EP3253712A1 - Verfahren zur aerogelherstellung und aerogel- verbundwerkstoff - Google Patents

Verfahren zur aerogelherstellung und aerogel- verbundwerkstoff

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EP3253712A1
EP3253712A1 EP16705420.4A EP16705420A EP3253712A1 EP 3253712 A1 EP3253712 A1 EP 3253712A1 EP 16705420 A EP16705420 A EP 16705420A EP 3253712 A1 EP3253712 A1 EP 3253712A1
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EP
European Patent Office
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gel
sol
acid
airgel
fibers
Prior art date
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Pending
Application number
EP16705420.4A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Lukas Huber
Ivo Kym-Mijuskovic
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rockwool AS
Original Assignee
Flumroc AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Flumroc AG filed Critical Flumroc AG
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Pending legal-status Critical Current

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    • C04B2201/30—Mortars, concrete or artificial stone characterised by specific physical values for heat transfer properties such as thermal insulation values, e.g. R-values
    • C04B2201/32—Mortars, concrete or artificial stone characterised by specific physical values for heat transfer properties such as thermal insulation values, e.g. R-values for the thermal conductivity, e.g. K-factors

Definitions

  • the present invention relates to a process for producing an airgel according to the preamble of claim 1 and to a process obtainable by the process
  • Aerogels have a low density, large porosity with open pores in the range ⁇ 50nm and a large inner surface. This results in a low thermal conductivity.
  • aerogels are also suitable as thermal insulation materials.
  • the high porosity also leads to a low mechanical stability of the airgel.
  • the method described has the disadvantage that the gel must be dried under supercritical conditions, for which an autoclave required usually at least one solvent change is made. This is a very time-consuming and time-consuming process.
  • the drying requires special equipment (pressure reactor for the critical point drying, eg drying CO 2 at> 74 bar /> 30 ° C). Accordingly, the supercritical drying of aerogels is only suitable for small batches and on a laboratory scale.
  • glass wool based aerogels which on the one hand are sufficiently stable in acidic pH, but on the other hand have only insufficient temperature resistance in case of fire,
  • WO 94/25149 describes a process for producing a highly porous xerogel in which the surface of the gel is hydrophobed with surface-modifying compounds in order to reduce the capillary pressure in the pores of the gel before drying, so that the gel does not collapse in the final drying step.
  • the process consists of a sequence of aging, washing and drying steps.
  • the process described is very complicated because before and after the hydrophobing with trimethylchlorosilane, the gel must be washed with aprotic solvents.
  • Another disadvantage is the hydrochloric acid liberated during the hydrophobic treatment, which would attack, for example, rock wool fibers.
  • DE-OS-1 648 798 describes a process for the preparation of organically modified aerogels by surface modification of the aqueous gel (without previous
  • the silylating agent used is preferably hexamethyldisiloxane (H DSO).
  • a base or acid may also be present as a catalyst for the hydrophobization reaction.
  • Preferred acids are hydrochloric, sulfuric, phosphoric, hydrofluoric, oxalic, acetic or formic, but hydrochloric acid is preferred.
  • the gel formed is preferably dried undercritically. Since according to the teaching of DE-OS 196 48 798 is completely dispensed with the use of organic solvents, all for the used
  • WO 2013/053951 discloses a method for producing a xerogel with a
  • a sol is poured into a reactor in which a fibrous reinforcing material was previously arranged.
  • the sol is then gelled, aged and rendered hydrophobic.
  • the hydrophobized alcogel is then first predried at temperatures up to 80 ° C and then dried under subcritical conditions and temperatures> 100 ° C and preferably between 120 ° C and 140 ° C until the residual alcohol content is ⁇ 3% to the last-mentioned process step, be carried out in the same reactor. It is important that the inner walls have a distance of 70 mm or less from each other. Become bigger
  • the produced fiber-reinforced xerogels have a thermal conductivity> 25 mW / Km.
  • the alcogel formed in the second process step has an alcohol content between 15% by weight and 90% by weight relative to the weight of the original sol.
  • the hydrophobing with preferably HMDSO (hexamethyldisiloxane) is carried out in the presence of hydrochloric acid at a pH of between 1 and 3.
