweise können mindestens 10 % eines Porenvolumens des Aerogelgerüsts aus Makroporen bestehen, können mindestens 5 % des Porenvolumens des Aerogelgerüsts aus Makroporen bestehen, können mindestens 75 % des Porenvolumens des Aerogelgerüsts aus Makroporen bestehen, können mindestens 95 % des Porenvolumens des Aerogelgerüsts aus Makroporen bestehen oder können 100 % des Porenvolumens des Aerogelgerüsts aus Makroporen bestehen. In einigen besonderen Ausführungsformen kann das Aerogelgerüst ein makroporöses Aerogelgerüst sein, sodass ein Großteil seines Porenvolumens aus Makroporen besteht. In einigen Fällen kann das makroporöse Aerogelgerüst auch Mikroporen und/oder Mesoporen umfassen. In einigen Ausführungsformen kann die durchschnittliche Porengröße (der Durchmesser) von Poren im Aerogelgerüst größer als 50 nm, größer als 50 nm bis 5000 nm, 250 nm bis 2000 nm, 500 nm bis 2000 nm, 500 nm bis 1400 nm oder 1200 nm sein. In bestimmten Ausführungsformen kann die durchschnittliche Porengröße im Durchmesser größer als 50 nm, größer als 50 nm bis 1000 nm, vorzugsweise 100 nm bis 800 nm, stärker bevorzugt 250 nm bis 750 nm sein.
In einigen Ausführungsformen kann die Variation der Porengröße innerhalb des Aerogelgerüsts homogen über das Aerogelgerüst verteilt werden. Beispielsweise kann die durchschnittliche Porengröße im gesamten Aerogelgerüst im Wesentlichen gleich sein.
In anderen Ausführungsformen kann die Variation der Porengröße innerhalb des Aerogelgerüsts heterogen über das Aerogelgerüst verteilt werden. Beispielsweise kann die durchschnittliche Porengröße in bestimmten Bereichen des Aerogelgerüsts unterschiedlich sein. In einigen beispielhaften Ausführungsformen kann die durchschnittliche Porengröße im Bereich der oberen Oberfläche, der unteren Oberfläche oder sowohl der oberen als auch der unteren Oberfläche des Aerogelgerüsts größer sein. Beispielsweise können Makroporen in der Zusammensetzung so verteilt sein, dass das Verhältnis von Makroporen zu Mesoporen an der oberen Oberfläche größer als an der unteren Oberfläche, größer an der unteren Oberfläche als an der oberen Oberfläche oder größer sowohl an der oberen als auch an der unteren Oberfläche als in einem mittleren Bereich zwischen der oberen und der unteren Oberfläche ist. Als weiteres Beispiel können Makroporen innerhalb der Zusammensetzung so verteilt sein, dass das Verhältnis von Makroporen zu Mesoporen nahe der oberen Oberfläche größer als nahe der unteren Oberfläche, größer nahe der unteren Oberfläche als nahe der oberen Oberfläche oder größer sowohl nahe der oberen als auch der unteren Oberfläche als im mittleren Bereich zwischen der oberen und der unteren Oberfläche ist. In anderen Ausführungsformen kann die durchschnittliche Porengröße in einem mittleren Bereich zwischen der oberen und unteren Oberfläche des Aerogelgerüsts größer sein.
Während der Herstellung der Aerogelzusammensetzung können Makroporen gebildet werden. Beispielsweise kann die Bildung von Makroporen in den Gelvorläufermaterialien beim Übergang in die Gelzusammensetzung induziert werden. In einigen Ausführungsformen kann die Bildung von Makroporen durch Induzieren einer spinodalen Zersetzung, z. B. der Gelvorläuferlösung, erfolgen. Als weiteres Beispiel kann die Bildung von Makroporen durch die Zugabe von einem oder mehreren Treibmitteln induziert werden.
Die in dem resultierenden Aerogelgerüst vorhandenen Makroporen können gebildet werden, indem Verarbeitungsbedingungen ausgewählt werden, die die Bildung von Makroporen gegenüber Mesoporen und/oder Mikroporen begünstigen. Die Menge an Makroporen kann angepasst werden, indem eine beliebige Variable, eine beliebige Kombination von Variablen oder alle der folgenden Variablen implementiert werden: (1) das Polymerisationslösungsmittel; (2) die Polymerisationstemperatur; (3) das Molekulargewicht des Polymers; (4) die Molekulargewichtsverteilung; (5) die Copolymerzusammensetzung; (6) der Verzweigungsgrad; (7) der Vernetzungsgrad; (8) das Verzweigungsverfahren; (9) das Vernetzungsverfahren; (10) das bei der Bildung des Gels verwendete Verfahren; (11) die Art des zur Bildung des Gels verwendeten Katalysators; (12) die chemische Zusammensetzung des zur Bildung des Gels verwendeten Katalysators; (13) die Menge des zur Bildung des Gels verwendeten Katalysators; (14) die Temperatur der Gelbildung; (15) die Art des Gases, das während der Gelbildung über das Material strömt; (16) die Gasgeschwindigkeit, die während der Gelbildung über das Material strömt; (17) der Druck der Atmosphäre während der Gelbildung; (18) die Entfernung gelöster Gase während der Gelbildung; (19) das Vorhandensein fester Additive im Harz während der Gelbildung; (20) die Zeitdauer des Gelbildungsprozesses; (21) das für die Gelbildung verwendete Substrat; (22) die Art des Lösungsmittels oder der Lösungsmittel, die in jedem Schritt des Lösungsmittelaustauschverfahrens verwendet werden; (23) die Zusammensetzung des Lösungsmittels oder der Lösungsmittel, die in jedem Schritt des Lösungsmittelaustauschverfahrens verwendet werden; (24) die in jedem Schritt des Lösungsmittelaustauschverfahrens aufgewendete Zeit; (25) die Verweilzeit des Teils in jedem Schritt des Lösungsmittelaustauschverfahrens; (26) die Fließgeschwindigkeit des Lösungsmittelaustauschlösungsmittels; (27) die Art des Flusses des Lösungsmittelaustauschlösungsmittels; (28) die Rührgeschwindigkeit des Lösungsmittelaustauschlösungsmittels; (29) die in jedem Schritt des Lösungsmittelaustauschverfahrens verwendete Temperatur; (30) das Verhältnis des Volumens des Lösungsmittelaustauschlösungsmittels zum Volumen des Teils; (31) das Trocknungsverfahren; (32) die Temperatur jedes Schritts im Trocknungsprozess; (33) der Druck in jedem Schritt des Trocknungsprozesses; (34) die Zusammensetzung des in jedem Schritt des Trocknungsprozesses verwendeten Gases; (35) die Geschwindigkeit des Gasflusses während jedes Schritts des Trocknungsprozesses; (36) die Temperatur des Gases während jedes Schritts des Trocknungsprozesses; (37) die Temperatur des Teils während jedes Schritts des Trocknungsprozesses; (38) das Vorhandensein einer Einfassung um das Teil herum während jedes Schritts des Trocknungsprozesses; (39) die Art der Einfassung, die das Teil während des Trocknens umgibt; und/oder (40) die in jedem Schritt des Trocknungsverfahrens verwendeten Lösungsmittel. Die multifunktionellen Amin- und Diaminverbindungen können getrennt oder zusammen in einem oder mehreren Anteilen als Feststoffe, unverdünnt oder gelöst in einem geeigneten Lösungsmittel zugegeben werden. In anderen Aspekten kann ein Verfahren zur Herstellung eines Aerogels die folgenden Schritte umfassen: (a) Bereitstellen einer multifunktionellen Aminverbindung und mindestens einer Diaminverbindung zu einem Lösungsmittel, um eine Lösung zu bilden; (b) Bereitstellen mindestens einer Dianhydridverbindung zu der Lösung von Schritt (a) unter Bedingungen, die ausreichen, um eine verzweigte Polymermatrixlösung zu bilden, wobei die verzweigte Polymermatrix in der Lösung solubilisiert wird; und (c) Aussetzen der verzweigten Polymermatrixlösung gegenüber Bedingungen, die ausreichen, um ein Aerogel mit einer offenzelligen Struktur zu bilden. Die in dem resultierenden Aerogelgerüst vorhandenen Makroporen können auf die oben erwähnte Weise gebildet werden. In einem bevorzugten und nicht einschränkenden Aspekt kann die Bildung von Makroporen gegenüber kleineren Mesoporen und Mikroporen hauptsächlich durch Steuern der Polymer/Lösungsmittel-Dynamik während der Gelbildung gesteuert werden.
Wie oben erörtert, können Aerogelzusammensetzungen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ein Aerogelgerüst und ein Verstärkungsmaterial beinhalten, wobei mindestens ein Teil des Verstärkungsmaterials kein Aerogel enthält.
Beispielsweise kann sich das Aerogelgerüst teilweise durch die Dicke des Verstärkungsmaterials erstrecken. In solchen Ausführungsformen kann ein Teil des Verstärkungsmaterials, z. B. ein OCMF, eine Faser oder Kombinationen davon, Aerogelmaterial enthalten, und ein Teil kann frei von Aerogel sein. Beispielsweise erstreckt sich das Aerogel in einigen Ausführungsformen über etwa 90 % der Dicke des Verstärkungsmaterials, über einen Bereich von etwa 50 % und etwa 90 % der Dicke des Verstärkungsmaterials, über einen Bereich von etwa 10 % bis etwa 50 % der Dicke des Verstärkungsmaterials oder etwa 10 % der Dicke des Verstärkungsmaterials.
Ohne an ein bestimmtes Funktionsprinzip gebunden zu sein, können Aerogelzusammensetzungen, in denen mindestens ein Teil des Verstärkungsmaterials kein Aerogel enthält, günstige Eigenschaften für Kompressibilität, Druckelastizität und Nachgiebigkeit bereitstellen. Beispielsweise können die Eigenschaften des Verstärkungsmaterials ausgewählt werden, um eine ausreichende Verstärkung und Unterstützung für thermische Eigenschaften in dem Bereich bereitzustellen, der Aerogel enthält, und auch um eine ausreichende Kompressibilität, Druckelastizität und/oder Nachgiebigkeit in dem Bereich ohne Aerogel bereitzustellen. Der aerogelhaltige Anteil der verstärkten Aerogelzusammensetzung kann die gewünschte Wärmeleitfähigkeit bereitstellen, z. B. weniger als etwa 25 mW/m*K, während der Anteil der Verstärkung ohne Aerogel die gewünschten physikalischen Eigenschaften, z. B. Kompressibilität, bereitstellen oder verbessern kann.
In einigen Ausführungsformen können verstärkte Aerogelzusammensetzungen, in denen mindestens ein Teil des Verstärkungsmaterials kein Aerogel enthält, unter Verwendung von hier offenbarten Verfahren gebildet werden, in denen das Verstärkungsmaterial mit einer Menge an Vorläuferlösung kombiniert wird, die ausreicht, um das Verstärkungsmaterial teilweise mit Vorläuferlösung zu füllen. Beispielsweise kann das Volumen des Vorläufers geringer sein als das Volumen des Verstärkungsmaterials, sodass sich der Vorläufer nur teilweise durch die Verstärkung erstreckt. Nach dem Trocknen enthält die resultierende verstärkte Aerogelzusammensetzung ein Aerogelgerüst, das sich wie oben diskutiert durch weniger als die volle Dicke des Verstärkungsmaterials erstreckt. In anderen Ausführungsformen können verstärkte Aerogelzusammensetzungen, in denen mindestens ein Teil des Verstärkungsmaterials kein Aerogel enthält, gebildet werden, indem Oberflächen-Aerogelschichten von der verstärkten Aerogelzusammensetzung entfernt werden.
In einigen Ausführungsformen können verstärkte Aerogelzusammensetzungen, in denen mindestens ein Teil des Verstärkungsmaterials kein Aerogel enthält, unter Verwendung eines Verstärkungsmaterials mit gemischten Eigenschaften durch die Dicke der Verstärkung gebildet werden. Beispielsweise kann die Verstärkung mehrere Schichten enthalten, wobei jede Schicht unterschiedliche Eigenschaften aufweist, z. B. Unterschiede in der durchschnittlichen Poren-/Zellgröße, Materialzusammensetzung, geschlossenen Zellen, offenen Zellen, Oberflächenbehandlungen oder Kombinationen davon. Die mehreren Schichten können miteinander verbunden werden, z. B. unter Verwendung eines Klebstoffs, durch Flammkaschieren oder durch andere geeignete Verfahren oder Mechanismen wie die hier erläuterten. Die unterschiedlichen Eigenschaften des Verstärkungsmaterials können für eine unterschiedliche Verteilung des Aerogels durch die Schichten sorgen. Beispielsweise kann der offenzellige Teil des Verstärkungsmaterials ein Aerogelgerüst enthalten, während der geschlossenzellige Teil im Wesentlichen frei von Aerogel bleibt. Ebenso können andere Materialeigenschaften des Verstärkungsmaterials oder Schichten davon die Verteilung von Aerogel innerhalb der Verstärkung und somit innerhalb der verstärkten Aerogelzusammensetzung bestimmen.
In einigen beispielhaften Ausführungsformen können verstärkte Aerogelzusammensetzungen, in denen mindestens ein Teil des Verstärkungsmaterials kein Aerogel enthält, unter Verwendung von hier offenbarten Verfahren gebildet werden, in denen die Eigenschaften des Verstärkungsmaterials oder der Schichten oder des Verstärkungsmaterials die Menge der Vorläuferlösung steuern oder beeinflussen, die dieses Material oder diese Schicht füllt, z. B. während des Gießverfahrens, um eine teilweise Füllung des Verstärkungsmaterials mit einer Vorläuferlösung bereitzustellen. Beispielsweise kann eine Schicht der Verstärkung offene Zellen und eine andere Schicht der Verstärkung geschlossene Zellen aufweisen. Wenn eine Vorläuferlösung mit einer solchen Verstärkung kombiniert wird, kann die Gelvorläuferlösung die offenen Zellen dieser Schicht infiltrieren, während sie die geschlossenen Zellen der anderen Schicht nicht wesentlich infiltriert. Wenn eine solche Zusammensetzung getrocknet wird, kann die resultierende verstärkte Aerogelzusammensetzung einen Teil enthalten, z. B. die geschlossenzellige Schicht, die kein Aerogel enthält, während ein anderer Teil, z. B. die offenzellige Schicht, Aerogel enthält.
In einigen Ausführungsformen können die hier offenbarten Additive (z. B. endotherme Additive, Trübungszusätze, Brandschutzadditive oder andere Additive) innerhalb der verstärkten Aerogelzusammensetzung heterogen dispergiert sein. Beispielsweise kann das Additivmaterial durch die Dicke oder entlang der Länge und/oder Breite der Aerogelzusammensetzung variieren. Beispielsweise kann das Additiv auf einer Seite der Aerogelzusammensetzung angesammelt werden. In einigen Ausführungsformen kann das Additivmaterial oder können die Additivmaterialien in einer Schicht des Aerogel-Verbundstoffs konzentriert sein oder als separate Schicht bereitgestellt werden, die im Wesentlichen aus dem Additiv besteht, das an den Verbundstoff angrenzt oder daran angebracht ist. Beispielsweise kann das Wärmeregulierungselement eine Schicht enthalten, die im Wesentlichen aus einem endothermen Material besteht, wie etwa Gips, Natriumbicarbonat, Zement auf Magnesiumoxidbasis.
In weiteren beispielhaften Ausführungsformen kann die Aerogelzusammensetzung auch mindestens eine Schicht aus zusätzlichem Material, entweder innerhalb der Zusammensetzung oder als Deckschicht, enthalten. Beispielsweise kann die Schicht eine Schicht sein, die aus der Gruppe bestehend aus einer Polymerfolie, einer Metallfolie, einer Faserfolie, einem stark orientierten Graphitmaterial, z. B. einer pyrolytischen Graphitfolie, und einer Gewebefolie ausgewählt ist. In einigen Ausführungsformen kann die Deckschicht an der Zusammensetzung angebracht werden, z. B. durch einen Klebemechanismus, ausgewählt aus den folgenden: einem Aerosolklebstoff, einem Klebstoff auf Urethanbasis, einem Acrylatklebstoff, einem Heißschmelzklebstoff, einem Epoxy, einem Kautschuk Harzkleber; einem Polyurethan-Verbundklebstoff und Kombinationen davon. In einigen Ausführungsformen kann die Deckschicht durch einen nicht klebenden Mechanismus, z. B. einen Mechanismus, der aus der Gruppe bestehend aus: Flammkaschieren, Nadeln, Nähen, Versiegeln von Beuteln, Nieten, Knöpfen, Klemmen, Umhüllungen, Klammern und Kombinationen davon ausgewählt ist, an der Zusammensetzung angebracht werden. In einigen Ausführungsformen kann eine Kombination aus einem beliebigen der vorstehend erwähnten klebenden und nicht klebenden Mechanismen verwendet werden, um eine Deckschicht an der Zusammensetzung anzubringen.
Wie hier erläutert, können Aerogelzusammensetzungen oder -Verbundstoffe Materialien enthalten, die Aerogelpartikel, -teilchen, -körnchen, -kügelchen oder - pulver in ein festes oder halbfestes Material einarbeiten, wie etwa in Verbindung mit Bindemitteln wie Klebstoffen, Harzen, Zementen, Schäumen, Polymeren oder ähnlichen festen oder sich verfestigenden Materialien. Beispielsweise können Aerogelzusammensetzungen ein Verstärkungsmaterial, Aerogelpartikel und gegebenenfalls ein Bindemittel enthalten. In beispielhaften Ausführungsformen kann eine Aufschlämmung bereitgestellt werden, die Aerogelpartikel und mindestens eine Art von Benetzungsmittel enthält. Beispielsweise können die Aerogelpartikel mit mindestens einem Netzmittel wie einem Tensid oder Dispergiermittel beschichtet oder benetzt werden. Die Aerogelpartikel können vollständig benetzt, teilweise benetzt (z. B. Oberflächenbenetzung) oder in einer Aufschlämmung vorliegen. Das bevorzugte Benetzungsmittel kann sich verflüchtigen, um eine geeignete Wiederherstellung der Hydrophobizität von hydrophoben Aerogelpartikeln zu ermöglichen. Wenn das Netzmittel auf der Oberfläche der Aerogelpartikel verbleibt, kann das verbleibende Netzmittel zur Gesamtwärmeleitfähigkeit des Verbundmaterials beitragen. Somit ist das bevorzugte Benetzungsmittel eines, das entfernbar ist, beispielsweise durch Verflüchtigung mit oder ohne Zersetzung oder auf andere Weise. Im Allgemeinen kann jedes Netzmittel verwendet werden, das mit dem Aerogel kompatibel ist.
Die mit einem Netzmittel beschichtete Aufschlämmung oder das mit einem Netzmittel beschichtete Aerogel kann nützlich sein, um auf einfache Weise hydrophobes Aerogel in eine Vielzahl von Materialien einzuführen, wie etwa andere wasserhaltige Fluide, Aufschlämmungen, Klebstoffe, Bindemittel, die gegebenenfalls aushärten können, um Feststoffe zu bilden, Fasern, metallisierte Fasern, diskrete Fasern, gewebte Materialien, Vliesstoffe, genadelte Vliesstoffe, Watten, Flore, Matten, Filze und Kombinationen davon. Das mit mindestens einem Netzmittel benetzte Aerogel oder die das Aerogel mit mindestens einem Netzmittel enthaltende Aufschlämmung ermöglicht das leichte Einbringen und gleichmäßige Verteilen von hydrophobem Aerogel. Nasslegeverfahren wie die in US-Patent Nr. 9.399.864 ; 8.021.583 ; 7.635.411 ; und 5.399.422 beschriebenen (die jeweils durch Bezugnahme hier in ihrer Gesamtheit eingeschlossen sind) verwenden eine wässrige Aufschlämmung zum Dispergieren von Aerogelpartikeln, Fasern und anderen Additiven. Die Aufschlämmung kann dann entwässert werden, um eine Schicht aus Aerogelpartikeln, Fasern und Additiven zu bilden, die getrocknet und gegebenenfalls kalandriert werden kann, um einen Aerogel-Verbundstoff herzustellen.
In anderen Ausführungsformen können Aerogelzusammensetzungen Aerogelpartikel, mindestens ein anorganisches Matrixmaterial und gegebenenfalls Fasern, Hilfsstoffe, Additive und weitere anorganische Bindemittel enthalten. Das anorganische Matrixmaterial kann in einigen Ausführungsformen Schichtsilikate enthalten, z. B. natürlich vorkommende Schichtsilikate wie Kaoline, Tone oder Bentonite, synthetische Schichtsilikate wie Magadiit oder Keniait oder Mischungen davon. Die Schichtsilikate können gebrannt oder ungebrannt sein, z. B. um die Materialien zu trocknen und das Kristallwasser auszutreiben. Das anorganische Matrixmaterial kann in einigen Ausführungsformen auch anorganische Bindemittel wie Zement, Kalk, Gips oder geeignete Mischungen davon in Kombination mit Schichtsilikaten enthalten. Das anorganische Matrixmaterial kann in einigen Ausführungsformen auch andere anorganische Additive enthalten, wie etwa Brandschutzadditive, Trübungsmittel oder Kombinationen davon, die hier offenbart sind. Beispielhafte Verfahren und Aerogelzusammensetzungen, die anorganische Matrixmaterialien enthalten, sind in den US-Patenten Nr. 6.143.400 ; 6.083.619 (die jeweils durch Bezugnahme hier in ihrer Gesamtheit aufgenommen werden) offenbart. In einigen Ausführungsformen können Aerogelzusammensetzungen Aerogelpartikel enthalten, die auf gewebte Materialien, Vliesmaterialien, genadelte Vliesstoffe, Watten, Flore, Matten, Filze und Kombinationen davon aufgetragen oder darin absorbiert sind. Haftbindemittel können in der Zusammensetzung enthalten sein. Zusätze wie Brandschutzadditive, Trübungsmittel oder Kombinationen davon, wie hier offenbart, können ebenfalls enthalten sein. Beispielhafte Verfahren und Aerogelzusammensetzungen, die auf Gewebe aufgetragen oder darin absorbiert werden, sind in der US-Patentveröffentlichung Nr. 2019/0264381A1 (die hier durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit aufgenommen wird) offenbart.
Wie hier diskutiert, können Aerogel-Verbundstoffe mit anderen Materialien laminiert oder verkleidet werden, wie zum Beispiel Verstärkungsschichten von Deckmaterialien. In einer Ausführungsform stellt die vorliegende Offenbarung ein mehrschichtiges Laminat bereit, das mindestens eine Basisschicht enthält, die eine verstärkte Aerogelzusammensetzung enthält, und mindestens eine Deckschicht. In einer Ausführungsform umfasst die Deckschicht ein Verstärkungsmaterial. In einer Ausführungsform ist die verstärkte Aerogelzusammensetzung mit einer Faserverstärkungsschicht oder einer offenzelligen Schaumverstärkungsschicht verstärkt. In einer Ausführungsform stellt die vorliegende Offenbarung ein mehrschichtiges Laminat bereit, das eine Basisschicht umfasst, die eine verstärkte Aerogelzusammensetzung umfasst, und mindestens zwei Deckschichten, die Verstärkungsmaterialien umfassen, wobei sich die zwei Deckschichten auf gegenüberliegenden Oberflächen der Basisschicht befinden. Beispielsweise kann der mehrschichtige Aerogel-Laminatverbund gemäß den Verfahren und Materialien hergestellt werden, die in der US-Patentanmeldung 2007/0173157 beschrieben sind.
Die Deckschicht kann Materialien umfassen, die dazu beitragen, der endgültigen Verbundstruktur spezifische Eigenschaften zu verleihen, wie etwa verbesserte Flexibilität oder verringertes Stauben. Die Deckmaterialien können steif oder flexibel sein. Die Deckmaterialien können leitfähige Schichten oder reflektierende Folien enthalten. Beispielsweise können die Deckmaterialien metallische oder metallisierte Materialien enthalten. Die Deckmaterialien können Vliesmaterialien enthalten. Die Deckschichten können auf einer Oberfläche der Verbundstruktur oder der verstärkten Aerogel-Verbundstoffe angeordnet sein, die die Verbundstruktur bilden, z. B. das Wärmeregulierungselement. Die Deckschichten können eine durchgehende Beschichtung oder Tasche um die Verbundstruktur oder die verstärkten Aerogel-Verbundstoffe bilden, die die Verbundstruktur bilden, z. B. das Wärmeregulierungselement. In einigen Ausführungsformen können die Deckschicht oder -schichten die Verbundstruktur oder die verstärkten Aerogel-Verbundstoffe einkapseln, die die Verbundstruktur bilden.
In einer Ausführungsform umfasst die Deckschicht eine Polymerfolie, die die Verbundstruktur umgibt; insbesondere ein Polymermaterial, das Polyester, Polyethylene, Polyurethane, Polypropylene, Polyacrylnitrile, Polyamide, Aramide umfasst; und insbesondere Polymere wie Polyethylenterphthalat, Polyethylen niedriger Dichte, Ethylen-Propylen-Copolymere, Poly(4-methyl-pentan), Polytetrafluorethylen, Poly(1-buten), Polystyrol, Polyvinylacetat, Polyvinylchlorid, Polyvinylidenchlorid, Polyvinylfluorid, Polyvinylacrylnitril, Polymethylmethacrylat, Polyoxymethylen, Polyphenylensulfon, Cellulosetriacetat, Polycarbonat, Polyethylennaphthalat, Polycaprolactam, Polyhexamethylenadipamid, Polyundecanoamid, Polyimid oder Kombinationen davon. In einer Ausführungsform umfasst die Polymerfolie ein expandiertes Polymermaterial oder besteht im Wesentlichen daraus; insbesondere ein expandiertes Polymermaterial, das PTFE (ePTFE), expandiertes Polypropylen (ePP), expandiertes Polyethylen (ePE), expandiertes Polystyrol (ePS) oder Kombinationen davon umfasst. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Deckmaterial im Wesentlichen aus einem expandierten Polymermaterial. In einer Ausführungsform umfasst oder besteht die Polymerfolie im Wesentlichen aus einem mikroporösen Polymermaterial, das durch eine Porengröße im Bereich von 0,1 µm bis 210 µm, 0,1 µm bis 115 µm, 0,1 µm bis 15 µm oder 0,1 µm bis 0,6 µm gekennzeichnet ist.
In einer Ausführungsform umfasst das Deckschichtmaterial ein Fluorpolymermaterial oder besteht im Wesentlichen daraus. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich die Begriffe „Fluorpolymer“ oder „Fluorpolymermaterial“ auf Materialien, die hauptsächlich aus polymeren Fluorkohlenstoffen bestehen. Geeignete Fluorpolymer-Deckschichtmaterialien enthalten, sind jedoch nicht beschränkt auf: Polytetrafluorethylen (PTFE), einschließlich mikroporösen PTFE, das im US-Patent 5.814.405 beschrieben ist, und expandiertes PTFE (ePTFE) wie Gore-Tex® (erhältlich von W.L. Gore); Polyvinylfluorid (PVF); Polyvinylidenfluorid (PVDF); Perfluoralkoxy (PFA); fluoriertes Ethylen-Propylen (FEP); Polychlortrifluorethylen (PCTFE); Ethylentetrafluorethylen (ETFE); Polyvinylidenfluorid (PVDF); Ethylenchlortrifluorethylen (ECTFE); und Kombinationen davon. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Deckmaterial im Wesentlichen aus einem Fluorpolymermaterial. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Deckmaterial im Wesentlichen aus einem Material aus expandiertem PTFE (ePTFE).
In einer Ausführungsform umfasst das Deckschichtmaterial ein Nicht-Fluorpolymermaterial oder besteht im Wesentlichen daraus. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich die Begriffe „Nicht-Fluorpolymer“ oder „Nicht-Fluorpolymer-Material“ auf Materialien, die kein Fluorpolymer-Material umfassen. Geeignete nicht fluorpolymere Deckschichtmaterialien beinhalten, sind jedoch nicht beschränkt auf: aluminisiertes Mylar; Polyethylen niedriger Dichte wie Tyvek® (erhältlich von DuPont); Gummi oder Gummiverbundstoffe; Vliesstoffe, elastische Fasern wie Spandex, Nylon, Lycra oder Elastan; und Kombinationen davon. In einer Ausführungsform ist das Deckmaterial ein flexibles Deckmaterial.
In einigen Ausführungsformen kann das Deckschichtmaterial Automobilharze und - polymere enthalten, wie solche mit einer maximalen Gebrauchstemperatur von bis zu etwa 100 °C, bis zu etwa 120 °C oder bis zu etwa 150 °C. Beispielsweise kann das Deckschichtmaterial Acrylnitril-Butadien-Styrol(ABS)- Polycarbonat ABS, Polypropylen, Polyurethan, Polystyrol, Polyethylen, Polycarbonat, Polyamide, PVC oder Kombinationen davon enthalten. Beispielsweise können Aerogel-Verbundstoffe und Wärmeregulierungselemente gemäß hier offenbarten Ausführungsformen Schichten aus Automobilharzen oder Automobilpolymeren, metallische oder metallisierte Schichten und Aerogelschichten umfassen.
Die Deckschicht kann an der Basisschicht angebracht werden, indem Klebstoffe verwendet werden, die geeignet sind, anorganische oder organische Deckmaterialien an dem Verstärkungsmaterial der Basisschicht anzubringen. Beispiele für Klebstoffe, die in der vorliegenden Offenbarung verwendet werden können, beinhalten, sind jedoch nicht beschränkt auf: Klebstoffe auf Zementbasis, Natriumsilikate, Latizes, Haftklebstoffe, Silikon, Polystyrol, Aerosolklebstoffe, Urethan, Acrylatklebstoffe, Schmelzklebstoffsysteme, im Handel erhältliche Klebesysteme von 3M, Epoxid, Kautschukharzklebstoffe, Polyurethanklebstoffmischungen, wie jene, die in US-Patent 4.532.316 beschrieben sind.
Die Deckschicht kann auch an der Basisschicht angebracht werden, indem nicht klebende Materialien oder Techniken verwendet werden, die zum Anbringen anorganischer oder organischer Deckmaterialien an dem Verstärkungsmaterial der Basisschicht geeignet sind. Beispiele für nicht klebende Materialien oder Techniken, die in der vorliegenden Offenbarung verwendet werden können, beinhalten, sind jedoch nicht beschränkt auf: Heißsiegeln, Ultraschallnähte, HF-Siegeln, Stiche oder Fädeln, Nadeln, Versiegeln von Beuteln, Nieten oder Knöpfen, Klemmen, Umhüllungen, oder andere nicht klebende Laminiermaterialien.
Die Deckschicht kann in jedem Stadium der Herstellung des Aerogel-Verbundmaterials an der Basisschicht angebracht werden. In einer Ausführungsform wird die Deckschicht nach der Infusion der Sol-Gel-Lösung in das Basis-Verstärkungsmaterial, aber vor dem Gelieren, an der Basisschicht angebracht. In einer anderen Ausführungsform wird die Deckschicht nach der Infusion der Sol-Gel-Lösung in das Basis-Verstärkungsmaterial und nach der anschließenden Gelierung, aber vor dem Altern oder Trocknen des Gelmaterials an der Basisschicht angebracht. In noch einer weiteren Ausführungsform wird die Deckschicht nach dem Altern und Trocknen des Gelmaterials an der Basisschicht angebracht. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Deckschicht an dem Verstärkungsmaterial der Basisschicht angebracht, bevor die Sol-Gel-Lösung in das Basisverstärkungsmaterial infundiert wird. Die Deckschicht kann fest und für Fluid undurchlässig sein. Die Deckschicht kann porös und für Fluid durchlässig sein. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Deckschicht porös und für Fluid durchlässig und enthält Poren oder Löcher mit Durchmessern, die groß genug sind, damit Fluide durch das Deckmaterial diffundieren können. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird die Deckschicht an dem Verstärkungsmaterial der Basisschicht angebracht, bevor die Sol-Gel-Lösung in das Basisverstärkungsmaterial infundiert wird, wobei die Deckschicht porös und für Fluid durchlässig ist und Poren oder Löcher mit Durchmessern enthält, die groß genug sind, damit Fluide durch das Deckmaterial diffundieren können. In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Deckschicht an einem offenzelligen Schaumverstärkungsmaterial angebracht, bevor die Sol-Gel-Lösung in das Schaumverstärkungsmaterial infundiert wird, wobei die Deckschicht porös und für Fluid durchlässig ist und Poren oder Löcher mit Durchmessern enthält, die groß genug sind, damit Fluide durch das Deckmaterial diffundieren können.
In einigen Ausführungsformen können die Verbundstruktur oder die verstärkten Aerogel-Verbundstoffe, die die Verbundstruktur bilden, durch ein Einkapselungselement eingekapselt werden. Beispielsweise kann das Einkapselungselement eine Schicht oder Schichten aus Material, die den Verbund oder die Verbundstruktur umgeben, und/oder eine Materialbeschichtung umfassen, die den Verbund oder die Verbundstruktur umgibt. Beispielsweise kann das Einkapselungselement einen Film, eine Schicht, eine Umhüllung oder eine Beschichtung umfassen. Das Einkapselungselement kann aus jedem Material hergestellt sein, das geeignet ist, die Verbundstruktur oder die verstärkten Aerogel-Verbundstoffe, die die Verbundstruktur bilden, einzuschließen.
Beispielsweise kann das Einkapselungselement die Erzeugung von Staub oder partikelförmigem Material, das von der Verbundstruktur abgegeben wird, reduzieren oder eliminieren.
Das Einkapselungselement kann mindestens eine Entlüftung umfassen, die es ermöglicht, dass Luft in die Platte hinein und aus ihr herausströmt. Das Einkapselungselement kann mindestens einen Filter umfassen, der Partikelmaterial filtert. In einer beispielhaften Ausführungsform enthält das Einkapselungselement eine Entlüftung, die es ermöglicht, dass Luft in die und aus der Platte strömt, und einen Partikelfilter über der Entlüftung, der Partikelmaterial innerhalb des Einkapselungselements hält. In einer anderen Ausführungsform umfasst das Einkapselungselement Randabdichtungen, die mindestens eine Entlüftung und mindestens einen Partikelfilter umfassen. In einer weiteren Ausführungsform enthält das Einkapselungselement Randabdichtungen, die mindestens eine Entlüftung und mindestens einen Partikelfilter enthalten, wobei die Entlüftungen in den Randabdichtungen ermöglichen, dass Luft in die und aus den Einkapselungselementkanten strömt, und wobei die Filter Partikelmaterial einfangen und in der strömenden Luft zurückzuhalten, um eine Verunreinigung der Luft außerhalb des Einkapselungselements mit Partikelmaterial zu verhindern. In einigen Ausführungsformen der obigen Aspekte kann das Wärmeregulierungselement mehrere Schichten enthalten. Beispielsweise kann das Wärmeregulierungselement mindestens eine Schicht aus oder mit einem wärmeleitfähigen Material enthalten, z. B. eine Schicht mit Metall, Kohlenstoff, wärmeleitfähigem Polymer oder Kombinationen davon. Wie im Zusammenhang mit diesen Ausführungsformen verwendet, bezieht sich wärmeleitfähiges Material auf Materialien mit einer Wärmeleitfähigkeit, die größer ist als die der Aerogelzusammensetzung. In bestimmten Ausführungsformen weisen wärmeleitfähige Materialien Wärmeleitfähigkeiten auf, die mindestens etwa eine Größenordnung größer sind als die der Aerogelzusammensetzung. In einigen Ausführungsformen kann das Wärmeregulierungselement mehrere Schichten der Aerogelzusammensetzung enthalten. In bestimmten Ausführungsformen kann das Wärmeregulierungselement mindestens eine Schicht aus leitfähigem Material enthalten, die angrenzend an die Aerogelzusammensetzung angeordnet ist. In bestimmten Ausführungsformen kann das Wärmeregulierungselement mindestens eine Schicht aus leitfähigem Material enthalten, die zwischen mindestens zwei von mehreren Schichten der Aerogelzusammensetzung angeordnet ist. In einigen Ausführungsformen kann das Wärmeregulierungselement Partikel des leitfähigen Materials enthalten, die innerhalb einer Schicht des Wärmeregulierungselements angeordnet sind, z. B. innerhalb einer Schicht der Aerogelzusammensetzung.
In beispielhaften Ausführungsformen kann das Wärmeregulierungselement Materialien oder Materialschichten enthalten, die Wärmekapazität bereitstellen (d. h. ein wärmekapazitives Material), z. B. ein Material mit einer spezifischen Wärmekapazität von mindestens etwa 0,3 J/(gC). In einigen Ausführungsformen weist das Material, das Wärmekapazität bereitstellt, eine spezifische Wärmekapazität von mindestens etwa 0,5 J/(gC) auf. Beispielsweise kann das Wärmekapazität bereitstellende Material Metalle wie Aluminium, Titan, Nickel, Stahl, Eisen oder Kombinationen davon enthalten. In einigen Ausführungsformen kann das Wärmeregulierungselement eine Schicht oder Beschichtung aus dem Wärmekapazität bereitstellenden Material enthalten. In einigen Ausführungsformen kann das Wärmeregulierungselement Partikel des Wärmekapazität bereitstellenden Materials enthalten, die innerhalb einer Schicht des Wärmeregulierungselements angeordnet sind, z. B. innerhalb einer Schicht der Aerogelzusammensetzung. In bestimmten Ausführungsformen kann das Wärmeregulierungselement mindestens eine Schicht aus einem Wärmekapazität bereitstellenden Material enthalten, die angrenzend an die Aerogelzusammensetzung angeordnet ist. In bestimmten Ausführungsformen kann das Wärmeregulierungselement mindestens eine Schicht aus einem Wärmekapazität bereitstellenden Material enthalten, die zwischen mindestens zwei von mehreren Schichten der Aerogelzusammensetzung angeordnet ist. In beispielhaften Ausführungsformen kann das Wärmeregulierungselement sowohl wärmeleitfähige als auch wärmekapazitive Materialien enthalten. Beispielsweise kann das Wärmeregulierungselement ein Material enthalten, das sowohl Wärmekapazität als auch Wärmeleitfähigkeit bereitstellt, z. B. ein Metall wie Aluminium, Titan, Nickel, Stahl, Eisen oder Kombinationen davon. Als weiteres Beispiel kann das Wärmeregulierungselement ein oder mehrere unterschiedliche Materialien oder Materialschichten enthalten, die jeweils entweder Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit oder eine Kombination davon bereitstellen, z. B. eine Schicht, die Metall enthält, und eine Schicht, die wärmeleitfähiges Polymer enthält.
In einigen Ausführungsformen können Wärmeleitpasten zwischen Schichten des Wärmeregulierungselements verwendet werden, um eine gleichmäßige und konsistente Wärmeleitung zwischen solchen Schichten sicherzustellen. Wie hier verwendet, bezieht sich Wärmeleitpaste auf verschiedene Materialien, die auch als Wärmeleitpaste, Wärmeleitfett, thermisches Interface-Material (TIM), Wärmeleitgel, Wärmepaste, Thermoleitpaste und Kühlkörperpaste bekannt sind. Beispielsweise kann eine Schicht Wärmeleitpaste zwischen der Aerogelzusammensetzung und beliebigen anderen Schichten, wie der Schicht oder Schichten, die wärmeleitfähige oder wärmekapazitive Materialien enthalten, der Deckschicht oder den Deckschichten oder dem Einkapselungselement angeordnet werden.