  • hydrochloric acid formic acid is vorgesehlagen,
  • US patent r. 5,746,992 relates to the production of a silicon airgel.
  • the alcohol is removed from the alkogel under subcritical conditions.
  • the hydrolysis of tetraethoxysilane takes place in two stages: in a first stage, the tetraethoxysilane, methanol, some water and nitric acid are mixed together in a glass container, the glass container sealed and during 24 hours at 60 ° C.
  • the tetraethoxysilane partially hydrolyzes under acidic conditions, after which the mixture is passed through Added basic aqueous solution and kept again at 60 ° C for 24 hours to achieve a secondary hydrolysis under basic conditions. Under these conditions, a clear silica gel was obtained, which after drying in an oven had an internal particle porosity of 74 percent. According to US 5,746,992 no hydrophobization of the gel is provided.
  • WO 2015/014813 discloses a process for producing an airgel material which is similar to that of WO 2013/053951.
  • an alcoholic medium is first prepared in an alcoholic medium, which can be reacted with an acid-catalytically activatable hydrophobing agent, in this case HMDSO.
  • HMDSO acid-catalytically activatable hydrophobing agent
  • I hydrophobicizing HMDSO is added to the silica sol in the first step.
  • the volume fraction of the hydrophobizing agent in the sol is 3 to 80%. This is only after formation of the gel, which may optionally also be aged, by release or addition of at least one with the hydrophobing agent
  • WO 2015/014813 describes an exemplary embodiment for producing a granulate, which is characterized in that the gel formed and aged is mechanically comminuted, then transferred to a closed pressure vessel and rendered hydrophobic by means of HCl in the presence of HMDSO, and subsequently on a conveyor belt at 50 ° C first pre-dried and then dried at 150 ° C ready.
  • an airgel insulation board is made by adding an alcoholic solution containing a 22% SiO 2 content of polyethoxydisiloxane sol and a slow release agent doped with 10% HCl to HMDSO. After adding an ammonia solution, the mixed sol is placed in a fit previously laid out with a polyester non-woven fiber mat. After a 5-hour aging, the
  • Gel plate is lifted out of the mold and stored in a closed vessel for 24 h at 65 ° C. and rendered hydrophobic, at which temperature HCl exits the microencapsulation and activates the HMDSO present
  • the vessel is then opened and the gel plate first at 50 ° C. and then dried at 130 ° C.
  • the airgel material (without fiber matrix) should have a porosity of> 80%, preferably> 90% and particularly preferably> 92%, and a density ⁇ 0.2 g / ml and preferably 0.15 g / ml and particularly preferably ⁇ 0.12 g / ml. Yet another goal is that it is possible to dispense with supercritical drying of the airgel material during production. Another goal is an airgel composite
  • the aim is to use a fiber-airgel composite material with a
  • Silylating agent in the presence of an acid as a catalyst, and then drying the gel preferably by subcritical drying.
  • Aero- resp. Xerogels can be used essentially the same methods and parameters as described in WO 2013/053951 or WO 2015/014813.
  • aerogels are to be understood to mean highly porous solids, in particular those based on silicates, irrespective of the drying method.
  • airgel as used herein means a highly porous material with air as a dispersant.
  • the object is achieved by a method according to the preamble of claim 1, by using hexamethyldisiloxane as hydrophobizing agent and as acid
  • Nitric acid HN03
  • HN03 Nitric acid
  • the silicate sol is obtained by hydrolysis of alkoxysilanes or hydroxyalkoxysilanes, preferably of tetraethylene thoxy silane (TEOS) or Tr ine I! or si 1, manufactured.
  • TEOS tetraethylene thoxy silane
  • Tr ine I! or si 1, manufactured tetraethylene thoxy silane
  • the use of TEOS has the advantage that it is soluble in alcohol, eg EtOH.
  • the preparation of the sol in alcohol, an alcoholic or an alcoholic solvent can be carried out emisch, which is advantageous for the process, since less water is present in the pores of the later formed gel.
  • An alcoholic solvent mixture is to be understood as meaning a mixture in which alcohol is the main constituent and preferably has a volume fraction of> 90% by volume and particularly preferably> 95% by volume.
  • Alcohol-containing solvent mixture can be understood as one in which the percentage volume fraction of the alcohol or alcohols ⁇ 50% by volume and preferably ⁇ 40% by volume.
  • the preparation of the sol is preferably carried out in an acidic medium by hydrolysis of tetraethoxysilane (TEOS), which is initially charged in a solvent, preferably EtOH.
  • TEOS tetraethoxysilane
  • Hydrochloric acid or formic acid is preferably used for the hydrolysis.
  • Prehydrolysed sols are stable and storable, and are
  • Pre-hydrolyzed sols are preferably used which are present in an amount between 5% and 30% (m / m) S1O2 and preferably between 10% and 25% (m / m) SiO 2 alcohol, preferably EtOH.
  • the pH of the hydrophobization is advantageously set to a value between 1 and 7, preferably between 2 and 5. In the acidic range at about pH 2, HMDSO reacts rapidly with the still free Si-OH groups.
  • the pH of the hydrophobization is advantageously set to a value between 0.2 and 5, preferably between 0.5 and 3, and particularly preferably between 0.8 and 2. The pH is measured in the aqueous phase. Surprisingly, such pH is compatible with rockwool fibers when nitric acid is used
  • Hydrophobleiterskatalystor is used.
  • the gelation takes place in a temperature range between 30 ° C and 80 ° C, preferably between 50 ° C and 75 ° C, and more preferably between 60 n C and 70 ° C.
  • a base for example ammonia
  • ammonia is added to the mixture, which is present as aqueous ammonia solution.
  • Substantially alcoholic solvent preferably EtOH, carried out, wherein suitably the proportion of water is less than 20 vol.%, Preferably less than 10 vol.% And particularly preferably less than 5 vol.% Is. It has been found that a small amount of water has a positive influence on the quality of the airgel produced.
  • fibers can be added before and / or during gel production.
  • the fibers are added prior to actual gelation (condensation), i. the fibers and the sol are preferably mixed together between steps a) and b).
  • Rockwool fibers are used particularly advantageously as mineral fibers. These have the great advantage that they are virtually non-flammable.
  • the subject matter of the present invention is also an airgel, in particular xerogel,
  • hexamethyldisiloxane is used as the hydrophobizing agent and nitric acid (HNO 3) as the acid.
  • a further subject of the present invention is an airgel-fiber composite material obtainable by mixing the sol prepared according to the process described with mineral fibers, in particular rockwool fibers.
  • the airgel-fiber composite material has a porosity of> 90% and a thermal conductivity ⁇ 18 mW / m.
  • the mineral fibers are not noticeably dissolved during production.
  • the hydrophobicization would be acidic
  • the subject matter of the present invention is furthermore a composite material in the form of an insulating board consisting of the airgel according to the invention and mineral fibers.
  • Silylating agent is circulated (about 15 h at about 60 ° C). As soon as the
  • Hydrophobing is completed, the solvent / water repellent mixture is drained, worked up and later reused in a next manufacturing process. Hydrophobization of a lyogel with trimethysilyl chloride:
  • hydrophobing catalysts various organic and inorganic acids, e.g. Sulfuric acid (H2S04), hydrochloric acid (HCl), phosphoric acid (H3P04),
  • the thermal conductivity was determined according to standard EN 12667 (Standard hot plate method) at 20 oC and normal pressure.
  • the aging of the gel takes place between 24 and 120 hours, preferably between 48 and 96 hours and more preferably for about 72 hours the gel in the same container by adding an excess of HMDSO (in this case from about 270 L of a 20 to 98% (m / m) HMDSO - solution) and about 5 L of a substantially alcoholic HNO 3 solution (about 4 to 7 % m / m) for 24 h at 75 oC dynamic, ie hydrophobic by circulation of the liquid phase.
  • HMDSO in this case from about 270 L of a 20 to 98% (m / m) HMDSO - solution
  • a substantially alcoholic HNO 3 solution about 4 to 7 % m / m
  • the mixer / setter water is added to the partly used hydrophobizing solution (about 10% of the volume of the hydrophobizing solution present) and the mixture is stirred vigorously for 10 to 30 minutes. Thereafter, the mixture is allowed to stand overnight with an aqueous phase settling to the bottom. The aqueous phase is separated and discarded.