Wie hier erörtert, kann das Wärmeregulierungselement mehrere Materialschichten enthalten, wie z. B. Isolierschichten, wärmeleitende Schichten, wärmekapazitive Schichten, wärmereflektierende Schichten, komprimierbare oder nachgiebige Schichten oder Kombinationen davon. Die Kombination von Schichten in dem Wärmeregulierungselement kann ausgewählt werden, um die gewünschte Kombination von Eigenschaften zu erhalten, z. B. Kompressibilität, Elastizität, Wärmeleistung, Brandverhalten und andere Eigenschaften. In einigen Ausführungsformen enthält das Wärmeregulierungselement mindestens ein nachgiebiges Element, das zwischen mindestens zwei Schichten aus verstärkter Aerogelzusammensetzung angeordnet ist. Das nachgiebige Element enthält ein komprimierbares Material, d. h. ein Material, das komprimiert werden kann, um seine Dicke zu reduzieren, während es für einen gewünschten Kompressionswiderstand sorgt. Beispielsweise kann das nachgiebige Element ein Schaum oder ein anderes komprimierbares Material wie Polyolefine, Polyurethane, Phenolharze, Melamin-Celluloseacetat oder Polystyrol sein. In bestimmten Ausführungsformen kann das Wärmeregulierungselement auch mindestens eine Schicht aus wärmeleitfähigem Material oder wärmekapazitivem Material enthalten, die zwischen dem mindestens einen nachgiebigen Element und mindestens einer der mehreren Schichten der verstärkten Aerogelzusammensetzung angeordnet ist. Das wärmeleitfähige Material oder das wärmekapazitive Material kann Wärme innerhalb des Wärmeregulierungselements absorbieren und/oder verteilen. In einigen Ausführungsformen kann das Wärmeregulierungselement ferner eine wärmereflektierende Schicht umfassen. Beispielsweise kann die wärmereflektierende Schicht eine Metallfolie oder -bahn umfassen.
In Ausführungsformen des Wärmeregulierungselements, die mehrere Schichten beinhalten, können die Schichten an anderen Schichten angebracht werden, z. B. durch einen Klebemechanismus, der aus den folgenden ausgewählt ist: einem Aerosolklebstoff, einem Klebstoff auf Urethanbasis, einem Acrylatklebstoff, einem Heißschmelzkleber, einem Epoxid, einem Kautschukharzklebstoff; einem Polyurethan-Verbundklebstoff und Kombinationen davon. In einigen Ausführungsformen können die Schichten durch einen nicht klebenden Mechanismus angebracht werden, z. B. einen Mechanismus, der aus der Gruppe bestehend aus: Flammkaschieren, Nadeln, Nähen, Versiegeln von Beuteln, Nieten, Knöpfen, Klemmen, Umhüllungen, Klammern und Kombinationen davon ausgewählt ist. In einigen Ausführungsformen kann eine Kombination aus einem beliebigen der zuvor erwähnten klebenden und nicht klebenden Mechanismen verwendet werden, um Schichten aneinander anzubringen.
5 veranschaulicht ein beispielhaftes Wärmeregulierungselement gemäß hier offenbarten Ausführungsformen. Wie in 6 veranschaulicht, enthält ein beispielhaftes Wärmeregulierungselement 10 eine Schicht aus einer verstärkten Aerogelzusammensetzung 12. Eine Schicht aus wärmeleitfähigem oder wärmekapazitivem Material 14 ist angrenzend an die Schicht aus verstärkter Aerogelzusammensetzung 12 angeordnet. Das Wärmeregulierungselement 10 ist im Wesentlichen planar und weist eine erste Hauptaußenfläche auf, die durch eine Außenfläche der ersten Schicht aus verstärkter Aerogelzusammensetzung 12 definiert ist, und eine zweite Hauptaußenfläche, die durch eine Außenfläche der Schicht aus wärmeleitendem oder wärmekapazitivem Material 14 definiert ist. In einigen Ausführungsformen enthält das Wärmeregulierungselement 10 ein Einkapselungselement oder eine Schicht, die die gesamte oder einen Teil der Außenfläche des Wärmeregulierungselements umgibt. In einigen Ausführungsformen kann die Schicht der Aerogelzusammensetzung von einem Verkapselungselement oder einer Schicht umgeben sein, die die gesamte oder einen Teil der Aerogelschicht umgibt.
Wie in 7 veranschaulicht, enthält ein beispielhaftes Wärmeregulierungselement 20 eine erste Schicht einer verstärkten Aerogelzusammensetzung 22 und eine zweite Schicht einer verstärkten Aerogelzusammensetzung 23. Eine Schicht aus wärmeleitfähigem oder wärmekapazitivem Material 14 ist zwischen der ersten Schicht aus verstärkter Aerogelzusammensetzung 22 und der zweiten Schicht aus verstärkter Aerogelzusammensetzung 23 angeordnet. Das Wärmeregulierungselement 20 ist im Wesentlichen planar und weist eine erste Hauptaußenfläche, die durch eine Außenfläche der ersten Schicht aus verstärkter Aerogelzusammensetzung 22 definiert ist, und eine zweite Hauptaußenfläche auf, die durch eine Außenfläche der zweiten Schicht aus verstärkter Aerogelzusammensetzung 23 definiert ist. In einigen Ausführungsformen enthält das Wärmeregulierungselement 10 ein Einkapselungselement oder eine Schicht, die die gesamte oder einen Teil der Außenfläche des Wärmeregulierungselements umgibt. In einigen Ausführungsformen kann die Schicht der Aerogelzusammensetzung von einem Verkapselungselement oder einer Schicht umgeben sein, die die gesamte oder einen Teil der Aerogelschicht umgibt.
Wie in 8 veranschaulicht, enthält ein beispielhaftes Wärmeregulierungselement 30 eine erste Schicht einer verstärkten Aerogelzusammensetzung 32 und eine zweite Schicht einer verstärkten Aerogelzusammensetzung 33. Das Wärmeregulierungselement 30 ist im Wesentlichen planar und weist eine erste Hauptaußenfläche auf, die durch eine Außenfläche der ersten Schicht aus verstärkter Aerogelzusammensetzung 32 definiert ist, und eine zweite Hauptaußenfläche, die durch eine Außenfläche der zweiten Schicht aus verstärkter Aerogelzusammensetzung 33 definiert ist. Eine Schicht aus nachgiebigem Material 34 ist zwischen der ersten und der zweiten Schicht der Aerogelzusammensetzung angeordnet. Eine erste Schicht aus wärmeleitfähigem oder wärmekapazitivem Material 36 ist zwischen der ersten Schicht aus verstärkter Aerogelzusammensetzung 32 und der Schicht aus nachgiebigem Material 34 angeordnet. Eine zweite Schicht aus wärmeleitfähigem oder wärmekapazitivem Material 37 ist zwischen der zweiten Schicht aus verstärkter Aerogelzusammensetzung 33 und der Schicht aus nachgiebigem Material 34 angeordnet. In einigen Ausführungsformen enthält das Wärmeregulierungselement 30 ein Einkapselungselement oder eine Schicht, die die gesamte oder einen Teil der Außenfläche des Wärmeregulierungselements umgibt. In einigen Ausführungsformen kann jede Schicht der Aerogelzusammensetzung von einem Verkapselungselement oder einer Schicht umgeben sein, die die gesamte oder einen Teil der Aerogelschicht umgibt.
Wie in 9 veranschaulicht, enthält ein beispielhaftes Wärmeregulierungselement 40 eine erste Schicht einer verstärkten Aerogelzusammensetzung 42 und eine zweite Schicht einer verstärkten Aerogelzusammensetzung 43. Das Wärmeregulierungselement 40 ist im Wesentlichen planar und weist eine erste Hauptaußenfläche auf, die durch eine Außenfläche der ersten Schicht aus verstärkter Aerogelzusammensetzung 42 definiert ist, und eine zweite Hauptaußenfläche, die durch eine Außenfläche der zweiten Schicht aus verstärkter Aerogelzusammensetzung 43 definiert ist. Eine Schicht aus nachgiebigem Material 44 ist zwischen der ersten und der zweiten Schicht der Aerogelzusammensetzung angeordnet. Eine erste Schicht aus wärmeleitfähigem oder wärmekapazitivem Material 46 ist an einer Hauptaußenfläche der ersten Schicht aus verstärkter Aerogelzusammensetzung 42 angeordnet. Eine zweite Schicht aus wärmeleitfähigem oder wärmekapazitivem Material 47 ist an einer Hauptaußenfläche der zweiten Schicht aus verstärkter Aerogelzusammensetzung 43 angeordnet. In einigen Ausführungsformen enthält das Wärmeregulierungselement 40 ein Einkapselungselement oder eine Schicht, die die gesamte oder einen Teil der Außenfläche des Wärmeregulierungselements umgibt. In einigen Ausführungsformen kann jede Schicht der Aerogelzusammensetzung von einem Verkapselungselement oder einer Schicht umgeben sein, die die gesamte oder einen Teil der Aerogelschicht umgibt.
Die Herstellung von mehrschichtigen Gel- oder Aerogelzusammensetzungen kann die folgenden Schritte beinhalten: a) Anbringen einer für Fluid durchlässigen Deckschicht an einer Bahn aus Verstärkungsmaterial, um eine laminierte Verstärkungsfolie herzustellen, wobei die Deckschicht Poren oder Löcher mit Durchmessern enthält, die groß genug sind, damit Fluide durch das Deckmaterial diffundieren können; b) Infundieren einer Gelvorstufenlösung durch die Deckschicht in die Verstärkungsfolie; und c) Überführen des Gelvorläufermaterials in ein Gelmaterial, das ein Gelgerüst umfasst. Ein Teil der Gelvorstufenlösung wird wahrscheinlich in den Poren oder Löchern der Deckschicht zurückgehalten, sodass sich das Gelgerüst in dem Verstärkungsmaterial der Basisschicht in mindestens einen Teil der Deckschicht erstreckt. Das resultierende Produkt ist eine mehrschichtige Gelzusammensetzung, umfassend: a) mindestens eine Basisschicht, die ein Verstärkungsmaterial und ein in das Verstärkungsmaterial integriertes Gelgerüst umfasst; und b) mindestens eine Deckschicht, die ein für Fluid durchlässiges Deckmaterial und ein in das für Fluid durchlässige Deckmaterial integriertes Gelgerüst umfasst; wobei sich mindestens ein Teil des Gelgerüsts der Grundschicht in mindestens einen Teil des Gelgerüsts der Deckschicht erstreckt und mit diesem fortlaufend ist.
Die großtechnische Produktion von mehrschichtigen Aerogelzusammensetzungen kann ein auf einem Förderband basierendes System beinhalten, wobei die Produktion die folgenden Schritte umfasst: a) Anbringen mindestens einer für Fluid durchlässigen Deckschicht an einer Schicht aus Verstärkungsmaterial, um eine laminierte Verstärkungsfolie herzustellen, wobei die Deckschicht Poren oder Löcher mit Durchmessern enthält, die groß genug sind, damit Fluide durchdiffundieren können; und b) Kombinieren einer Gelvorläuferlösung mit der laminierten Verstärkungsfolie an einem Ende eines Förderbandes, um ein fortlaufendes verstärktes Gelfolienlaminat herzustellen; wobei mindestens ein Teil der Gelvorläuferlösung durch die Deckschicht in die Verstärkungsfolie eindringt; und wobei die Gelvorläuferlösung mit der laminierten Verstärkungsfolie in einer Geschwindigkeit kombiniert wird, die es der Gelvorläuferlösung ermöglicht, durch die Deckschicht hindurchzutreten und die Verstärkungsfolie zu infiltrieren. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verstärkungsmaterial ein offenzelliges Schaumverstärkungsmaterial.
Die verstärkte, laminierte Gelfolie kann in mehrere Schichten gewickelt werden (vorzugsweise um einen Dorn mit gleichförmiger Spannung) und in anschließenden chemischen Behandlungs-, Alterungs- und Trocknungsschritten verarbeitet werden. Eine zusätzliche Trennschicht kann zwischen die Gelfolienschichten gewickelt werden, um das Altern oder Trocknen des Gelmaterials zu erleichtern, wie beispielsweise das Bereitstellen eines Strömungswegs für Alterungsmittel oder Trocknungsmaterialien. In einer bevorzugten Ausführungsform stellt die Deckschicht einen Strömungsweg für Alterungsmittel oder Trocknungsmaterialien bereit, sodass eine zusätzliche Trennschicht zum Altern und Trocknen des Gelmaterials nicht erforderlich ist.
Die Produktion von mehrschichtigen Aerogelzusammensetzungen in großem Maßstab kann ein halbkontinuierliches chargenbasiertes Verfahren beinhalten, das üblicherweise als Gel-in-a-Roll-Verfahren bezeichnet wird, wobei die Produktion die folgenden Schritte umfasst: a) Anbringen einer für Fluid durchlässigen Deckschicht an einer Folie aus Verstärkungsmaterial, wobei die Deckschicht Poren oder Löcher mit Durchmessern enthält, die groß genug sind, damit Fluide durchdiffundieren können; b) Rollen der laminierten Verstärkungsmaterialien in mehrere Schichten als Vorformrolle; und c) Kombinieren einer Gelvorläuferlösung mit der Vorformrolle. Zusätzliche Trennschichten können zusammen mit dem Verstärkungsmaterial in der Vorformwalze gerollt werden, um einen Strömungsweg für die Gelvorstufenlösung, Alterungsmittel und Trocknungsmaterialien bereitzustellen. In einer bevorzugten Ausführungsform stellt die Deckschicht einen Strömungsweg für die Gelvorläuferlösung, Alterungsmittel und Trocknungsmaterialien bereit, sodass eine zusätzliche Trennschicht nicht erforderlich ist. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verstärkungsmaterial ein offenzelliges Schaumverstärkungsmaterial.
Aerogelzusammensetzungen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können zu verschiedenen Endprodukten geformt werden. In der einfachsten Ausgestaltung kann die verstärkte Aerogelzusammensetzung in Form einer Folie vorliegen. Die Folie kann fortlaufend oder semi-fortlaufend geformt werden, z. B. als Rollenprodukt, oder es können Bahnen einer gewünschten Größe und Form aus einer größeren Bahn geschnitten oder anderweitig geformt werden. Das Folienmaterial kann verwendet werden, um eine Wärmebarriere zwischen Batteriezellen zu bilden. In anderen Konfigurationen kann die verstärkte Aerogelzusammensetzung zu einer Tasche geformt werden, z. B. um eine Pouch-Zelle einer Batterie zu enthalten, oder zu einem Zylinder, um zylindrische Batteriezellen zu enthalten.
Aerogel-Verbundstoffe der vorliegenden Offenbarung können in eine Reihe von dreidimensionalen Formen geformt werden, einschließlich Verkleidungen, Rohr-Vorformlingen, Halbschalen-Vorformlingen, Winkelstücken, Verbindungsstücken, Taschen, Zylindern und anderen Formen, die regelmäßig bei der Anwendung von Isoliermaterialien für industrielle und kommerzielle Anwendungen benötigt werden. In einer Ausführungsform wird das Verstärkungsmaterial in eine gewünschte Form gebracht, bevor es mit Gelvorläufermaterial infundiert wird. Das Gelmaterial wird auf eine Weise verarbeitet, die es dem Vorformling ermöglicht, seine Form beizubehalten, was zu einem verstärkten Aerogel-Vorformling einer gewünschten Form führt. Diese Technik zum Bilden geformter Aerogel-Vorformlinge kann wegen der Schwierigkeiten, die erforderlich sind, um Gelmaterialien verschiedener Formen und Konfigurationen zu verarbeiten, herausfordernd und ineffizient sein.
In beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können Aerogele aus Gelvorläufern oder Kombinationen von Gelvorläufern gebildet werden, die mindestens eine hydrophobe Gruppe umfassen. Solche Aerogele, z. B. anorganische Aerogele wie Aerogele auf Silicabasis, können hydrophob gebundenes Silicium enthalten. Beispielsweise kann die Quelle des hydrophob gebundenen Siliciums in dem Aerogel das hydrophobe Vorläufermaterial oder die Materialien sein. In Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können aus solchen Vorläufern gebildete Aerogele hydrophob sein. In einigen Ausführungsformen können aus solchen Vorläufern gebildete Aerogele intrinsisch hydrophob sein.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „intrinsisch hydrophob“ auf ein Material, das ohne Modifizierung durch ein Hydrophobierungsmittel Hydrophobizität besitzt. Beispielsweise können Aerogele behandelt werden, um Hydrophobizität zu verleihen oder zu verbessern. Eine hydrophobierende Behandlung kann auf eine Sol-Gel-Lösung, ein Nassgel vor der Flüssigphasenextraktion oder auf ein Aerogel nach der Flüssigphasenextraktion angewendet werden. Die hydrophobierende Behandlung wird durch Umsetzen einer Hydroxyeinheit auf einem Gel, wie einer Silanolgruppe (Si-OH), die auf einem Gerüst eines Kieselgels vorhanden ist, mit einer funktionellen Gruppe eines Hydrophobierungsmittels durchgeführt. Die resultierende Reaktion wandelt die Silanolgruppe und das Hydrophobierungsmittel in eine hydrophobe Gruppe am Gerüst des Kieselgels um. Die Verbindung des Hydrophobierungsmittels kann gemäß der folgenden Reaktion mit Hydroxylgruppen auf dem Gel reagieren: R_NMX_4-N (Hydrophobierungsmittel) + MOH (Silanol) → MOMR_N (hydrophobe Gruppe) + HX. Die hydrophobierende Behandlung kann sowohl auf der äußeren Makrooberfläche eines Kieselgels als auch auf den inneren Porenoberflächen innerhalb des porösen Netzwerks eines Gels stattfinden. Die veröffentliche US-Patentanmeldung 2016/0096949 A1 (Absätze [0044]-[0048]) lehrt hydrophobierende Behandlungen und wird hiermit gemäß den einzeln zitierten Absätzen durch Bezugnahme aufgenommen. Wie oben erläutert, sind Aerogele gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung jedoch ohne hydrophobierende Behandlung, z. B. ohne Behandlung mit einem Hydrophobierungsmittel, hydrophob.
Die Herstellung eines Aerogels umfasst im Allgemeinen die folgenden Schritte: i) Bildung einer Sol-Gel-Lösung; ii) Bildung eines Gels aus der Sol-Gel-Lösung; und iii) Extrahieren des Lösungsmittels aus den Gelmaterialien durch innovative Verarbeitung und Extraktion, um ein getrocknetes Aerogelmaterial zu erhalten. Dieses Verfahren wird nachstehend ausführlicher erläutert, insbesondere im Zusammenhang mit der Bildung von anorganischen Aerogelen wie Silica-Aerogelen. Die hier bereitgestellten spezifischen Beispiele und Veranschaulichungen sollen die vorliegende Offenbarung jedoch nicht auf eine bestimmte Art von Aerogel und/oder Herstellungsverfahren beschränken. Die vorliegende Offenbarung kann, sofern nicht anders angegeben, jedes Aerogel beinhalten, das durch ein beliebiges zugehöriges Herstellungsverfahren gebildet wird, das dem Fachmann bekannt ist.
Der erste Schritt bei der Bildung eines anorganischen Aerogels ist im Allgemeinen die Bildung einer Sol-Gel-Lösung durch Hydrolyse und Kondensation von Silicavorläufern, wie beispielsweise, jedoch nicht beschränkt auf, Metallalkoxidvorläufer in einem Lösungsmittel auf Alkoholbasis. Zu den Hauptvariablen bei der Bildung von anorganischen Aerogelen gehören die Art der in der Sol-Gel-Lösung enthaltenen Alkoxid-Vorläufer, die Art des Lösungsmittels, die Verarbeitungstemperatur und der pH-Wert der Sol-Gel-Lösung (der durch Zugabe einer Säure oder einer Base verändert werden kann) und das Vorläufer/Lösungsmittel/Wasser-Verhältnis innerhalb der Sol-Gel-Lösung. Die Steuerung dieser Variablen bei der Bildung einer Sol-Gel-Lösung kann die Steuerung des Wachstums und der Aggregation des Gelgerüsts während des anschließenden Übergangs des Gelmaterials aus dem „Sol“-Zustand in den „Gel“-Zustand ermöglichen. Während die Eigenschaften der resultierenden Aerogele durch den pH-Wert der Vorläuferlösung und das Molverhältnis der Reaktanten beeinflusst werden, kann jeder pH-Wert und jedes Molverhältnis, die die Bildung von Gelen erlauben, in der vorliegenden Offenbarung verwendet werden.