  • the alcoholic hydrophobizing solution can then be added to the partly used hydrophobizing solution (about 10% of the volume of the hydrophobizing solution present) and the mixture is stirred vigorously for 10 to 30 minutes. Thereafter, the mixture is allowed to stand overnight with an aqueous phase settling to the bottom. The aqueous phase is separated and discarded.
  • the alcoholic hydrophobizing solution can then
  • the present invention relates to a process for airgel production and to a composite material made from an aerogei and mineral fibers produced by means of this process.
  • a silicate-based airgel material with a thermal conductivity coefficient of ⁇ 18 mW / mK is obtainable by hydrophobicizing with HMDSO in the presence of nitric acid.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aerogelherstellung und ein mittels dieses Verfahrens hergestellten Verbundwerkstoffes aus einem Aerogel und Mineralfasern. Ein auf Silikat-Basis hergestelltes Aerogelmaterial mit einem Wärmeleitfähigkeitskoeffizient von < 18 mW/mK ist erhältlich, indem dieses mit HMDSO in Gegenwart von Salpetersäure hydrophobiert wird.

Description

Verfahren zur Aerogelherstellung und Aerogel- Verbundwerkstoff
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Aerogels gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen mittels des Verfahrens erhältlichen
Verbundwerkstoff als Hochleistungsdämmstoff.
Stand der Technik
Aerogele haben eine niedrige Dichte, grosse Porosität mit offenen Poren im Bereich < 50nm und eine grosse innere Oberfläche. Daraus resultiert eine niedrige Wärmeleitfähigkeit.
Entsprechend eignen sich Aerogele auch als Wärmedämmstoffe. Die hohe Porosität führt aber auch zu einer geringen mechanischen Stabilität des Aerogels.
In den letzten Jahren sind deshalb Verbundwerkstoffe aus Fasermaterialien und Aerogelen vorgeschlagen worden. Solche Verbundwerkstoffe können beispielsweise als Dämmstoffe eingesetzt werden. In der WO 93/06044 ist beispielsweise ein Verfahren zur Herstellung eines Aerogelmatrixverbundwerkstoffes mit folgenden Verfahrensschritten offenbart:
Herstellung eines Aerogel- Vorläufers
Mischen des Aerogel- Vorläufers mit Fasern,
Altern des die Fasern enthaltenen Aerogel-Vorläufers zur Herstellung eines Gels, Eintauchen des Gels in ein zur superkritischen Trocknung geeignetes Lösungsmittel und
Trocknen des Gels unter superkritischen Bedingungen.
Als Fasern, welche im Aerogel eingebettet sein können, eignen sich u.a. auch Glas- oder Steinwollefasern. Das beschriebene Verfahren hat allerdings den Nachteil, dass das Gel unter superkritischen Bedingungen getrocknet werden muss, wofür ein Autoklav erforderlich üblicherweise mindestens ein Lösungsmittelwechsel vorgenommen wird. Dies ist ein sehr aufwändiges und zeitraubendes Verfahren. Die Trocknung erfordert einen speziellen apparativen Aufwand (Druckreaktor für das Kritisch-Punkt-Trocknen; z.B. Trocknung CO2 bei >74bar/>30°C). Dementsprechend ist die superkritische Trocknung von Aerogelen nur für kleine Ansätze und im Labormassstab geeignet.
Wegen der Aufwändigkeit der superkritischen Trocknung von Gelen wurde ein Verfahren entwickelt, nach welchem auch eine unterkritische Trocknung des Gels unter 150 °C im
BESTÄTIGUNGSKOPIE Umluftstrom und bei Normaldruck möglich ist. Bei der unterkritischen Trocknung eines Gels sollen die freien Si-OH -Gruppen des entstandenen Gels für eine weitere Kondensation zunächst desaku'viert werden. Dies geschieht z.B. durch Zugabe von Trimethylchlorsilan zum Gel (siehe F. Schwertfeger, D. Frank, M. Schmidt,„Hydrophobie waterglass based aerogels without solvent exchange or supercritical drying" in Journal of Non-Crystalline Solids, 225 (1998), p. 24 - 29). Dabei reagiert das Trimethylchlorsilan unter Abspaltung von HCl mit den OH-Gruppen der Silicatoberffäche des Gels. Durch die Hydrophobierung der Silicat-Oberfläche wird das Wasser aus den Poren des Gels verdrängt. Hexamethyldisiloxan und überschüssiges Trimethylchlorsilan bilden die organische Phase und verbleiben in den Poren des Gels. Die entstehende Salzsäure sättigt zunächst die Wasserphase und entweicht dann bei höheren Konzentrationen in die Gasphase.
Das beschriebene Verfahren hat allerdings den Nachteil, dass es in Verbindung mit Steinwollefasern nicht eingesetzt werden kann, da die freiwerdende Salzsäure die
Steinwollefasern teilweise auflöst. Steinwolle besteht zu min. 52 Gew.-proz. aus
säurelöslichen Anteilen (Metalloxide wie AI2O3, CaO, MgO und FeÄ). Aus diesem Grund werden zur Zeit Glaswolle basierte Aerogele verwendet, welche einerseits in saurem pH genügend stabil sind, andererseits aber nur ungenügende Temperaturfestigkeit im Brandfall aufweisen,
Die WO 94/25149 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines hochporösen Xerogels, in welchem die Oberfläche des Gels mit oberflächenmodifizierenden Verbindungen hydrophobiert wird, um den Kapillardruck in den Poren des Gels vor der Trocknung zu reduzieren, damit das Gel beim abschliessenden Trocknungsschritt nicht kollabiert. Das Verfahren besteht aus einer Abfolge von Alterungs-, Wasch- und Trocknungsschritten. Das beschriebene Verfahren ist sehr aufwändig, weil vor und nach der Hydrophobierung mit Trimethylchlorsilan das Gel mit aprotischen Lösungsmitteln gewaschen werden muss. Nachteilig ist auch die bei der Hydrophobierung frei werdende Salzsäure, welche beispielsweise Steinwollefasern angreifen würde.
Die DE-OS-1 6 48 798 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von organisch modifizierten Aerogelen durch Oberflächenmodifikation des wässrigen Gels (ohne vorherigen
Lösungsmittelaustausch) und anschliessender Trocknung. Als Silylierungsmittel kommt vorzugsweise Hexamethyldisiloxan (H DSO) zum Einsatz. Dabei kann zusätzlich auch noch eine Base oder Säure als Katalysator der Hydrophobierungsreaktion vorhanden sein. Bevorzugte Säuren sind Salz-, Schwefel-, Phosphor-, Fluss-, Oxal-, Essig- oder Ameisensäure, wobei jedoch Salzsäure bevorzugt ist. Vor der Trocknung kann das silylierte Gel
gegebenenfalls mit einem protischen oder aprotischen Lösungsmittel gewaschen werden. Gemäss Lehre der DE-OS-196 48 798 wird das gebildete Gel vorzugsweise unterkritisch getrocknet. Da gemäss Lehre der DE-OS-196 48 798 auf die Verwendung von organischen Lösungsmitteln vollständig verzichtet wird, können alle für das verwendete
Süylierungsmittel erreichbaren SiOH-Gruppen mit dem Silylierungsmittel reagieren.
Dadurch kann nach der DE-OS-196 48 798 ein sehr hoher Belegungsgrad der inneren
Oberfläche des Hydrogels erreicht werden.