Eine Sol-Gel-Lösung wird gebildet, indem mindestens ein Geliervorläufer mit einem Lösungsmittel kombiniert wird. Geeignete Lösungsmittel zur Verwendung bei der Bildung einer Sol-Gel-Lösung umfassen niedere Alkohole mit 1 bis 6, insbesondere 2 bis 4, Kohlenstoffatomen, obwohl andere Lösungsmittel verwendet werden können, wie sie dem Fachmann bekannt sind. Beispiele nützlicher Lösungsmittel beinhalten Methanol, Ethanol, Isopropanol, Ethylacetat, Ethylacetoacetat, Aceton, Dichlormethan, Tetrahydrofuran und dergleichen, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Es können auch mehrere Lösungsmittel kombiniert werden, um einen gewünschten Dispersionsgrad zu erreichen oder um die Eigenschaften des Gelmaterials zu optimieren. Die Auswahl optimaler Lösungsmittel für die Sol-Gel- und Gelbildungsschritte hängt somit von den spezifischen Vorläufern, Füllstoffen und Additiven ab, die in die Sol-Gel-Lösung eingearbeitet werden, sowie von den angestrebten Verarbeitungsbedingungen für das Gelieren und der Flüssigkeitsextraktion und den gewünschten Eigenschaften der endgültigen Aerogelmaterialien.
Wasser kann auch in der Vorläufer-Lösungsmittel-Lösung vorhanden sein. Das Wasser dient dazu, die Metallalkoxidvorläufer zu Metallhydroxidvorläufern zu hydrolysieren. Die Hydrolysereaktion kann sein (unter Verwendung von TEOS in Ethanollösungsmittel als Beispiel): Si(OC₂H₅)₄ + 4H₂O → Si(OH)₄ + 4(C₂HsOH). Die resultierenden hydrolysierten Metallhydroxidvorläufer bleiben in der Lösungsmittellösung in einem „Sol“-Zustand suspendiert, entweder als einzelne Moleküle oder als kleine polymerisierte (oder oligomerisierte) kolloidale Molekülcluster. Beispielsweise kann die Polymerisation/Kondensation der Si(OH)₄-Vorläufer wie folgt stattfinden: 2 Si(OH)₄ = (OH)₃Si-O-Si(OH)₃ + H₂O. Diese Polymerisation kann solange andauern, bis kolloidale Cluster von polymerisierten (oder oligomerisierten) SiO₂(Silica)-Molekülen gebildet sind.
Säuren und Basen können in die Sol-Gel-Lösung eingearbeitet werden, um den pH-Wert der Lösung zu steuern und die Hydrolyse- und Kondensationsreaktionen der Vorläufermaterialien zu katalysieren.
Während jede Säure verwendet werden kann, um Vorläuferreaktionen zu katalysieren und eine Lösung mit niedrigerem pH zu erhalten, beinhalten beispielhafte Säuren HCl, H₂SO₄, H₃PO₄, Oxalsäure und Essigsäure. Ebenso kann jede Base verwendet werden, um Vorläuferreaktionen zu katalysieren und eine Lösung mit höherem pH zu erhalten, wobei eine beispielhafte Base NH₄OH umfasst.
Starke Basen können verwendet werden, um Vorläuferreaktionen zu katalysieren und eine Lösung mit höherem pH-Wert zu erhalten. Die Verwendung einer starken Base zum Katalysieren von Vorläuferreaktionen kann ermöglichen, dass der Gehalt an hydrophoben anorganischen Vorläufermaterialien, z. B. MTES oder DMDES, signifikant höher ist, als dies unter Verwendung einer schwachen Base möglich wäre, z. B. einer NH₄OH umfassenden Base. Der Begriff „starke Base“ bezieht sich im Rahmen der vorliegenden Offenbarung sowohl auf anorganische als auch auf organische Basen. Beispielsweise enthalten starke Basen gemäß Ausführungsformen hierin Kationen, die aus der Gruppe bestehend aus Lithium, Calcium, Natrium, Kalium, Rubidium, Barium, Strontium und Guanidinium ausgewählt sind. Als weiteres Beispiel kann der zum Katalysieren von Vorläuferreaktionen verwendete basische Katalysator eine katalytische Menge Natriumhydroxid, Lithiumhydroxid, Calciumhydroxid, Kaliumhydroxid, Strontiumhydroxid, Bariumhydroxid, Guanidinhydroxid, Natriumhydroxid, Tetrabutylammoniumhydroxid, Tetramethylammoniumhydroxid, Cholinhydroxid, Phosphoniumhydroxid, DABCO, DBU, Guanidinderivate, Amidine oder Phosphazene enthalten.
Die Sol-Gel-Lösung kann zusätzliche Cogelierungsvorläufer sowie Füllmaterialien und andere Additive enthalten. Füllmaterialien und andere Additive können zu jedem Zeitpunkt vor oder während der Bildung eines Gels in die Sol-Gel-Lösung gegeben werden. Füllmaterialien und andere Additive können auch in das Gelmaterial nach der Gelierung durch verschiedene dem Fachmann bekannte Techniken eingearbeitet werden. In bestimmten Ausführungsformen ist die Sol-Gel-Lösung, die die Geliervorläufer, Lösungsmittel, Katalysatoren, Wasser, Füllmaterialien und andere Additive umfasst, eine homogene Lösung, die unter geeigneten Bedingungen zu einer effektiven Gelbildung fähig ist.
Sobald eine Sol-Gel-Lösung gebildet und optimiert wurde, können die gelbildenden Komponenten im Sol-Gel in ein Gelmaterial überführt werden. Das Verfahren zum Überführen gelbildender Komponenten in ein Gelmaterial umfasst einen anfänglichen Gelbildungsschritt, bei dem sich das Gel bis zum Gelpunkt des Gelmaterials verfestigt. Der Gelpunkt eines Gelmaterials kann als der Punkt angesehen werden, an dem die Gelierlösung Fließwiderstand zeigt und/oder ein im Wesentlichen kontinuierliches Polymergerüst über ihr gesamtes Volumen bildet. Fachleuten ist eine Reihe von Gelbildungstechniken bekannt. Beispiele beinhalten, sind jedoch nicht beschränkt auf das Halten der Mischung in einem Ruhezustand für eine ausreichende Zeitspanne; Einstellen des pH-Werts der Lösung; Einstellen der Temperatur der Lösung; Richten einer Energieform auf die Mischung (ultraviolett, sichtbar, infrarot, Mikrowelle, Ultraschall, Teilchenstrahlung, elektromagnetisch); oder eine Kombination davon.
Der Prozess des Überführens gelbildender Komponenten (Gelvorläufer) in ein Gelmaterial kann auch einen Alterungsschritt (auch als Härten bezeichnet) vor der Flüssigkeitsextraktion oder die Entfernung des Lösungsmittels aus dem Gel (auch als Trocknen des Gels bezeichnet) beinhalten. Das Altern eines Gelmaterials, nachdem es seinen Gelpunkt erreicht hat, kann das Gelgerüst weiter stärken, indem die Anzahl der Quervernetzungen innerhalb des Netzwerks erhöht wird. Die Dauer der Gelalterung kann angepasst werden, um verschiedene Eigenschaften innerhalb des resultierenden Aerogelmaterials zu steuern. Dieses Alterungsverfahren kann nützlich sein, um potenziellen Volumenverlust und Schrumpfung während der Flüssigkeitsextraktion zu verhindern. Das Altern kann das Halten des Gels (vor der Extraktion) in einem Ruhezustand für einen längeren Zeitraum, das Halten des Gels bei erhöhten Temperaturen, das Hinzufügen von vernetzungsfördernden Verbindungen oder jede Kombination davon umfassen. Bevorzugte Temperaturen zum Altern liegen typischerweise zwischen etwa 10 °C und etwa 100 °C, obwohl hier auch andere geeignete Temperaturen in Betracht gezogen werden. Die Alterung eines Gelmaterials setzt sich typischerweise bis zur Flüssigkeitsextraktion des Nassgelmaterials fort.
Der Zeitraum zum Überführen von gelbildenden Materialien (Gelvoläufer) in ein Gelmaterial beinhaltet sowohl die Dauer der anfänglichen Gelbildung (vom Beginn der Gelierung bis zum Gelpunkt) als auch die Dauer jeder nachfolgenden Aushärtung und Alterung das Gelmaterial vor der Flüssigkeitsextraktion oder der Entfernung des Lösungsmittels aus dem Gel (auch als Trocknen des Gels bezeichnet) (vom Gelpunkt bis zum Beginn der Flüssigkeitsextraktion/Entfernung des Lösungsmittels). Der Gesamtzeitraum zum Überführen gelbildender Materialien in ein Gelmaterial liegt typischerweise zwischen etwa 1 Minute und mehreren Tagen, typischerweise etwa 30 Stunden oder weniger, etwa 24 Stunden oder weniger, etwa 15 Stunden oder weniger, etwa 10 Stunden oder weniger, etwa 6 Stunden oder weniger, etwa 4 Stunden oder weniger, etwa 2 Stunden oder weniger und vorzugsweise etwa 1 Stunde oder weniger, etwa 30 Minuten oder weniger, etwa 15 Minuten oder weniger oder etwa 10 Minuten oder weniger.
In einer anderen Ausführungsform kann das resultierende Gelmaterial in einem geeigneten sekundären Lösungsmittel gewaschen werden, um das in dem Nassgel vorhandene primäre Reaktionslösungsmittel zu ersetzen. Solche sekundären Lösungsmittel können lineare einwertige Alkohole mit einem oder mehreren aliphatischen Kohlenstoffatomen, zweiwertige Alkohole mit 2 oder mehr Kohlenstoffatomen, verzweigte Alkohole, cyclische Alkohole, alicyclische Alkohole, aromatische Alkohole, mehrwertige Alkohole, Ether, Ketone, cyclische Ether oder ihre Derivate sein. In einer anderen Ausführungsform kann das resultierende Gelmaterial in zusätzlichen Mengen des gleichen Lösungsmittels gewaschen werden, das innerhalb des Gelmaterials vorhanden ist, was unter anderem jegliche unerwünschten Nebenprodukte oder andere Präzipitate in dem Gelmaterial entfernen kann.
Sobald ein Gelmaterial gebildet und verarbeitet wurde, kann die Flüssigkeit des Gels dann zumindest teilweise aus dem Nassgel unter Verwendung von Extraktionsverfahren, einschließlich innovativer Verarbeitungs- und Extraktionstechniken, extrahiert werden, um ein Aerogelmaterial zu bilden. Die Flüssigkeitsextraktion spielt neben anderen Faktoren eine wichtige Rolle bei der Entwicklung der Eigenschaften von Aerogelen wie Porosität und Dichte sowie verwandter Eigenschaften wie Wärmeleitfähigkeit. Im Allgemeinen werden Aerogele erhalten, wenn eine Flüssigkeit aus einem Gel auf eine Weise extrahiert wird, die eine geringe Schrumpfung des porösen Netzwerks und Gerüsts des Nassgels verursacht. Diese Flüssigkeitsextraktion kann unter anderem auch als Lösungsmittelentfernung oder Trocknung bezeichnet werden.
Ein Beispiel für ein alternatives Verfahren zur Bildung eines Silica-Aerogels verwendet Metalloxidsalze wie Natriumsilikat, auch bekannt als Wasserglas. Zunächst wird eine Wasserglaslösung hergestellt, indem Natriumsilikat mit Wasser und einer Säure gemischt wird, um eine Kieselsäurevorläuferlösung zu bilden. Salznebenprodukte können aus dem Kieselsäurevorläufer durch lonenaustausch, Tensidtrennung, Membranfiltration oder andere chemische oder physikalische Trenntechniken entfernt werden. Das resultierende Sol kann dann geliert werden, beispielsweise durch die Zugabe eines basischen Katalysators, um ein Hydrogel herzustellen. Das Hydrogel kann gewaschen werden, um alle restlichen Salze oder Reaktanten zu entfernen. Das Entfernen des Wassers aus den Poren des Gels kann dann durch Austausch mit einem polaren organischen Lösungsmittel wie Ethanol, Methanol oder Aceton erfolgen. Die Flüssigkeit im Gel wird dann mit innovativen Verarbeitungs- und Extraktionstechniken mindestens teilweise extrahiert. In einer Ausführungsform
werden Aerogele üblicherweise durch Entfernen der flüssigen mobilen Phase aus dem Gelmaterial bei einer Temperatur und einem Druck nahe oder über dem kritischen Punkt der flüssigen mobilen Phase gebildet. Sobald der kritische Punkt erreicht (nahezu kritisch) oder überschritten (überkritisch) ist (d. h. Druck und Temperatur des Systems bei dem oder höher als der kritische Druck bzw. die kritische Temperatur sind), erscheint eine neue überkritische Phase in dem Fluid, die sich von der flüssigen oder Dampfphase unterscheidet. Das Lösungsmittel kann dann entfernt werden, ohne eine Flüssigkeits-Dampf-Grenzfläche, Kapillardruck oder damit verbundene Massentransferbeschränkungen einzuführen, die typischerweise mit Flüssigkeits-Dampf-Grenzen verbunden sind. Außerdem ist die überkritische Phase im Allgemeinen besser mit organischen Lösungsmitteln mischbar und hat somit die Kapazität für eine bessere Extraktion. Hilfslösungsmittel und Lösungsmittelaustausch werden auch häufig verwendet, um das Trocknungsverfahren für überkritische Fluide zu optimieren.
Wenn die Verdampfung oder Extraktion deutlich unter dem kritischen Punkt erfolgt, können die durch die Flüssigkeitsverdampfung erzeugten Kapillarkräfte eine Schrumpfung und einen Porenkollaps innerhalb des Gelmaterials verursachen. Das Halten der mobilen Phase nahe oder über dem kritischen Druck und der kritischen Temperatur während des Lösungsmittelextraktionsprozesses verringert die negativen Auswirkungen solcher Kapillarkräfte. In bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann die Verwendung von nahezu kritischen Bedingungen knapp unter dem kritischen Punkt des Lösungsmittelsystems die Herstellung von Aerogelmaterialien oder -zusammensetzungen mit ausreichend geringer Schrumpfung ermöglichen, wodurch ein kommerziell brauchbares Endprodukt hergestellt wird.
Mehrere zusätzliche Aerogel-Extraktionstechniken sind im Stand der Technik bekannt, einschließlich einer Reihe unterschiedlicher Ansätze bei der Verwendung von überkritischen Fluiden beim Trocknen von Aerogelen. Beispielsweise beschreibt Kistler (J. Phys. Chem. (1932) 36: 52-64) ein einfaches überkritisches Extraktionsverfahren, bei dem das Gellösungsmittel über seinem kritischen Druck und seiner kritischen Temperatur gehalten wird, wodurch Verdampfungskapillarkräfte verringert und die strukturelle Integrität des Gelnetzwerks erhalten werden. Das US-Patent Nr. 4.610.863 beschreibt ein Extraktionsverfahren, bei dem das Gellösungsmittel durch flüssiges Kohlendioxid ausgetauscht und anschließend bei Bedingungen extrahiert wird, bei denen Kohlendioxid in einem überkritischen Zustand vorliegt. US-Pat. Nr. 6670402 lehrt das Extrahieren einer Flüssigkeit aus einem Gel über einen schnellen Lösungsmittelaustausch durch Einspritzen von überkritischem (statt flüssigem) Kohlendioxid in einen Extraktor, der vorgewärmt und auf im Wesentlichen überkritische Bedingungen oder darüber zuvor druckbeaufschlagt wurde, wodurch Aerogele hergestellt werden. US-Pat. Nr. 5962539 beschreibt ein Verfahren zum Erhalten eines Aerogels aus einem polymeren Material, das in Form eines Sol-Gels in einem organischen Lösungsmittel vorliegt, durch Austauschen des organischen Lösungsmittels gegen ein Fluid mit einer kritischen Temperatur unterhalb einer Temperatur der Polymerzersetzung und Extrahieren des Fluid-Sol-Gels unter Verwendung eines überkritischen Fluids wie überkritisches Kohlendioxid, überkritisches Ethanol oder überkritisches Hexan. US-Pat. Nr. 6315971 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Gelzusammensetzungen, umfassend das Trocknen eines Nassgels, das Gelfeststoffe und ein Trocknungsmittel umfasst, um das Trocknungsmittel unter Trocknungsbedingungen zu entfernen, die ausreichen, um das Schrumpfen des Gels während des Trocknens zu verringern. US-Pat. Nr. 5420168 beschreibt ein Verfahren, wodurch Resorcin/Formaldehyd-Aerogele unter Verwendung eines einfachen Lufttrocknungsverfahrens hergestellt werden können. US-Pat. Nr. 5565142 beschreibt Trocknungstechniken, bei denen die Geloberfläche modifiziert wird, um stärker und hydrophober zu sein, sodass das Gelgerüst und die Poren einem Kollaps während Umgebungstrocknung oder unterkritischer Extraktion widerstehen können. Andere Beispiele zum Extrahieren einer Flüssigkeit aus Aerogelmaterialien sind in den US-Patenten Nr. 5275796 und 5395805 zu finden. US-Patentveröffentlichung Nr. 2019/0161909 stellt Beispiele für ein Verfahren bereit, das Alkoxysilan und Wasserglas verwendet, um ein hochdichtes Aerogel herzustellen.
Eine Ausführungsform zum Extrahieren einer Flüssigkeit aus dem Nassgel verwendet überkritische Fluide wie Kohlendioxid, einschließlich beispielsweise zuerst des weitgehenden Austauschens des primären Lösungsmittels, das in dem Porennetzwerk des Gels vorhanden ist, gegen flüssiges Kohlendioxid; und anschließendem Erhitzen des Nassgels (typischerweise in einem Autoklaven) über die kritische Temperatur von Kohlendioxid (etwa 31,06 °C) hinaus und Erhöhen des Drucks des Systems auf einen Druck, der größer ist als der kritische Druck von Kohlendioxid (etwa 1070 psig). Der Druck um das Gelmaterial herum kann leicht schwanken, um die Entfernung der Flüssigkeit aus dem Gel zu erleichtern. Kohlendioxid kann durch das Extraktionssystem rezirkuliert werden, um die kontinuierliche Entfernung des primären Lösungsmittels aus dem Nassgel zu erleichtern. Schließlich werden die Temperatur und der Druck langsam auf Umgebungsbedingungen zurückgeführt, um ein trockenes Aerogelmaterial herzustellen. Kohlendioxid kann auch in einen überkritischen Zustand vorverarbeitet werden, bevor es in eine Extraktionskammer eingespritzt wird.
Ein weiteres Beispiel für ein alternatives Verfahren zum Bilden von Aerogelen beinhaltet das Reduzieren der schädlichen Kapillardruckkräfte an der Lösungsmittel-Poren-Grenzfläche durch chemische Modifikation der Matrixmaterialien in ihrem Nassgelzustand durch Umwandlung von Oberflächenhydroxylgruppen in hydrophobe Trimethylsilylether, wodurch eine Flüssigkeitsextraktion aus Gelmaterialien bei Temperaturen und Drücken unterhalb des kritischen Punkts des Lösungsmittels ermöglicht wird.
In noch einer anderen Ausführungsform kann Flüssigkeit (Lösungsmittel) in dem Gelmaterial bei niedrigeren Temperaturen gefroren werden, gefolgt von einem Sublimationsprozess, wodurch das Lösungsmittel aus dem Gelmaterial entfernt wird. Eine solche Entfernung oder Trocknung des Lösungsmittels aus dem Gelmaterial wird als innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung liegend verstanden. Durch eine solche Entfernung bleibt die Gelstruktur weitgehend erhalten, wodurch ein Aerogel mit einzigartigen Eigenschaften entsteht.
Die Herstellung von Aerogelmaterialien oder -zusammensetzungen in großem Maßstab kann durch Schwierigkeiten im Zusammenhang mit der kontinuierlichen Bildung von Gelmaterialien in großem Maßstab sowie durch Schwierigkeiten im Zusammenhang mit der Flüssigkeitsextraktion aus Gelmaterialien in großen Volumina unter Verwendung innovativer Verarbeitungs- und Extraktionstechniken erschwert werden. In bestimmten Ausführungsformen eignen sich Aerogelmaterialien oder - zusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung für die Produktion in großem Maßstab. In bestimmten Ausführungsformen können Gelmaterialien der vorliegenden Offenbarung in großem Maßstab durch einen kontinuierlichen Gieß- und Gelierungsprozess hergestellt werden. In bestimmten Ausführungsformen werden Aerogelmaterialien oder -zusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung in großem Maßstab hergestellt, was die Verwendung von Extraktionsgefäßen im großen Maßstab erfordert. Extraktionsgefäße im großen Maßstab der vorliegenden Offenbarung können Extraktionsgefäße beinhalten, die ein Volumen von etwa 0,1 m³ oder mehr, etwa 0,25 m³ oder mehr, etwa 0,5 m³ oder mehr oder etwa 0,75 m³ oder mehr aufweisen.
Aerogelzusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung können eine Dicke von 15 mm oder weniger, 10 mm oder weniger, 5 mm oder weniger, 4 mm oder weniger, 3 mm oder weniger, 2 mm oder weniger, 1 mm oder weniger, 0,5 mm oder weniger, 0,3 mm oder weniger oder Dickenbereiche zwischen jeder Kombination der vorgenannten Dicken aufweisen.
Aerogelzusammensetzungen können mit verschiedenen Verstärkungsmaterialien verstärkt werden, um ein flexibleres, elastischeres und anpassungsfähigeres Verbundprodukt zu erzielen. Die Verstärkungsmaterialien können den Gelen zu jedem Zeitpunkt des Gelierverfahrens zugesetzt werden, um eine nasse, verstärkte Gelzusammensetzung herzustellen. Die Nassgelzusammensetzung kann dann getrocknet werden, um eine verstärkte Aerogelzusammensetzung herzustellen.
Aerogelzusammensetzungen können mit verschiedenen offenzelligen makroporösen Gerüstverstärkungsmaterialien OCMF-verstärkt werden, um ein flexibleres, elastischeres und anpassungsfähigeres Verbundprodukt zu erzielen. Die OCMF-Verstärkungsmaterialien können den Gelen an jedem Punkt des Gelierungsprozesses vor der Gelierung zugesetzt werden, um eine nasse, verstärkte Gelzusammensetzung herzustellen. Die Nassgelzusammensetzung kann dann getrocknet werden, um eine OCMF-verstärkte Aerogelzusammensetzung herzustellen. OCMF-Verstärkungsmaterialien können aus organischen Polymermaterialien wie Melamin oder Melaminderivaten gebildet werden und liegen in Form einer kontinuierlichen Folie oder Platte vor.
Melamin-OCMF-Materialien können aus Melamin-Formaldehyd-Vorkondensationslösung hergestellt werden. Eine wässrige Lösung eines Melamin-Formaldehyd-Kondensationsprodukts wird hergestellt, indem ein Melamin-Formaldehyd-Vorkondensat mit einem Lösungsmittel, einem Emulgator/Dispergator, einem Aushärtungsmittel wie einer Säure und einem Treibmittel wie einem C5- bis C7-Kohlenwasserstoff kombiniert wird. Die Melamin-Formaldehyd-Lösung oder das Harz wird dann bei erhöhter Temperatur oberhalb des Siedepunkts des Treibmittels gehärtet, um ein OCMF herzustellen, das eine Vielzahl miteinander verbundener, dreidimensional verzweigter Melaminstrukturen, mit einem entsprechenden Netzwerk aus miteinander verbundenen Poren, die in das Gerüst integriert sind, umfasst. Die Melamin-Formaldehyd-Vorkondensate weisen im Allgemeinen ein molares Verhältnis von Formaldehyd zu Melamin im Bereich von 5:1 bis 1,3:1 und typischerweise im Bereich von 3,5:1 bis 1,5:1 auf. Die Vorkondensate können in Form eines Pulvers, eines Sprays, eines Harzes oder einer Lösung vorliegen. Das in der Melamin-Formaldehyd-Vorkondensationslösung enthaltene Lösungsmittel kann Alkohole wie Methanol, Ethanol oder Butanol umfassen.
Der in der Melamin-Formaldehyd-Vorkondensationslösung enthaltene Emulgator/Dispergator kann ein anionisches Tensid, einen kationischen Emulgator oder ein nichtionisches Tensid umfassen. Nützliche anionische Tenside enthalten Diphenylenoxidsulfonate, Alkan- und Alkylbenzolsulfonate, Alkylnaphthalinsulfonate, Olefinsulfonate, Alkylethersulfonate, Fettalkoholsulfate, Ethersulfate, α-Sulfofettsäureester, Acylaminoalkansulfonate, Acylisethionate, Alkylethercarboxylate, N-Acylsarcosinate, Alkyl- und Alkyletherphosphate, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Nützliche kationische Emulgatoren enthalten Alkyltriammoniumsalze, Alkylbenzyldimethylammoniumsalze oder Alkylpyridiniumsalze, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Nützliche nichtionische Tenside enthalten Alkylphenolpolyglycolether, Fettalkoholpolyglycolether, Fettsäurepolyglycolether, Fettsäurealkanolamide, Ethylenoxid-Propylenoxid-Blockcopolymere, Aminoxide, Glycerinfettsäureester, Sorbitanester und Alkylpolyglycoside, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Der Emulgator/Dispergator kann in Mengen von 0,2 bis 5 Gew.-%, bezogen auf das Melamin-Formaldehyd-Vorkondensat, zugesetzt werden.
Das in der Melamin-Formaldehyd-Vorkondensationslösung enthaltene Aushärtungsmittel kann saure Verbindungen umfassen. Die Menge dieser Aushärtungsmittel liegt im Allgemeinen im Bereich von 0,01 bis 20 Gew.-% und typischerweise im Bereich von 0,05 bis 5 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Melamin-Formaldehyd-Vorkondensat. Nützliche saure Verbindungen enthalten organische und anorganische Säuren, sind jedoch nicht darauf beschränkt, die beispielsweise aus der Gruppe bestehend aus Salzsäure, Schwefelsäure, Phosphorsäure, Salpetersäure, Ameisensäure, Essigsäure, Oxalsäure, Toluolsulfonsäuren, Amidosulfonsäuren, Säureanhydride und Mischungen davon ausgewählt sind.
Das in der Melamin-Formaldehyd-Vorkondensationslösung enthaltene Treibmittel kann physikalische Treibmittel oder chemische Treibmittel umfassen. Nützliche physikalische Treibmittel enthalten Kohlenwasserstoffe, wie Pentan und Hexan; halogenierte Kohlenwasserstoffe, insbesondere chlorierte und/oder fluorierte Kohlenwasserstoffe, beispielsweise Methylenchlorid, Chloroform, Trichlorethan, Chlorfluorkohlenstoffe und teilhalogenierte Fluorchlorkohlenwasserstoffe (H-FCKW); Alkohole, beispielsweise Methanol, Ethanol, n-Propanol oder Isopropanol; Ether, Ketone und Ester, beispielsweise Methylformiat, Ethylformiat, Methylacetat oder Ethylacetat; und Gase wie Luft, Stickstoff oder Kohlendioxid, sind jedoch nicht darauf beschränkt. In bestimmten Ausführungsformen ist es bevorzugt, ein physikalisches Treibmittel mit einem Siedepunkt zwischen 0 °C und 80 °C hinzuzufügen. Nützliche chemische Treibmittel enthalten mit Wasser gemischte Isocyanate (die Kohlendioxid als aktives Treibmittel freisetzen); mit Säuren gemischte Carbonate und/oder Bicarbonate (die Kohlendioxid als aktives Treibmittel freisetzen); und Azoverbindungen, beispielsweise Azodicarbonamid, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Das Treibmittel ist in der Melamin-Formaldehyd-Vorkondensationslösung in einer Menge von 0,5 bis 60 Gew.-%, insbesondere 1 bis 40 Gew.-% und in bestimmten Ausführungsformen 1,5 bis 30 Gew.-%, bezogen auf das Melamin-Formaldehyd-Vorkondensat, enthalten.
Die Melamin-Formaldehyd-Vorkondensationslösung kann zu einem Melamin-OCMF-Material geformt werden, indem die Lösung auf eine Temperatur im Allgemeinen oberhalb des Siedepunkts des verwendeten Treibmittels erhitzt wird, wodurch ein OCMF gebildet wird, das eine Vielzahl miteinander verbundener, dreidimensional verzweigter Melaminstrukturen, ein entsprechendes Netzwerk miteinander verbundener offenzelliger Poren, die in das Gerüst integriert sind, umfasst. Das Einbringen von Wärmeenergie kann über elektromagnetische Strahlung erfolgen, beispielsweise über Hochfrequenzstrahlung mit 5 bis 400 kW, beispielsweise 5 bis 200 kW, und in bestimmten Ausführungsformen 9 bis 120 kW pro Kilogramm der verwendeten Mischung in einem Frequenzbereich von 0,2 bis 100 GHz oder genauer 0,5 bis 10 GHz. Magnetrone sind eine nützliche Quelle dielektrischer Strahlung, und es können ein Magnetron oder zwei oder mehr Magnetrone gleichzeitig verwendet werden.
Das OCMF-Material kann getrocknet werden, um restliche Flüssigkeiten (Wasser, Lösungsmittel, Treibmittel) aus dem OCMF-Material zu entfernen. Eine Nachbehandlung kann auch zum Hydrophobieren des OCMF-Materials verwendet werden. Bei dieser Nachbehandlung können hydrophobe Beschichtungsmittel mit hoher thermischer Stabilität und/oder Schwerentflammbarkeit eingesetzt werden, beispielsweise Silikone, Silikonate oder fluorierte Verbindungen.
Die Dichte des Melamin-OCMF liegt im Allgemeinen im Bereich von 0,005 bis 0,3 g/cc, beispielsweise im Bereich von 0,01 bis 0,2 g/cc, in bestimmten Ausführungsformen im Bereich von 0,03 bis 0,15 g/cc, oder ganz besonders im Bereich von 0,05 bis 0,15 g/cc. Der durchschnittliche Porendurchmesser des Melamin-OCMF liegt im Allgemeinen im Bereich von 10 µm bis etwa 1000 µm, insbesondere im Bereich von 50 bis 700 µm.
In einer Ausführungsform werden OCMF-Verstärkungsmaterialien in die Aerogelzusammensetzung als durchgehende Bahn eingearbeitet. Das Verfahren umfasst anfänglich das Herstellen einer fortlaufenden Folie aus OCMF-verstärktem Gel durch Gießen oder Imprägnieren einer Gelvorläuferlösung in eine fortlaufende Folie aus OCMF-Verstärkungsmaterial und das Formenlassen des Materials zu einer verstärkten Gel-Verbundfolie. Die Flüssigkeit kann dann zumindest teilweise aus der OCMF-verstärkten Gel-Verbundfolie extrahiert werden, um eine folienartige, OCMF-verstärkte Aerogelzusammensetzung herzustellen.
Aerogelzusammensetzungen können ein Trübungsmittel enthalten, um die Strahlungskomponente der Wärmeübertragung zu reduzieren. An jedem Punkt vor der Gelbildung können Trübungsverbindungen oder Vorläufer davon in der Gelvorläufer umfassenden Mischung dispergiert werden. Beispiele für Trübungsverbindungen beinhalten Borcarbid (B₄C), Diatomit, Manganferrit, MnO, NiO, SnO, Ag₂O, Bi₂O₃, Ruß, Graphit, Titanoxid, Eisentitanoxid, Aluminiumoxid, Zirkoniumsilikat, Zirkoniumoxid, Eisen(II)oxid, Eisen(III)oxid, Mangandioxid, Eisentitanoxid (Ilmenit), Chromoxid, Carbide (wie SiC, TiC oder WC) oder Mischungen davon, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Beispiele für Vorläufer von Trübungsverbindungen beinhalten TiOSO₄ oder TiOCl₂, sind jedoch nicht darauf beschränkt. In einigen Ausführungsformen können die als Additive verwendeten Trübungsverbindungen Whisker oder Fasern aus Siliciumcarbid ausschließen. Wenn Aerogelzusammensetzungen zur Verwendung in elektrischen Vorrichtungen vorgesehen sind, z. B. in Batterien als Sperrschicht oder andere verwandte Anwendungen, kann die Zusammensetzung, die ein Trübungsmittel enthält, wünschenswerterweise eine hohe dielektrische Festigkeit mit hohem Durchgangs- und Oberflächenwiderstand besitzen. In solchen Ausführungsformen können als Trübungsmittel verwendete Kohlenstoffadditive nicht leitfähig oder modifiziert sein, um die elektrische Leitfähigkeit zu verringern. Beispielsweise kann das Trübungsmittel oberflächenoxidiert werden, um die elektrische Leitfähigkeit zu verringern. In einigen Ausführungsformen können kohlenstoffhaltige Additive mit inhärenter elektrischer Leitfähigkeit als Trübungsmittel in Aerogelzusammensetzungen verwendet werden, die zur Verwendung in elektrischen Vorrichtungen bestimmt sind. In solchen Ausführungsformen können die leitfähigen kohlenstoffhaltigen Additive in Konzentrationen unterhalb der Perkolationsschwelle verwendet werden, um eine Zusammensetzung mit einer geeigneten dielektrischen Festigkeit zur Verwendung in einer elektrischen Vorrichtung bereitzustellen.
Aerogelzusammensetzungen können ein oder mehrere Brandschutzadditive enthalten. Der Begriff „Brandschutzadditiv“ bezeichnet im Rahmen der vorliegenden Offenbarung ein Material, das im Rahmen des Brandverhaltens endotherm wirkt und in eine Aerogelzusammensetzung eingearbeitet werden kann. Darüber hinaus weisen Brandschutzadditive in bestimmten Ausführungsformen einen Beginn der endothermen Zersetzung (E_D) auf, der nicht mehr als 100 °C höher ist als der Beginn der thermischen Zersetzung (T_d) der Aerogelzusammensetzung, in der das Brandschutzadditiv vorhanden ist, und in bestimmten Ausführungsformen auch eine E_D, die nicht mehr als 50 °C niedriger ist als die T_d der Aerogelzusammensetzung, in der das Brandschutzadditiv vorhanden ist. Mit anderen Worten, die E_D von Brandschutzadditiven weist einen Bereich von (T_d - 50 °C) bis (T_d+ 100 °C) auf: $E_{D} {\begin{matrix} m a x . : T_{d} + 100 ° C \\ m i n . : T_{d} - 50 ° C \end{matrix}$
Vor, gleichzeitig mit oder sogar nach dem Einbringen oder Mischen mit dem Sol (z. B. Kieselsol, auf verschiedene Weise aus Alkylsilikaten oder Wasserglas hergestellt, wie es im Stand der Technik verstanden wird), können Brandschutzadditive damit gemischt oder anderweitig in ein Medium dispergiert werden, das Ethanol und gegebenenfalls bis zu 10 Vol.-% Wasser enthält. Die Mischung kann nach Bedarf gemischt und/oder gerührt werden, um eine im Wesentlichen gleichmäßige Verteilung der Additive in dem Medium zu erreichen. Ohne an eine Theorie gebunden zu sein, stellt die Verwendung einer hydratisierten Form der oben erwähnten Tone und anderer Brandschutzadditive einen zusätzlichen endothermen Effekt bereit. Beispielsweise sind Halloysit-Ton (unter dem Handelsnamen DRAGONITE von Applied Minerals, Inc. oder von Imerys einfach als Halloysit kommerziell erhältlich) und Kaolinit-Ton Aluminiumsilikat-Tone, die in hydratisierter Form eine endotherme Wirkung haben, indem sie bei erhöhten Temperaturen Hydratationswasser freisetzen (Gasverdünnung). Als weiteres Beispiel können Carbonate in hydratisierter Form beim Erhitzen oder bei erhöhten Temperaturen Kohlendioxid freisetzen.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bedeuten die Begriffe „Dehydratisierungswärme“ die Wärmemenge, die erforderlich ist, um das Wasser (und ggf. die Dihydroxylierung) aus dem Material zu verdampfen, das in hydratisierter Form vorliegt, wenn es keinen erhöhten Temperaturen ausgesetzt wird. Die Dehydratisierungswärme wird typischerweise auf einer Gewichtseinheitsbasis ausgedrückt.
In bestimmten Ausführungsformen weisen Brandschutzadditive der vorliegenden Offenbarung einen Beginn der thermischen Zersetzung bei etwa 100 °C oder mehr, etwa 130 °C oder mehr, etwa 200 °C oder mehr, etwa 230 °C oder mehr, etwa 240 °C oder mehr, etwa 330 °C oder mehr, 350 °C oder mehr, etwa 400 °C oder mehr, etwa 415 °C oder mehr, etwa 425 °C oder mehr, etwa 450 °C oder mehr, etwa 500 °C oder mehr, etwa 550 °C oder mehr, etwa 600 °C oder mehr, etwa 650 °C oder mehr, etwa 700 °C oder mehr, etwa 750 °C oder mehr, etwa 800 °C oder mehr oder in einem Bereich zwischen zwei beliebigen dieser Werte auf. In bestimmten Ausführungsformen weisen Brandschutzadditive der vorliegenden Offenbarung einen Beginn der thermischen Zersetzung bei etwa 440 °C oder 570 °C auf. In bestimmten Ausführungsformen weisen Brandschutzadditive der vorliegenden Offenbarung einen Beginn der thermischen Zersetzung auf, die nicht mehr als 50 °C über oder unter der T_d der Aerogelzusammensetzung (ohne das Brandschutzadditiv) liegt, in die das Brandschutzadditiv eingearbeitet ist, nicht mehr als 40 °C darüber oder darunter, nicht mehr als 30 °C darüber oder darunter, nicht mehr als 20 °C darüber oder darunter, nicht mehr als 10 °C darüber oder darunter, nicht mehr als 5 °C darüber oder darunter oder in einem Bereich zwischen zwei beliebigen dieser Werte.