WO 2013/053951 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Xerogels mit einer
Wärmeleitfähigkeit zwischen 5 and 25 mW/mK, bei welchem in einem ersten
Verfahrensschritt ein Sol in einen Reaktor gegossen wird, in dem vorgängig ein fasriges Verstärkungsmaterial angeordnet wurde. Das Sol wird anschliessend geliert, gealtert und hydrophobiert. Sodann wird das hydrophobierte Alcogel zuerst bei Temperaturen bis 80 °C vorgetrocknet und dann unter subkritischen Bedingungen und Temperaturen > 100 °C und vorzugsweise zwischen 120 °C und 140 °C fertig getrocknet, bis der Alkoholrestgehalt < 3% ist Dabei können alle Verfahrensschritte, bis auf den letztgenannten Verfahrensschritt, im gleichen Reaktor durchgeführt werden. Von Bedeutung dabei ist, dass die Innenwände lOeinen Abstand von 70 mm oder weniger voneinander haben. Werden grössere
Wandabstände gewählt, dann weisen die hergestellten, faservertärkten Xerogele eine Wärmeleitfähgkeit > 25 mW/ Km auf.
Das im zweiten Verfahrensschritt gebildete Alcogel hat einen Alkoholgehalt zwischen 15 Gew.% und 90 Gew.% relativ zum Gewicht des ursprünglichen Sols. Die Hydrophobierung mit vorzugsweise HMDSO (Hexamethyldisiloxan) geschieht in Gegenwart von Salzsäure bei einem pH-Wert zwischen 1 und 3. Als Alternative für die Verwendung von Salzsäure wird Ameisensäure vorgesehlagen,
US Patent r. 5,746,992 bezieht sich auf die Herstellung eines Silizium-Aerogels. Beim I ierstellungsprozess wird der Alkohol aus dem Alkogel unter subkritischen Bedingungen entfernt Gemäss einem Ausführungsbeispiel findet die Hydrolyse von Tetraethoxysilan in zwei Stufen statt: hl einer ersten Stufe werden das Tetraethoxysilan, Methanol, etwas Wasser und Salpetersäure in einem Glasbehälter miteinander vermischt, der Glasbehälter verschlossen und während 24 Stunden bei 60 "C gehalten. Während dieser Zeit hydrolysiert das Tetraethoxysilan unter sauren Bedingungen teilweise. Danach wird das Gemisch durch Zugabe einer wässrig/ alkoholischen Ammoniaklösung basisch gestellt und nochmals während 24 Stunden bei 60 °C gehalten, um eine sekundäre Hydrolyse unter basischen Bedingungen zu erreichen. Unter diesen Bedingungen wir ein klares Kieselsäuregel erhalten, das nach der Trocknung in einem Ofen eine interne Parükelporosität von 74 Prozent hatte. Gemäss der US 5,746,992 ist keine Hydrophobierung des Gels vorgesehen.
Die WO 2015/014813 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Aerogelmaterials, das demjenigen der WO 2013/053951 ähnlich ist. Wie in der WO 2013/053951 bereits beschrieben wird zuerst in einem alkoholischen Milieu ein Alkogel hergestellt, das man mit einem säurekatalytisch aktivierbaren Hydrophobierungsmittel, vorliegend HMDSO, reagieren lässt. Das Neue gegenüber der WO 2012/ 053951 ist, dass das
I Iydrophobierungsmittel HMDSO bereits im ersten Verfahrensschritt dem Siliziumoxid-Sol zugegeben wird. Der Volumenanteil des Hydrophobierungsmittels im Sol beträgt dabei 3 bis 80%. Dieses wird erst nach Bildung des Gels, das optional auch gealtert sein kann, durch Freisetzung oder Zugabe mindestens eines mit dem Hydrophobierungsmittel
zusammenwirkenden Hydrophobierungskatalysators aktiviert.
Die WO 2015/ 014813 beschreibt ein Ausführungsbeispiel zur Herstellung eines Granulats, das dadurch gekennzeichnet sind, dass das gebildete und gealterte Gel mechanisch zerkleinert, dann in einen geschlossenen Druckbehälter transferiert und mittels HCl in Gegenwart von HMDSO hydrophobiert, und anschliessend auf einem Förderband bei 50 °C zuerst vorgetrocknet und danach bei 150 °C fertig getrocknet wird.