Die Brandschutzadditive dieser Offenbarung enthalten Tonmaterialien wie, jedoch nicht beschränkt auf, Schichtsilikat-Tone (wie IIIit), Kaolin oder Kaolinit (Aluminiumsilikat; Al₂Si₂O₅(OH)₄), Metakaolin, Halloysit (Aluminiumsilikat; Al₂Si₂O₅(OH)₄), Endellit (Aluminiumsilikat; Al₂Si₂O₅(OH)₄), Glimmer (Kieselerde), Diaspore (Aluminiumoxidhydroxid; α-AIO(OH)), Gibbsit (Aluminiumhydroxid), Böhmit (Aluminiumoxidhydroxid; y-AIO(OH)), Montmorillonit, Beidellit, Pyrophyllit (Aluminiumsilikat; AL₂Si₄O₁₀(OH)₂), Nontronit, Bravaisit, Smektit, Leverrierit, Rectorit, Celadonit, Attapulgit, Chloropal, Volkonskoit, Allophan, Racewinit, Dillnit, Severit, Miloschit, Collyrit, Cimolit und Newtonit, Natriumbicarbonat (NaHCO₃). Magnesiumhydroxid (oder Magnesiumdihydroxid, „MDH“), Aluminiumoxidtrihydrat („ATH“), Gips (Calciumsulfatdihydrat; CaSO₄·2H₂O), Barringtonit (MgCO₃·2H₂O), Nesquehonit (MgCO₃-3H₂O), Lansfordit (MgCO₃·5H₂O), Hydromagnesit (hydratisiertes Magnesiumcarbonat; Mg₅(CO₃)₄(OH)₂·4H₂O), andere Carbonate wie, jedoch nicht beschränkt auf, Dolomit und Lithiumcarbonat. Unter den Tonmaterialien verwenden bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung Tonmaterialien, die mindestens eine teilweise geschichtete Struktur aufweisen. In bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung weisen Tonmaterialien als Brandschutzadditive in den Aerogelzusammensetzungen mindestens etwas Wasser auf, beispielsweise in hydratisierter Form. Die Additive können in hydratisierter kristalliner Form vorliegen oder können bei der Herstellung/Verarbeitung der Zusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung hydratisiert werden. In bestimmten Ausführungsformen enthalten Brandschutzadditive auch niedrig schmelzende Additive, die Wärme ohne eine Änderung der chemischen Zusammensetzung absorbieren. Ein Beispiel dieser Klasse ist ein niedrig schmelzendes Glas, wie z. B. inerte Glasperlen. Andere Additive, die in den Zusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung nützlich sein können, beinhalten Wollastonit (Kalziumsilikat) und Titandioxid (TiO₂), sind jedoch nicht darauf beschränkt. In bestimmten Ausführungsformen können andere Additive Infrarot-Trübungsmittel wie Titandioxid oder Siliciumcarbid, jedoch nicht beschränkt auf Keramisierungsmittel wie unter anderem niedrig schmelzende Glasfritte, Calciumsilikat oder Kohlebildner wie unter anderem Phosphate und Sulfate enthalten. In bestimmten Ausführungsformen können Additive spezielle Verarbeitungsüberlegungen erfordern, wie etwa Techniken, um sicherzustellen, dass die Additive gleichmäßig verteilt und nicht stark agglomeriert sind, um Schwankungen der Produktleistung zu verursachen. Die Verarbeitungstechniken können zusätzliche statische und dynamische Mischer, Stabilisatoren, Anpassungen von Verfahrensbedingungen und andere im Stand der Technik bekannte umfassen.
Die Menge an Additiven in den hier offenbarten Aerogelzusammensetzungen kann von den gewünschten Eigenschaften der Zusammensetzung abhängen. Die Menge an Additiven, die während der Herstellung und Verarbeitung der Sol-GelZusammensetzungen verwendet wird, wird typischerweise als Gewichtsprozent relativ zum Silicagehalt des Sols bezeichnet. Die Menge an Additiven im Sol kann von etwa 5 Gew.-% bis etwa 70 Gew.-% relativ zum Silicagehalt variieren. In bestimmten Ausführungsformen liegt die Menge an Additiven im Sol zwischen 10 Gew.-% und 60 Gew.-% relativ zum Silicagehalt und in bestimmten bevorzugten Ausführungsformen zwischen 20 Gew.-% und 40 Gew.-% relativ zum Silicagehalt. In beispielhaften Ausführungsformen liegt die Menge an Additiven im Sol relativ zum Silicagehalt im Bereich von etwa 5 % bis etwa 20 %, etwa 10 % bis etwa 20 %, etwa 10 % bis etwa 30 %, etwa 10 % bis etwa 20 %, etwa 30 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-%, etwa 35 Gew.% bis etwa 45 Gew.-% oder etwa 35 Gew.-% bis etwa 40 Gew.-% relativ zum Silicagehalt. In einigen Ausführungsformen beträgt die Menge an Additiven im Sol mindestens etwa 10 Gew.-% relativ zum Silicagehalt oder etwa 10 Gew.-% relativ zum Silicagehalt. In einigen Ausführungsformen liegt die Menge an Additiven im Bereich von etwa 5 Gew.-% bis etwa 15 Gew.-% relativ zum Silicagehalt. In bestimmten Ausführungsformen können die Additive von mehr als einem Typ sein. In den endgültigen Aerogelzusammensetzungen können auch ein oder mehrere Brandschutzadditive vorhanden sein. In einigen bevorzugten Ausführungsformen, die Brandschutzadditive aus Aluminiumsilicat umfassen, sind die Additive in den Aerogelzusammensetzungen in etwa 60-70 Gew.-% relativ zum Silicagehalt vorhanden. Beispielsweise beträgt in einigen bevorzugten Ausführungsformen, die Aluminiumsilikat-Brandschutzadditive wie Kaolin oder Kombinationen von Aluminiumsilikat-Brandschutzadditiven wie Kaolin mit Aluminiumoxidtrihydrat („ATH“) enthalten, die Gesamtmenge an Additiven, die in den Aerogelzusammensetzungen vorhanden sind, etwa 30-40 Gew.-% relativ zum Silicagehalt. Als weiteres Beispiel beträgt in einigen bevorzugten Ausführungsformen, in denen Additive Siliciumcarbid enthalten, die Gesamtmenge an Additiven, die in den Aerogelzusammensetzungen vorhanden sind, etwa 30-40 Gew.-%, z. B. 35 Gew.-%, relativ zum Silicagehalt. Als weiteres Beispiel beträgt in einigen bevorzugten Ausführungsformen, in denen Additive Siliciumcarbid enthalten, die Gesamtmenge an Additiven, die in den Aerogelzusammensetzungen vorhanden sind, etwa 5-15 Gew.-%, z. B. 10 Gew.-%, relativ zum Silicagehalt.
Wenn auf die endgültigen verstärkten Aerogelzusammensetzungen Bezug genommen wird, wird die Menge an Additiven typischerweise als Gewichtsprozent der endgültigen verstärkten Aerogelzusammensetzung bezeichnet. Die Menge an Additiven in der endgültigen verstärkten Aerogelzusammensetzung kann von etwa 1 bis etwa 50 Gew.%, etwa 1 bis etwa 25 Gew.-% oder etwa 10 bis etwa 25 Gew.-% der verstärkten Aerogelzusammensetzung variieren. In beispielhaften Ausführungsformen liegt die Menge an Additiven in der endgültigen verstärkten Aerogelzusammensetzung im Bereich von etwa 10 bis etwa 20 Gew.-% der verstärkten Aerogelzusammensetzung. In beispielhaften Ausführungsformen liegt die Menge an Additiven in der endgültigen verstärkten Aerogelzusammensetzung als Gewichtsprozentsatz der Zusammensetzung bei etwa 1 %, etwa 2 %, etwa 3 %, etwa 4 %, etwa 5 %, etwa 6 %, etwa 7 %, etwa 8 %, etwa 9 %, etwa 10 %, etwa 11 %, etwa 12 %, etwa 13 %, etwa 14 %, etwa 15 %, etwa 16 %, etwa 17 %, etwa 18 %, etwa 19 %, etwa 20 % oder in einem Bereich zwischen beliebigen der vorgenannten Prozentsätze. In bestimmten Ausführungsformen beträgt die Menge an Additiven in der endgültigen verstärkten Aerogelzusammensetzung etwa 15 Gew.-% der verstärkten Aerogelzusammensetzung. In bestimmten Ausführungsformen beträgt die Menge an Additiven in der endgültigen verstärkten Aerogelzusammensetzung etwa 13 Gew.-% der verstärkten Aerogelzusammensetzung. Beispielsweise beträgt in einigen bevorzugten Ausführungsformen, die Additive wie Siliciumcarbid enthalten, die Gesamtmenge an Additiven, die in den Aerogelzusammensetzungen vorhanden sind, etwa 10-20 Gew.-%, z. B. etwa 15 Gew.-% der verstärkten Aerogelzusammensetzung. Als weiteres Beispiel beträgt in einigen bevorzugten Ausführungsformen, in denen Additive Siliciumcarbid enthalten, die Gesamtmenge an Additiven, die in den Aerogelzusammensetzungen vorhanden sind, etwa 3-5 Gew.-%, z. B. etwa 4 Gew.-% der verstärkten Aerogelzusammensetzung.
In bestimmten Ausführungsformen können Brandschutzadditive basierend auf ihrer Anfangstemperatur der thermischen Zersetzung klassifiziert oder gruppiert werden. Beispielsweise können Brandschutzadditive so klassifiziert oder gruppiert werden, dass sie eine Anfangstemperatur der thermischen Zersetzung von weniger als etwa 200 °C, weniger als etwa 400 °C oder mehr als etwa 400 °C aufweisen. Zu Additiven mit einer Anfangstemperatur der thermischen Zersetzung von weniger als etwa 200 °C gehören beispielsweise Natriumbicarbonat (NaHCO₃), Nesquehonit (MgCO₃-3H₂O) und Gips (Calciumsulfatdihydrat; CaSO₄·2H₂O). Als weiteres Beispiel enthalten Additive mit einer Anfangstemperatur der thermischen Zersetzung von weniger als etwa 400 °C Aluminiumoxidtrihydrat („ATH“), Hydromagnesit (hydratisiertes Magnesiumcarbonat; Mg₅(CO₃)₄(OH)₂·4H₂O) und Magnesiumhydroxid (oder Magnesiumdihydroxid, „MDH“). Als weiteres Beispiel enthalten Additive mit einer Temperatur des Beginns der thermischen Zersetzung von weniger als etwa 400 °C Halloysit (Aluminiumsilikat; Al₂Si₂O₅(OH)₄), Kaolin oder Kaolinit (Aluminiumsilikat; Al₂Si₂O₅(OH)₄), Böhmit (Aluminiumoxidhydroxid; γ-AIO(OH)) oder Hochtemperatur-Phasenwechselmaterialien (PCM).
In bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung liegen Tonmaterialien, z. B. Alumosilicat-Tone, wie Halloysit oder Kaolinit, als Additive in den Aerogelzusammensetzungen in dehydratisierter Form vor, z. B. Meta-Halloysit oder Metakaolin. Andere Additive, die in den Zusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung nützlich sein können, beinhalten Wollastonit (Kalziumsilikat) und Titandioxid (TiO2), sind jedoch nicht darauf beschränkt. In bestimmten Ausführungsformen können andere Additive Infrarot-Trübungsmittel wie Titandioxid oder Siliciumcarbid, jedoch nicht beschränkt auf Keramisierungsmittel wie unter anderem niedrig schmelzende Glasfritte, Calciumsilikat oder Kohlebildner wie unter anderem Phosphate und Sulfate enthalten. In bestimmten Ausführungsformen können Additive spezielle Verarbeitungsüberlegungen erfordern, wie etwa Techniken, um sicherzustellen, dass die Additive gleichmäßig verteilt und nicht stark agglomeriert sind, um Schwankungen der Produktleistung zu verursachen. Die Verarbeitungstechniken können zusätzliche statische und dynamische Mischer, Stabilisatoren, Anpassungen von Verfahrensbedingungen und andere im Stand der Technik bekannte umfassen. In den endgültigen Aerogelzusammensetzungen können auch ein oder mehrere Brandschutzadditive vorhanden sein.
In bestimmten Ausführungsformen kann der Einschluss von Additiven, z. B. Materialien auf Alumosilicat-Ton-Basis, wie Halloysit oder Kaolin, in die Aerogelmaterialien und -zusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung verbesserte Schrumpfungseigenschaften bei hoher Temperatur bereitstellen. Ein beispielhaftes Testverfahren für die Schrumpfung bei hoher Temperatur ist das „Standardprüfverfahren zur Bestimmung der linearen Schwindung von Wärmedämmungen aus hochfeuerfesten Fertigteilen mittels Durchflutungswärme (ASTM C356, ASTM International, West Conshohocken, PA). Bei solchen Tests, die als „Thermal Soak“ (Wärmedurchflutung) bezeichnet werden, werden Materialien für eine Dauer von bis zu 60 Minuten Temperaturen von mehr als 1000 °C ausgesetzt. In bestimmten beispielhaften Ausführungsformen können Aerogelmaterialien oder - zusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung eine Hochtemperaturschrumpfung aufweisen, d. h. eine lineare Schrumpfung, Breitenschrumpfung, Dickenschrumpfung oder eine beliebige Kombination aus Dimensionsschrumpfung von etwa 20 % oder weniger, etwa 15 % oder weniger, etwa 10 % oder weniger, etwa 6 % oder weniger, etwa 5 % oder weniger, 4 % oder weniger, 3 % oder weniger, 2 % oder weniger, 1 % oder weniger oder in einem Bereich zwischen zwei beliebigen dieser Werte.
In einigen beispielhaften Ausführungsformen können bestimmte basische Katalysatoren, die verwendet werden, um Vorläuferreaktionen zu katalysieren, zu Spuren von Alkalimetallen in der Aerogelzusammensetzung führen. Spurenmengen, z. B. 100 bis 500 ppm, von Alkali, z. B. Natrium oder Kalium, in den Aerogelmaterialien können eine nachteilige Wirkung auf die Schrumpfung bei hoher Temperatur und die Wärmebeständigkeit haben. Ohne an einen bestimmten Mechanismus oder eine bestimmte Theorie gebunden zu sein, können Materialien auf Alumosilicat-Ton-Basis, wie Halloysit oder Kaolin, flüchtiges Alkali, z. B. Natrium oder Kalium, sequestrieren, wodurch die Wirkung von Alkali auf die Schrumpfung und die thermische Beständigkeit reduziert oder eliminiert wird. In bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung liegen die Alumosilicat-Tonmaterialien in der dehydratisierten Form vor, z. B. als Meta-Halloysit oder Metakaolin. Beispielsweise können Aerogelmaterialien oder -zusammensetzungen, die eine Menge an Metakaolin oder Meta-Halloysit von mehr als etwa 0,5 Gew.-% relativ zum Silicagehalt enthalten, die Wärmeschrumpfung und die Wärmebeständigkeit signifikant verringern. In beispielhaften Ausführungsformen können Aerogelmaterialien oder -zusammensetzungen eine Menge an Metakaolin oder Meta-Halloysit in einem Bereich von etwa 0,5 Gew.-% bis etwa 3,0 Gew.-% relativ zum Silicagehalt enthalten.
1 veranschaulicht Testdaten für Proben von Wärmeregulierungselementmaterialien gemäß hier offenbarten Ausführungsformen, bei denen eine Temperatur von 650 °C auf eine Oberfläche eines Wärmeregulierungselements, d. h. die heiße Seite, aufgebracht wurde und die Temperatur auf der anderen Seite des Wärmeregulierungselements, d. h. die kalte Seite, wurde über den Zeitverlauf gemessen. Die Kontrollprobe entspricht der Zusammensetzung von Beispiel 1, das nachstehend ausführlicher beschrieben wird. Die Proben A, B und C sind Ausführungsformen von hier offenbarten Wärmeregulierungselementen, die Kaolin als Additiv enthalten. Probe A entspricht der Zusammensetzung von Beispiel 2, das nachstehend ausführlicher beschrieben wird. Probe B entspricht der Zusammensetzung von Beispiel 4 unten. Probe C entspricht der Zusammensetzung von Beispiel 3 unten. Wie in 1 gezeigt, bieten die Kaolin enthaltenden Zusammensetzungen eine Zeit zum Erreichen einer Temperatur von 75 °C an der kalten Fläche von etwa 30 Sekunden, eine Zeit zum Erreichen einer Temperatur von 120 °C an der kalten Fläche von etwa 1 Minute, eine Zeit zum Erreichen einer Temperatur von 150 °C an der kalten Fläche von etwa 90 Sekunden und eine Zeit zum Erreichen einer Temperatur von 180 °C an der kalten Fläche von etwa 4 Minuten. Überraschend und unerwartet war die ungewöhnlich gute Leistung mit Kaolinmineralien als Additiv in Temperaturbereichen unter 200 °C.
In bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden Verfahren bereitgestellt, um verstärkte Aerogelzusammensetzungen mit Brandschutzleistung herzustellen. Die Brandschutzzusammensetzungen dieser Ausführungsformen besitzen auch eine ausreichende Hydrophobizität zur Verwendung als Wärmedämmung in industriellen Umgebungen, gemessen anhand der Wasseraufnahme, und eine geringe Wärmeleitfähigkeit, um dabei zu helfen, die immer anspruchsvolleren Energieeinsparanforderungen zu erfüllen. Um diese Kombinationen wünschenswerter Eigenschaften zu erhalten, ist es nicht erfolgreich, Additive oder sogar Brandschutzadditive einfach zuzusetzen. Während man verschiedene Permutationen und Kombinationen oder verschiedene Additive ausprobieren und zu einer optimierten Lösung gelangen kann, sind solche Bemühungen nicht immer erfolgreich und bergen Risiken für eine praktikable Herstellung mit wiederholbarer Qualitätskontrolle dieser gewünschten Eigenschaften. Ein wichtiger Aspekt dieser Ausführungsformen besteht darin, das thermische Verhalten (bewertet durch Thermogravimetrie oder dynamischer Differenzialkalorimetrie) der Zusammensetzung zu bewerten, die ansonsten alle wünschenswerten Eigenschaften außer dem Brandverhalten bereitstellen würde, und ein Brandschutzadditiv in Betracht zu ziehen, das dem Einsetzen der thermischen Zersetzung der zugrunde liegenden Zusammensetzung oder alternativ der Temperatur, bei der die meiste Wärme abgegeben wird, mit Beginn der thermischen Zersetzung der Brandschutzadditive, oder der Temperatur, bei der die meiste Wärme absorbiert wird, sehr nahe kommt.
In bestimmten Ausführungsformen können die gewünschten Brandeigenschaften der endgültigen Zusammensetzung nicht nur die inhärente Eigenschaft wie Verbrennungswärme (ISO 1716), sondern auch Systembrandeigenschaften wie Brandverhalten gemäß ISO 1182 umfassen. Im Fall von ISO 1182 werden Gewichtsverlust, Anstieg der Ofentemperatur und Flammzeit bewertet, wenn sie einem Ofen mit einer Temperatur von etwa 750 °C ausgesetzt wird.
Eine faser- oder OCMF-verstärkte Aerogelzusammensetzung kann verschiedene Komponenten aufweisen, die dem System oxidierbaren organischen Inhalt (Brennstoff) hinzufügen. Außerdem kann sie verschiedene andere Komponenten enthalten, die zwar nicht als Brennstoff beitragen, aber bei Einwirkung von Feuer die Verbrennung stören können. Daher kann das Verbrennungsverhalten solcher Systeme nicht einfach basierend auf den Bestandteilen vorhergesagt werden. In Situationen, in denen eine Vielzahl von Eigenschaften erwünscht ist, sollte die Zusammensetzung in bestimmten Ausführungsformen ohne Berücksichtigung ihrer Brandeigenschaft erhalten werden, und die Wärmeleistung einer solchen erhaltenen Zusammensetzung sollte bewertet werden, um ein geeignetes Brandschutzadditiv zu finden, das die Brandeigenschaft bereitstellt, ohne die anderen Eigenschaften zu beeinträchtigen, die die Ausgangszusammensetzung bereitstellen sollte.
In bestimmten Ausführungsformen ist der Beginn der thermischen Zersetzung eine kritische Eigenschaft der Zusammensetzung. In bestimmten anderen Ausführungsformen kann die Temperatur, bei der die Spitzenwärme freigesetzt wird, eine kritische Eigenschaft für die Zwecke der Entwicklung einer Aerogelzusammensetzung mit verbessertem Brandverhalten sein. Wenn mehrere Brennstoffkomponenten in der durch mehrere Spitzen in der DDK-Kurve identifizierten Zusammensetzung vorhanden sind, sind solche Zusammensetzungen gut bedient, indem die Temperatur der Spitzenwärmefreisetzung der verstärkten Aerogelzusammensetzung mit einem Brandschutzadditiv mit einer Temperatur der endothermen Spitzenwärmefreisetzung innerhalb von 140 °C, 120 °C, 100 °C oder 80 °C angepasst wird. In vielen Ausführungsformen liegt die Temperatur der endothermen Spitzenwärmefreisetzung innerhalb von 50 °C.
Es hat sich gezeigt, dass die Aerogelmaterialien und -zusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung als Isoliermaterialien hochwirksam sind. Die Anwendung der Verfahren und Materialien der vorliegenden Offenbarung soll jedoch nicht auf Anwendungen im Zusammenhang mit der Isolierung beschränkt sein. Die Verfahren und Materialien der vorliegenden Offenbarung können auf jedes System oder jede Anwendung angewendet werden, die von der einzigartigen Kombination von Eigenschaften oder Verfahren profitieren würden, die durch die Materialien und Verfahren der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt werden.
Beispiele
Die folgenden Beispiele stellen verschiedene nicht einschränkende Ausführungsformen und Eigenschaften der vorliegenden Offenbarung bereit. In den nachstehenden Beispielen werden die Gewichtsprozente des Additivs mit 100%-Bezug angegeben, der das Gesamtgewicht der Aerogelzusammensetzung ist. 1 und 2 sind Diagramme, die Wärmeregulierungselemente der nachstehenden Beispiele zeigen, die das Zeit-zu-Temperatur-Verhalten steuern.
BEISPIEL 1
Eine glasfaserverstärkte Silica-Aerogelzusammensetzung wurde gemäß den oben offenbarten Verfahren hergestellt. Die verstärkte Silica-Aerogelzusammensetzung wies eine Dicke von etwa 3 mm auf und enthielt 21,7 Gew.-% synthetisches amorphes Silica, 12,2 Gew.-% methylsilyliertes Silica, 62,27 Gew.-% Glasfaser und 3,8 Gew.-% Eisenoxid (Fe₂O₃). Eine quadratische Probe von 8 Zoll dieser Zusammensetzung wurde unter Verwendung eines Leistungstests mit heißer Oberfläche bewertet, wobei die heiße Oberfläche 650 °C aufwies. Die Temperatur an der kalten Fläche der Probenzusammensetzung wurde über einen Zeitraum gemessen. Für die Probenzusammensetzung dieses Beispiels betrug die Zeit bis zum Erreichen einer Temperatur von 75 °C an der kalten Fläche etwa 15 Sekunden, die Zeit bis zum Erreichen einer Temperatur von 120 °C an der kalten Fläche betrug etwa 30 Sekunden, die Zeit bis zum Erreichen eine Temperatur von 150 °C an der kalten Fläche betrug etwa 40 Sekunden, und die Zeit zum Erreichen einer Temperatur von 180 °C an der kalten Fläche betrug etwa 1 Minute. Daten für die Probenzusammensetzung dieses Beispiels entsprechen „Kontrolle“ in dem Diagramm von 1.
BEISPIEL 2
Eine glasfaserverstärkte Silica-Aerogelzusammensetzung wurde gemäß den oben offenbarten Verfahren hergestellt. Die verstärkte Silica-Aerogelzusammensetzung wies eine Dicke von etwa 3 mm auf und enthielt 15,3 Gew.-% synthetisches amorphes Silica, 8,6 Gew.-% methylsilyliertes Silica, 37,8 Gew.-% Glasfaser und 38,3 Gew.-% Kaolin. Die angestrebte Silicadichte betrug 0,07 g/cm³. Eine quadratische Probe von 8 Zoll dieser Zusammensetzung wurde unter Verwendung eines Leistungstests mit heißer Oberfläche bewertet, wobei die heiße Oberfläche 650 °C aufwies. Die Temperatur an der kalten Fläche der Probenzusammensetzung wurde über einen Zeitraum gemessen. Für die Probenzusammensetzung dieses Beispiels betrug die Zeit bis zum Erreichen einer Temperatur von 75 °C an der kalten Fläche etwa 32 Sekunden, die Zeit bis zum Erreichen einer Temperatur von 120 °C an der kalten Fläche betrug etwa 1 Minute, die Zeit bis zum Erreichen einer Temperatur von 150 °C an der kalten Fläche betrug etwa 90 Sekunden, und die Zeit bis zum Erreichen einer Temperatur von 180 °C an der kalten Fläche betrug etwa 4 Minuten. Daten für die Probenzusammensetzung dieses Beispiels entsprechen „A“ in dem Diagramm von 1.
BEISPIEL 3
Eine glasfaserverstärkte Silica-Aerogelzusammensetzung wurde gemäß den oben offenbarten Verfahren hergestellt. Die verstärkte Silica-Aerogelzusammensetzung wies eine Dicke von etwa 3 mm auf und enthielt 15,3 Gew.-% synthetisches amorphes Silica, 8,6 Gew.-% methylsilyliertes Silica, 37,8 Gew.-% Glasfaser und 38,3 Gew.-% Kaolin. Die angestrebte Silicadichte betrug 0,09 g/cm³. Eine quadratische Probe von 8 Zoll dieser Zusammensetzung wurde unter Verwendung eines Leistungstests mit heißer Oberfläche bewertet, wobei die heiße Oberfläche 650 °C aufwies. Die Temperatur an der kalten Fläche der Probenzusammensetzung wurde über einen Zeitraum gemessen. Für die Probenzusammensetzung dieses Beispiels betrug die Zeit bis zum Erreichen einer Temperatur von 75 °C an der kalten Fläche etwa 38 Sekunden, die Zeit bis zum Erreichen einer Temperatur von 120 °C an der kalten Fläche betrug etwa 68 Sekunden, die Zeit bis zum Erreichen einer Temperatur von 150 °C an der kalten Fläche betrug etwa 102 Sekunden, und die Zeit zum Erreichen einer Temperatur von 180 °C an der kalten Fläche betrug etwa 4 Minute. Daten für die Probenzusammensetzung dieses Beispiels entsprechen „C“ in dem Diagramm von 1.
BEISPIEL 4
Eine glasfaserverstärkte Silica-Aerogelzusammensetzung wurde gemäß den oben offenbarten Verfahren hergestellt. Die verstärkte Silica-Aerogelzusammensetzung wies eine Dicke von etwa 3 mm auf und enthielt 15,3 Gew.-% synthetisches amorphes Silica, 8,6 Gew.-% methylsilvliertes Silica, 37,8 Gew.-% Glasfaser und 38,3 Gew.-% einer Kombination aus Kaolin und ATH. Die angestrebte Silicadichte betrug 0,07 g/cm³. Eine quadratische Probe von 8 Zoll dieser Zusammensetzung wurde unter Verwendung eines Leistungstests mit heißer Oberfläche bewertet, wobei die heiße Oberfläche 650 °C aufwies. Die Temperatur an der kalten Fläche der Probenzusammensetzung wurde über einen Zeitraum gemessen. Für die Probenzusammensetzung dieses Beispiels betrug die Zeit bis zum Erreichen einer Temperatur von 75 °C an der kalten Fläche etwa 36 Sekunden, die Zeit bis zum Erreichen einer Temperatur von 120 °C an der kalten Fläche betrug etwa 1 Minute, die Zeit bis zum Erreichen einer Temperatur von 150 °C an der kalten Fläche betrug etwa 96 Sekunden, und die Zeit bis zum Erreichen einer Temperatur von 180 °C an der kalten Fläche betrug etwa 3 Minuten 21 Sekunden. Daten für die Probenzusammensetzung dieses Beispiels entsprechen „B“ in dem Diagramm von 1.
BEISPIEL 5
Eine glasfaserverstärkte Silica-Aerogelzusammensetzung wurde gemäß den oben offenbarten Verfahren hergestellt. Die verstärkte Silica-Aerogelzusammensetzung wies eine Dicke von etwa 3,5 mm auf und enthielt 21,7 Gew.-% synthetisches amorphes Silica, 12,2 Gew.-% methylsilyliertes Silica, 62,27 Gew.-% Glasfaser und 3,8 Gew.-% Eisenoxid (Fe₂CO₃). Eine quadratische Probe von 8 Zoll dieser Zusammensetzung wurde unter Verwendung eines Leistungstests mit heißer Oberfläche bewertet, wobei die heiße Oberfläche 650 °C aufwies. Die Temperatur an der kalten Fläche der Probenzusammensetzung wurde über einen Zeitraum gemessen. Für die Probenzusammensetzung dieses Beispiels betrug die Zeit bis zum Erreichen einer Temperatur von 75 °C an der kalten Fläche etwa 13 Sekunden, die Zeit bis zum Erreichen einer Temperatur von 120 °C an der kalten Fläche betrug etwa 22 Sekunden, die Zeit bis zum Erreichen einer Temperatur von 150 °C an der kalten Fläche betrug etwa 29 Sekunden, und die Zeit zum Erreichen einer Temperatur von 180 °C an der kalten Fläche betrug etwa 36 Sekunden. Daten für die Probenzusammensetzung dieses Beispiels entsprechen „Kontrolle“ in dem Diagramm von 2.
BEISPIEL 6
Sole von sowohl Methyltriethoxysilan (MTES) als auch Tetraethoxysilan (TEOS) oder Polyethylsilicat (Silbond 40) wurden einzeln durch Hydrolyse unter sauren Bedingungen in Ethanol hergestellt. Das Verhältnis und die Konzentration der Sol-Materialien wurden angepasst, um einen hydrophoben Gehalt von MTES von etwa 36 Gew.-% zu erhalten und um Aerogele mit etwa 8,0 Gew.-% organischem Gehalt innerhalb des Aerogelmaterials zu erhalten. Siliciumcarbid (SiC) wurde in das kombinierte Sol mit einem Gewichtsprozentsatz von mindestens 35 Gew.-% relativ zum Silicagehalt eingearbeitet. Das kombinierte Sol wurde dann nicht weniger als 1 Stunde lang gerührt.
Guanidinhydroxid (2M) wurde dem vereinigten Sol in einer Konzentration zugesetzt, die ausreichend war, um eine Aerogeldichte von etwa 0,07-0,085 g/cc anzustreben. Das SiC enthaltende katalysierte Solwurde in eine faserverstärkende Phase gegossen und gelieren gelassen. Unmittelbar vor und unmittelbar nach dem Gelieren wurde das faserverstärkte Nassgel einer Reihe von Formschritten unter Verwendung einer schweren Edelstahlwalze unterzogen. Das wiederholte Rollen des Nassgels wurde nicht mehr als viermal und bei einer kontrollierten Dicke von 3,0 mm unter Verwendung starrer, nicht komprimierbarer Messblöcke durchgeführt, die an den Rändern des Nassgels angeordnet waren. Nach dem Aushärten für nicht mehr als 1 h bei Raumtemperatur wurden die Aerogelmaterialien etwa 12 h bei 68 °C in Ethanol-Alterungsfluid bei einem ungefähren Fluid:Gel-Verhältnis von 3:1 gealtert. Das gealterte Gel wurde einer Lösungsmittelextraktion mit überkritischem CO₂ unterzogen und dann 2 h bei 110 °C getrocknet.
Die faserverstärkende Phase war ein homogenes Vliesmaterial, das Glasfasern von Textilqualität (E-Glas-Zusammensetzung) von einer Dicke von etwa 5,6 mm mit einer Dichte von etwa 250 g/m² umfasste. Die resultierende verstärkte Silica-Aerogelzusammensetzung war etwa 2,5 mm dick und bestand aus etwa 44 % Aerogel (umfassend etwa 28 % synthetisches amorphes Silica und etwa 16 % methylsilyliertes Silica), 41 % Glasfaser und 15 % Siliciumcarbid, bezogen auf das Gewicht der verstärkten Silica-Aerogelzusammensetzung, was zu einer erwarteten Materialdichte von etwa 0,20 g/cc führt (bei einer Aerogeldichte von 0,085 g/cc).
Eine quadratische Probe von 8 Zoll dieser Zusammensetzung wurde unter Verwendung eines Leistungstests mit heißer Oberfläche bewertet, wobei die heiße Oberfläche 650 °C aufwies. Die Temperatur an der kalten Fläche der Probenzusammensetzung wurde über einen Zeitraum gemessen. Für die Probenzusammensetzung dieses Beispiels betrug die Zeit bis zum Erreichen einer Temperatur von 75 °C an der kalten Fläche etwa 13 Sekunden, die Zeit bis zum Erreichen einer Temperatur von 120 °C an der kalten Fläche betrug etwa 24 Sekunden, die Zeit bis zum Erreichen einer Temperatur von 150 °C an der kalten Fläche betrug etwa 31 Sekunden, und die Zeit zum Erreichen einer Temperatur von 180 °C an der kalten Fläche betrug etwa 42 Sekunden. Daten für die Probenzusammensetzung dieses Beispiels entsprechen „E“ in dem Diagramm von 2.
BEISPIEL 7
Sole von sowohl Methyltriethoxysilan (MTES) als auch Tetraethoxysilan (TEOS) oder Polyethylsilicat (Silbond 40) wurden einzeln durch Hydrolyse unter sauren Bedingungen in Ethanol hergestellt. Das Verhältnis und die Konzentration der Sol-Materialien wurden angepasst, um einen hydrophoben Gehalt von MTES von etwa 36 Gew.-% zu erhalten und um Aerogele mit etwa 8,0 Gew.-% organischem Gehalt innerhalb des Aerogelmaterials zu erhalten. Siliciumcarbid (SiC) wurde in das kombinierte Sol mit einem Gewichtsprozentsatz von mindestens 35 Gew.-% relativ zum Silicagehalt eingearbeitet. Das kombinierte Sol wurde dann nicht weniger als 1 Stunde lang gerührt.
Guanidinhydroxid (2M) wurde dem vereinigten Sol in einer Konzentration zugesetzt, die ausreichend war, um eine Aerogeldichte von etwa 0,07-0,085 g/cc anzustreben. Das SiC enthaltende katalysierte Solwurde in eine faserverstärkende Phase gegossen und gelieren gelassen. Unmittelbar vor und unmittelbar nach dem Gelieren wurde das faserverstärkte Nassgel einer Reihe von Formschritten unter Verwendung einer schweren Edelstahlwalze unterzogen. Das wiederholte Rollen des Nassgels wurde nicht mehr als viermal und bei einer kontrollierten Dicke von 2,0 mm unter Verwendung starrer, nicht komprimierbarer Messblöcke durchgeführt, die an den Rändern des Nassgels angeordnet waren. Nach dem Aushärten für nicht mehr als 1 h bei Raumtemperatur wurden die Aerogelmaterialien etwa 12 h bei 68 °C in Ethanol-Alterungsfluid bei einem ungefähren Fluid:Gel-Verhältnis von 3:1 gealtert. Das gealterte Gel wurde einer Lösungsmittelextraktion mit überkritischem CO₂ unterzogen und dann 2 h bei 110 °C getrocknet.
Die faserverstärkende Phase war ein homogenes Vliesmaterial, das Glasfasern von Textilqualität (E-Glas-Zusammensetzung) von einer Dicke von etwa 5,6 mm mit einer Dichte von etwa 250 g/m² umfasste. Die resultierende verstärkte Silica-Aerogelzusammensetzung war etwa 2,0 mm dick und bestand aus etwa 36 % Aerogel (umfassend etwa 23 % synthetisches amorphes Silica und etwa 13 % methylsilyliertes Silica), 51 % Faser und 13 % Siliciumcarbid, bezogen auf das Gewicht der verstärkten Silica-Aerogelzusammensetzung, einer erwarteten Materialdichte von etwa 0,20 g/cc führt (bei einer Aerogeldichte von 0,085 g/cc).
Eine quadratische Probe von 8 Zoll dieser Zusammensetzung wurde unter Verwendung eines Leistungstests mit heißer Oberfläche bewertet, wobei die heiße Oberfläche 650 °C aufwies. Die Temperatur an der kalten Fläche der Probenzusammensetzung wurde über einen Zeitraum gemessen. Für die Probenzusammensetzung dieses Beispiels betrug die Zeit bis zum Erreichen einer Temperatur von 75 °C an der kalten Fläche etwa 11 Sekunden, die Zeit bis zum Erreichen einer Temperatur von 120 °C an der kalten Fläche betrug etwa 21 Sekunden, die Zeit bis zum Erreichen einer Temperatur von 150 °C an der kalten Fläche betrug etwa 31 Sekunden, und die Zeit zum Erreichen einer Temperatur von 180 °C an der kalten Fläche betrug etwa 39 Sekunden. Daten für die Probenzusammensetzung dieses Beispiels entsprechen „D“ in dem Diagramm von 2.
Eine Probe dieser Zusammensetzung wurde unter Druck bewertet. Die Verformung der Probe wurde gemessen, um eine Spannungs-Dehnungs-Beziehung für die Probe bereitzustellen. Daten für diese Analyse sind in 3 gezeigt.
BEISPIEL 8
Sole von sowohl Methyltriethoxysilan (MTES) als auch Tetraethoxysilan (TEOS) oder Polyethylsilicat (Silbond 40) wurden einzeln durch Hydrolyse unter sauren Bedingungen in Ethanol hergestellt. Das Verhältnis und die Konzentration der Sol-Materialien wurden angepasst, um einen hydrophoben Gehalt von MTES von etwa 36 Gew.-% zu erhalten und um Aerogele mit etwa 8,0 Gew.-% organischem Gehalt innerhalb des Aerogelmaterials zu erhalten. Siliciumcarbid (SiC) wurde in das kombinierte Sol mit einem Gewichtsprozentsatz von mindestens 10 Gew.-% relativ zum Silicagehalt eingearbeitet. Das kombinierte Sol wurde dann nicht weniger als 1 Stunde lang gerührt.
Guanidinhydroxid (2M) wurde dem vereinigten Sol in einer Konzentration zugesetzt, die ausreichend war, um eine Aerogeldichte von etwa 0,07-0,085 g/cc anzustreben. Das SiC enthaltende katalysierte Solwurde in eine faserverstärkende Phase gegossen und gelieren gelassen. Unmittelbar vor und unmittelbar nach dem Gelieren wurde das faserverstärkte Nassgel einer Reihe von Formschritten unter Verwendung einer schweren Edelstahlwalze unterzogen. Das wiederholte Rollen des Nassgels wurde nicht mehr als viermal und bei einer kontrollierten Dicke von 3,0 mm unter Verwendung starrer, nicht komprimierbarer Messblöcke durchgeführt, die an den Rändern des Nassgels angeordnet waren. Nach dem Aushärten für nicht mehr als 1 h bei Raumtemperatur wurden die Aerogelmaterialien etwa 12 h bei 68 °C in Ethanol-Alterungsfluid bei einem ungefähren Fluid:Gel-Verhältnis von 3:1 gealtert. Das gealterte Gel wurde einer Lösungsmittelextraktion mit überkritischem CO₂ unterzogen und dann 2 h bei 110 °C getrocknet.
Die faserverstärkende Phase war ein homogenes Vliesmaterial, das Glasfasern von Textilqualität (E-Glas-Zusammensetzung) von einer Dicke von etwa 4 mm mit einer Dichte von etwa 225 g/m² umfasste. Die resultierende verstärkte Silica-Aerogelzusammensetzung war etwa 2,25 mm dick und bestand aus etwa 39 % Aerogel (umfassend etwa 25 % synthetisches amorphes Silica und etwa 14 % methylsilyliertes Silica), 57 % Glasfaser und 4 % Siliciumcarbid, bezogen auf das Gewicht der verstärkten Silica-Aerogelzusammensetzung, was zu einer erwarteten Materialdichte von etwa 0,16 g/cc führt (bei einer Aerogeldichte von 0,075 g/cc).
Eine quadratische Probe von 8 Zoll dieser Zusammensetzung wurde unter Verwendung eines Leistungstests mit heißer Oberfläche bewertet, wobei die heiße Oberfläche 650 °C aufwies. Die Temperatur an der kalten Fläche der Probenzusammensetzung wurde über einen Zeitraum gemessen. Für die Probenzusammensetzung dieses Beispiels betrug die Zeit bis zum Erreichen einer Temperatur von 75 °C an der kalten Fläche etwa 9 Sekunden, die Zeit bis zum Erreichen einer Temperatur von 120 °C an der kalten Fläche betrug etwa 19 Sekunden, die Zeit bis zum Erreichen einer Temperatur von 150 °C an der kalten Fläche betrug etwa 25 Sekunden, und die Zeit zum Erreichen einer Temperatur von 180 °C an der kalten Fläche betrug etwa 34 Sekunden. Daten für die Probenzusammensetzung dieses Beispiels sind in dem Diagramm von 4 gezeigt.