In einem weiteren Beispiel wird eine Aerogel-Dämmstoffplatte hergestellt, indem eine alkoholische Lösung mit einem Polyethoxydisiloxan Sol mit 22% Si02 Gehalt und HMDSO mit einem mit 10% HCl dotierten Slow-Release Agens versetzt wird. Nach Zugabe einer Ammoniaklösung wird das durchmischte Sol in eine Passform gegeben, die zuvor mit einer Polyestervlies-Fasermatte ausgelegt wurde. Nach einer 5-stündigen Alterung wird die
Gelplatte aus der Passform gehoben und in einem geschlossenen Gefäss während 24h bei 65 "C gelagert und hydrophobiert. Bei dieser Temperatur tritt HCl aus der Mikroverkapselung aus und aktiviert das anwesende HMDSO. Das Gefäss wird dann geöffnet und die Gelplatte zunächst bei 50 °C und dann bei 130 °C getrocknet.
Auf abe der Erfindung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Aerogelherstellung vorzuschlagen, das möglichst kostengünstig durchführbar ist. Daneben soll das Verfahren die möglichst umweltfreundliche Herstellung eines Aerogelmaterials im industriellen Massstab erlauben. Das Aerogelmaterial (ohne Fasermatrix) soll eine Porosität von > 80%, vorzugsweise > 90% und besonders bevorzugt >92%, und eine Dichte < 0,2 g/ ml und vorzugsweise 0,15 g/ml und besonders bevorzugt < 0.12 g/ ml aufweisen. Noch ein Ziel ist es, dass bei der Herstellung auf eine überkritische Trocknung des Aerogelmaterials verzichtet werden kann. Ein weiteres Ziel ist es, ein Aerogel- Verbundwerkstoff
bereitzustellen, welcher auch säureempfindliche Fasern, wie beispielsweise Steinwollefasem, enthalten kann. Ziel ist es, einen Faser- Aerogel- Verbundwerkstoff mit einer
Wärmeleitfähigkeit λ < 20 mW/mK und vorzugsweise < 18 mW/mK zur Verfügung zu stellen, der in einem industriellen Massstab hergestellt werden kann.
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Aerogels, bei welchem zuerst ein silikatisches Sol hergestellt, indem eine Organosilanverbindung, z.B. Tetraethoxysilan (TTEOS), unter sauren oder basischen Bedingungen hydrolisiert wird, anschliessend ein Gel erzeugt wird, indem eine Base zum Sol gegeben wird, und das entstandene Gel sodann gealtert wird. Nach dem Altern erfolgt die Hydrophobierung des Gels mit einem
Silylierungsmittel in Gegenwart einer Säure als Katalysator, und danach das Trocknen des Gels vorzugsweise durch unterkritisches Trocknen. Für die Herstellung des Aero- resp. Xerogels können im Wesentlichen die gleichen Verfahren und Parameter verwendet werden, wie sie in der WO 2013/053951 oder der WO 2015/014813 beschrieben sind.
Im Rahmen der vorliegende Erfindung soll unter Aerogele hochporöse Festkörper, insbesondere solche auf Silikatbasis, unabhängig von der Trocknungsmethode verstanden werden In diesem Sinne wird vorliegend unter dem Begriff„Aerogel" ein hochporöses Material mit Luft als Dispersionsmittel verstanden.
Erfind ungsgernäss wird die Aufgabe durch ein Verfahren gemäss Oberbegriff von Anspruch 1 gelöst, indem als Hydrophobierungsmittel Hexamethyldisiloxan und als Säure
Salpetersäure (HN03) eingesetzt wird. Das erfmdungsgemässe Verfahren hat den grossen und überraschenden Vorteil, dass die Hydrophobierung in Gegenwart von Salpetersäure hochporöse, stabile Aerogele erzeugt mit hervorragend tiefen Wärmeleitfähigkeiten.