Die oben dargelegten Vorteile und diejenigen, die aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich sind, werden effizient erreicht. Da bestimmte Änderungen an der obigen Konstruktion vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, sollen alle in der vorstehenden Beschreibung enthaltenen oder in den beigefügten Zeichnungen gezeigten Gegenstände als veranschaulichend und nicht in einem einschränkenden Sinne interpretiert werden.
Es versteht sich auch, dass die folgenden Ansprüche alle allgemeinen und spezifischen Merkmale der hier beschriebenen Erfindung und alle Angaben zum Schutzumfang der Erfindung abdecken sollen, die sprachlich gesehen dazwischen liegen könnten.
Beispielhafte Aspekte
Die vorliegende Erfindung kann durch die folgenden beispielhaften Aspekte gekennzeichnet sein:

1. Wärmeregulierungselement, umfassend:
- mindestens eine Schicht einer Aerogelzusammensetzung, wobei die Aerogelzusammensetzung ein oder mehrere Additive enthält, wobei die Additive in einer Menge von mindestens etwa 5 bis 20 Gew.-% der Aerogelzusammensetzung vorhanden sind;
- mindestens ein nachgiebiges Element; und
- ein thermisch kapazitives Material.
2. Wärmeregulierungselement nach Aspekt 1, wobei die Additive in einer Menge von mindestens etwa 10 bis 20 Gew.-% der Aerogelzusammensetzung vorhanden sind.
3. Wärmeregulierungselement nach Aspekt 1 oder Aspekt 2, wobei das eine oder die mehreren Additive Brandschutzadditive enthalten.
4. Wärmeregulierungselement nach Aspekt 1 oder Aspekt 2, wobei das eine oder die mehreren Additive Trübungsmittel enthalten.
5. Wärmeregulierungselement nach Aspekt 1 oder Aspekt 2, wobei der eine oder die mehreren Additive eine Kombination aus Brandschutzadditiven und Trübungsmitteln enthalten.
6. Batteriemodul nach Aspekt 1 oder Aspekt 2, wobei das eine oder die mehreren Additive ein Tonmineral enthalten.
7. Wärmeregulierungselement nach Aspekt 1 oder Aspekt 2, wobei das eine oder die mehreren Additive Siliciumcarbid enthalten.
8. Wärmeregulierungselement nach einem der vorhergehenden Aspekte, umfassend mindestens zwei Schichten der Aerogelzusammensetzung.
9. Wärmeregulierungselement nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei das thermisch kapazitive Material zwischen mindestens zwei Schichten der Aerogelzusammensetzung angeordnet ist.
10. Wärmeregulierungselement nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei das thermisch kapazitive Material mindestens eine Schicht enthält, die Metall umfasst.
11. Wärmeregulierungselement nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei das mindestens eine nachgiebige Element ein Material umfasst, das aus der Gruppe bestehend aus Polyolefinen, Polyurethanen, Phenolharzen, Melamin, Celluloseacetat und Polystyrol ausgewählt ist.
12. Wärmeregulierungselement nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei das mindestens eine nachgiebige Element zwischen mindestens zwei Schichten der Aerogelzusammensetzung angeordnet ist.
13. Wärmeregulierungselement nach einem der vorhergehenden Aspekte, das ferner ein wärmeleitfähiges Material umfasst.
14. Wärmeregulierungselement nach Aspekt 13, wobei das wärmeleitfähige Material mindestens eine Schicht enthält, die Metall, Kohlenstoff, leitfähiges Polymer oder Kombinationen davon umfasst.
15. Wärmeregulierungselement nach Aspekt 13, wobei das wärmeleitfähige Material zwischen mindestens zwei Schichten der Aerogelzusammensetzung angeordnet ist.
16. Wärmeregulierungselement nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die Aerogelzusammensetzung eine unkomprimierte Dicke im Bereich von etwa 1 mm bis etwa 5 mm aufweist.
17. Wärmeregulierungselement nach Aspekt 16, wobei die Aerogelzusammensetzung eine unkomprimierte Dicke von weniger als etwa 3 mm aufweist.
18. Wärmeregulierungselement nach Aspekt 16, wobei die Aerogelzusammensetzung eine unkomprimierte Dicke von weniger als etwa 2 mm aufweist.
19. Wärmeregulierungselement nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die Aerogelzusammensetzung ein Verstärkungsmaterial enthält.
20. Wärmeregulierungselement nach Aspekt 19, wobei das Verstärkungsmaterial Fasern umfasst.
21. Wärmeregulierungselement nach Aspekt 20, wobei die Faser aus der Gruppe bestehend aus diskreten Fasern, gewebten Materialien, Vliesstoffen, genadelten Vliesstoffen, Watten, Floren, Matten, Filzen und Kombinationen davon ausgewählt ist.
22. Wärmeregulierungselement nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei das Aerogel der Aerogelzusammensetzung anorganische, organische oder anorganisch-organische Hybridmaterialien umfasst.
23. Wärmeregulierungselement nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die Aerogelzusammensetzung eine Silica-Aerogelzusammensetzung ist.
24. Wärmeregulierungselement nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei das Wärmeregulierungselement eine unkomprimierte Dicke im Bereich von etwa 2 mm bis etwa 7 mm aufweist.
25. Wärmeregulierungselement nach einem der vorhergehenden Aspekte, ferner umfassend ein Einkapselungselement, das zumindest eine der ersten oder der zweiten äußeren Oberfläche bildet.
26. Wärmeregulierungselement nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die Aerogelzusammensetzung ein Einkapselungselement enthält.
27. Wärmeregulierungselement nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die Aerogelzusammensetzung voluminös ist.
28. Wärmeregulierungselement nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die Aerogelzusammensetzung um mindestens 50 % ihrer Dicke im unkomprimierten Zustand komprimierbar und ausreichend elastisch ist, um nach dem Komprimieren und Entlasten auf mindestens 70 % ihrer Dicke im unkomprimierten Zustand zurückzukehren.
29. Batteriemodul, umfassend:
- eine erste Batteriezelle und eine zweite Batteriezelle, und
- Wärmeregulierungselement nach einem der Aspekte 1-27, wobei das Wärmeregulierungselement zwischen der ersten Batteriezelle und der zweiten Batteriezelle angeordnet ist.
30. Batteriemodul, umfassend:
- mindestens eine Batteriezelle und
- Wärmeregulierungselement nach einem der Aspekte 1-27, wobei das Wärmeregulierungselement auf einer Oberfläche der mindestens einen Batteriezelle oder auf einer Oberfläche des Batteriemoduls angeordnet ist.
31. Batteriepack, umfassend:
- mindestens eine Batteriezelle und
- Wärmeregulierungselement nach einem der Aspekte 1-27, wobei das Wärmeregulierungselement auf einer Oberfläche der mindestens einen Batteriezelle oder auf einer Oberfläche des Batteriepacks angeordnet ist.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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Claims

Wärmeregulierungselement (10), umfassend: mindestens eine Aerogelschicht (12); und mindestens eine Schicht, die aus einer thermisch kapazitiven und/oder thermisch leitenden Schicht (14), einer nachgiebigen Schicht (44) und einer Verkapselungsschicht ausgewählt ist.
Wärmeregulierungselement nach Anspruch 1, wobei die Schichten (12, 14, 44) in einer beliebigen Reihenfolge angeordnet sind, und die Verkapselungsschicht, soweit vorhanden, eine äußere Oberfläche des Wärmeregulierungs¬elements bildet.
Wärmeregulierungselement nach Anspruch 1, umfassend: eine Aerogelschicht (12); und eine thermisch kapazitive und/oder thermisch leitende Schicht (14).
Wärmeregulierungselement nach Anspruch 3, wobei die thermisch kapazitive und/oder thermisch leitende Schicht (14) auf der Aerogelschicht (12) angeordnet ist.
Wärmeregulierungselement nach Anspruch 3, umfassend: eine erste Aerogelschicht (22); eine zweite Aerogelschicht (23); und eine thermisch kapazitive und/oder thermisch leitende Schicht (14).
Wärmeregulierungselement nach Anspruch 5, wobei die thermisch kapazitive und/oder thermisch leitende Schicht (14) zwischen der ersten und der zweiten Aerogelschicht (22, 23) angeordnet ist.
Wärmeregulierungselement nach Anspruch 5 oder 6, wobei die erste und die zweite Aerogelschicht (22, 23) im Wesentlichen eine erste und eine zweite äußere Oberfläche des Wärmeregulierungselements (10) definieren.
Wärmeregulierungselement nach Anspruch 1 umfassend: eine erste Aerogelschicht (42); eine zweite Aerogelschicht (43); und eine nachgiebige Schicht (44).
Wärmeregulierungselement nach Anspruch 8, wobei die nachgiebige Schicht (44) neben der ersten oder der zweiten Aerogelschicht angeordnet ist.
Wärmeregulierungselement nach Anspruch 8 oder 9, wobei die nachgiebige Schicht (44) zwischen der ersten und der zweiten Aerogelschicht (42, 43) angeordnet ist.
Wärmeregulierungselement nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die erste und die zweite Aerogelschicht (42, 43) im Wesentlichen eine erste und eine zweite äußere Oberfläche des Wärmeregulierungselements (10) definieren.
Wärmeregulierungselement nach einem der Ansprüche 8 bis 11, ferner umfassend mindestens eine thermisch kapazitive und/oder thermisch leitende Schicht (46, 47).
Wärmeregulierungselement nach Anspruch 12, wobei die nachgiebige Schicht (44) neben der mindestens einen thermisch kapazitiven und/oder thermisch leitenden Schicht angeordnet ist.
Wärmeregulierungselement nach Anspruch 12, umfassend eine erste thermisch kapazitive und/oder thermisch leitende Schicht (46) und eine zweite thermisch kapazitive und/oder thermisch leitende Schicht (47).
Wärmeregulierungselement nach Anspruch 14, wobei die erste thermisch kapazitive und/oder thermisch leitende Schicht (46) an der äußeren Oberfläche der ersten Aerogelschicht (42) angeordnet ist.
Wärmeregulierungselement nach Anspruch 14 oder 15, wobei die zweite thermisch kapazitive und/oder thermisch leitende Schicht (46) an der äußeren Oberfläche der zweiten Aerogelschicht (43) angeordnet ist.
Wärmeregulierungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei die mindestens eine thermisch kapazitive und/oder thermisch leitende Schicht mindestens eine Schicht aus einem thermisch leitenden und/oder thermisch kapazitiven Material umfasst.
Wärmeregulierungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei die mindestens eine thermisch kapazitive und/oder thermisch leitende Schicht ferner mindestens eine von einer isolierenden Schicht und/oder einer wärmereflektierenden Schicht umfasst.
Wärmeregulierungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine thermisch kapazitive und/oder thermisch leitende Schicht (12) mindestens eines von einer Beschichtung, einer Paste oder Partikeln aus einem Material umfasst, das eine thermische Leitfähigkeit und/oder Kapazität bereitstellt und wahlweise in der mindestens einen Aerogelschicht angeordnet ist.
Wärmeregulierungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine thermisch kapazitive und/oder thermisch leitende Schicht (12) mindestens zwei isolierende Schichten, thermisch leitende Schichten oder thermisch kapazitive Schichten umfasst.
Wärmeregulierungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine thermisch kapazitive und/oder thermisch leitende Schicht (12) ein Material umfasst, das eine spezifische Wärmekapazität von mindestens 0,3 Joule/Gramm-Grad Celsius (J/g·°C), bevorzugt von mindestens 0,5 (J/g · °C), aufweist.
Wärmeregulierungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine thermisch kapazitive und/oder thermisch leitende Schicht (12) ein Metall, Kohlenstoff, ein thermisch leitendes Polymer oder Kombinationen davon umfasst, wobei das Metall wahlweise aus Aluminium, Titan, Nickel, Stahl, Eisen oder Kombinationen davon ausgewählt wird.
Wärmeregulierungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die nachgiebige Schicht (34) ein verdichtungsfähiges Material umfasst.
Wärmeregulierungselement nach Anspruch 23, wobei die nachgiebige Schicht (34) ein verdichtungsfähiges Polymer umfasst.
Wärmeregulierungselement nach Anspruch 24, wobei die nachgiebige Schicht (34) einen Polymerschaum umfasst, der wahlweise aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Polyolefinen, Polyurethanen, Phenolen, Melamin, Zellulose¬acetat und Polystyrol besteht.
Wärmeregulierungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine wärmereflektierende Schicht.
Wärmeregulierungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Aerogelschicht (14) eine Aerogelzusammensetzung umfasst oder daraus besteht.
Wärmeregulierungselement nach Anspruch 27, wobei die Aerogelzusammensetzung hydrophob ist und wahlweise eine flüssige Wasseraufnahme von weniger als 15 Gewichtsprozent aufweist.
Wärmeregulierungselement nach Anspruch 27 oder 28, wobei die Aerogelzusammensetzung eine unkomprimierte Dicke von 1 mm bis 10 mm, bevorzugt von 1 mm bis 5 mm, aufweist.
Wärmeregulierungselement nach einem der Ansprüche 27 bis 29, wobei die Aerogelzusammensetzung eine unkomprimierte Dicke von weniger als 4 mm, weniger als 3 mm, bevorzugt von weniger als 2 mm oder weniger als 1 mm, aufweist.
Wärmeregulierungselement nach einem der Ansprüche 27 bis 30, wobei die Aerogelzusammensetzung eine Dichte von 0,60 g/cm3 oder weniger, 0,50 g/cm3 oder weniger, 0,40 g/cm3 oder weniger, 0,30 g/cm3 oder weniger, 0,25 g/cm3 oder weniger, 0,20 g/cm3 oder weniger, 0,18 g/cm3 oder weniger, 0,16 g/cm3 oder weniger, 0,14 g/cm3 oder weniger, 0,12 g/cm3 oder weniger, 0,10 g/cm3 oder weniger, 0,05 g/cm3 oder weniger, 0,3 g/cm3 oder weniger, oder 0,01 g/cm3 oder weniger aufweist oder sich in einem Bereich zwischen zwei beliebigen dieser Werte befindet.
Wärmeregulierungselement nach einem der Ansprüche 27 bis 31, wobei die Aerogelzusammensetzung anorganische, organische oder anorganische/organische Hybridmaterialen umfasst, die wahlweise aus einer Siliziumdioxid-Aerogelzusammensetzung, bevorzugt aus akyliertem Siliziumdioxid, ausgewählt werden.
Wärmeregulierungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Aerogelschicht ferner eine Verstärkung umfasst, wobei die Verstärkung wahlweise ein Fasermaterial oder ein Schaumstoffmaterial umfasst.
Wärmeregulierungselement nach Anspruch 33, wobei die Verstärkung aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus diskreten Fasern, gewebten Materialien, nicht gewebten Materialien, genadelten Vliesmaterialien, Wickeln, Webstoffen, Matten, Filzstoffen und Kombinationen davon besteht.
Wärmeregulierungselement nach Anspruch 34, wobei die Verstärkung eine Vielzahl von Materialschichten umfasst, die wahlweise aus den gleichen oder unterschiedlichen Materialien bestehen.
Wärmeregulierungselement nach Anspruch 34 oder 35, wobei die Verstärkung ein offenzelliges makroporöses Gerüst- („OCMF“) Material und wahlweise eine Faser umfasst.
Wärmeregulierungselement nach Anspruch 36, wobei das OMCF-Material einen Schaumstoff auf Melaminbasis oder einen Polymerschaum auf Urethanbasis umfasst.
Wärmeregulierungselement nach Anspruch 33, wobei die mindestens eine Aerogelschicht ein partikelförmiges Aerogelmaterial umfasst, das innerhalb der Verstärkung angeordnet ist.
Wärmeregulierungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend ein Verkapselungselement oder eine Verkapselungsschicht.
Wärmeregulierungselement nach Anspruch 39, wobei das Verkapselungselement oder die Verkapselungsschicht eine äußere Oberfläche des Wärmeregulierungselements (10) bildet.
Wärmeregulierungselement nach Anspruch 39 oder 40, wobei das Verkapselungselement insgesamt alle Schichten des Wärmeregulierungselements, wie etwa mindestens die nachgiebige Schicht (44), die erste Aerogelschicht (42), die zweite Aerogelschicht (43), die erste thermisch kapazitive oder thermisch leitende Schicht (46), und/oder die zweite thermisch kapazitive oder thermisch leitende Schicht (47), verkapselt.
Wärmeregulierungselement nach einem der Ansprüche 39 bis 41, wobei das Verkapselungselement ferner ein Lüftungsloch umfasst, das eine Luftströmung zu lässt.
Wärmeregulierungselement nach Anspruch 42, wobei das Lüftungsloch ferner einen Partikelfilter umfasst.
Wärmeregulierungselement nach Anspruch 43, wobei das Verkapselungselement eine Randdichtung umfasst, und wobei das Lüftungsloch innerhalb der Randdichtung angeordnet ist.
Wärmeregulierungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verkapselungselement eine Folie, eine Schicht, eine Hülle oder eine Beschichtung umfasst.
Wärmeregulierungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Aerogelschicht ferner mindestens einen Zusatzstoff umfasst.
Wärmeregulierungselement nach Anspruch 46, wobei der mindestens eine Zusatzstoff auf einem Niveau von mindestens 5 bis 20 Gewichtsprozent der Aerogelzusammensetzung, welche die mindestens eine Aerogelschicht bildet, bevorzugt von mindestens 10 bis 20 Gewichtsprozent der Aerogelzusammen¬setzung vorliegt.
Wärmeregulierungselement nach Anspruch 46 oder 47, wobei der mindestens eine Zusatzstoff Siliziumkarbid, ein Tonmaterial, ein Trübungsmittel, einen Brandklassenzusatzstoff und Kombinationen davon umfasst.
Wärmeregulierungselement nach einem der Ansprüche 47 bis 48, wobei der mindestens eine Zusatzstoff aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Kaolin, Borkarbid, Kieselgur, Manganferrit, MnO, NiO, SnO, Ag2O, Bi2O3, Ruß, Graphit, Titanoxid, Eisentitanoxid, Aluminiumoxid, Zirkonsilikat, Zirkonoxid, Eisen- (II) Oxid, Eisen- (III) Oxid, Mangandioxid, Eisentitanoxid (Ilmenit), Chromoxid, Siliziumkarbid, Titankarbid, Wolframkarbid oder Mischungen davon besteht.
Wärmeregulierungselement nach Anspruch 49, wobei der mindestens eine Zusatzstoff Siliziumkarbid umfasst.
Wärmeregulierungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, konfiguriert zu einer planaren Form oder einer nicht planaren dreidimensionalen Form.
Wärmeregulierungselement nach Anspruch 51, wobei die nicht planare dreidimensionale Form einen Zylinder, ein Kniestück, eine Halbschale oder eine Tasche umfasst.
Wärmeregulierungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Wärmeregulierungselement eine Wärmeleitfähigkeit von weniger als 40 mW/mK, 30 mW/mK, weniger als 25 mW/mK, weniger als 20 mW/mK, weniger als 18 mW/mK, weniger als 16 mW/mK, weniger als 14 mW/mK, weniger als 12 mW/mK, weniger als 10 mW/mK oder weniger als 5 mW/mK aufweist.
Batteriemodul, umfassend: ein erste Batteriezelle und eine zweite Batteriezelle und das Wärmeregulierungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 53, wobei das Wärmeregulierungselement zwischen der ersten Batteriezelle und der zweiten Batteriezelle angeordnet ist.
Batteriepack, umfassend: mindestens eine Batteriezelle und das Wärmeregulierungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 53, wobei das Wärmeregulierungselement an einer Oberfläche der mindestens einen Batteriezelle oder an einer Oberfläche des Batteriepacks angeordnet ist.