Insbesondere können mit dem erfindungsgemässen Verfahren Aerogele mit einer Porosität <90% und vorzugsweise >92% und einer Wärmeleitfähigkeit < 18 mW/mK in industriellen Massstab hergestellt werden. Vorteilhaft wird das silikatische Sol durch Hydrolyse von Alkoxysilanen oder Hydroxyalkoxysilanen, vorzugsweise aus Tetrae thoxy sil an (TEOS) oder Tr im e thy Ich ! o r si 1 an, hergestellt. Die Verwendung von TEOS hat den Vorteil, dass dieses in Alkohol, z.B. EtOH, lösbar ist. Entsprechend kann die Herstellung des Sols in Alkohol, einem alkoholischen oder einem alkoholhaltigen Lösungsmittel emisch durchgeführt werden, was für den Prozess von Vorteil ist, da weniger Wasser in den Poren des später gebildeten Gels vorliegt. Unter einem alkoholischen Lösungsmittelgemisch soll ein Gemisch verstanden werden, in dem Alkohol der Hauptbestandteil ist und vorzugsweise einen Volumenanteil von >90 Vol-% und besonders bevorzugt >95 Vol-% aufweist. Demgegenüber soll unter einem
alkoholhaltigen Lösungsmittelgemisch ein solches verstanden werden, in dem der prozentuale Volumenanteil des oder der Alkohole < 50 Vol-% und vorzugsweise < 40 Vol-% ist.
Vorteilhaft erfolgt die Herstellung des Sols vorzugsweise in einem sauren Milieu durch Hydrolyse von Tetraethoxysiian (TEOS), das in einem Lösungsmittel, vorzugsweise EtOH, vorgelegt wird. Für die Hydrolyse wird vorzugsweise Salzsäure oder Ameisensäure verwendetGemäss einer besonders vorteilhaften Verfahrensvariante wird ein
vorhydrolysiertes Sol eingesetzt. Dadurch lässt sich der Prozess der Gelherstellung wesentlich verkürzen. Vorhydrolisierte Sole sind stabil und lagerfähig, und sind
kommerziell erhältlich. Vorzugsweise werden vorhydrolysierte Sole eingesetzt, die in einer Menge zwischen 5% und 30 % (m/ m) S1O2 und vorzugsweise zwischen 10% und 25% (m/ m) SiOii Alkohol, vorzugsweise EtOH, vorliegen.
Vorteilhaft wird der pH bei der Hydrophobierung auf einen Wert zwischen 1 und 7, vorzugsweise zwischen 2 und 5 eingestellt. Im sauren Bereich bei ca. pH 2 reagiert HMDSO rasch mit den noch freien Si-OH-Gruppen. Vorteilhaft wird der pH bei der Hydrophobierung auf einen Wert zwischen 0,2 und 5, vorzugsweise zwischen 0,5 und 3 und besonders bevorzugt zwischen 0,8 und 2 eingestellt. Der pH-Wert wird dabei in der wässerigen Phase gemessen. Überraschenderweise ist ein solcher pH-Wert verträglich mit Steinwollefasern, wenn Salpetersäure als
Hydrophobierungskatalystor eingesetzt wird. Zweckmässigerweise erfolgt die Gelierung in einem Temperaturintervall zwischen 30°C und 80°C, vorzugsweise zwischen 50°C und 75°C, und besonders bevorzugt zwischen 60nC und 70°C. Zur Gelierung des Sols wird dem Gemisch eine Base, z.B. Ammoniak, zugegeben, die als wässerige Ammoniaklösung vorliegt.
Vorteilhaft wird die Hydrolyse, Gelierung und die Hydrophobierung in einem im
Wesentlichen alkoholischen Lösungsmittel, vorzugsweise EtOH, durchgeführt, wobei zweckmässigerweise der Wasseranteil kleiner als 20 Vol.%, vorzugsweise kleiner als 10 Vol.% und besonders bevorzugt kleiner 5 Vol.% ist. Es wurde festgestellt, dass ein geringer Wasseranteil einen positiven Einfluss auf die Qualität des hergestellten Aerogels hat.
Für die Herstellung eines Faser- Verbundwerkstoffes können vor und/ oder während der Gelherstellung Fasern zugesetzt werden. Vorzugsweise werden die Fasern vor der eigentlichen Gelierung (Kondensation) zugegeben, d.h. die Fasern und das Sol werden vorzugsweise zwischen den Schritten a) und b) miteinander gemischt. Besonders vorteilhaft werden als Mineralfasern Steinwollefasern eingesetzt. Diese haben den grossen Vorteil, dass sie praktisch nicht brennbar sind.
Durch Optimierung der einzelnen Verfahrensschritte ist es überraschenderweise möglich, die Hydrophobierung ohne vorherigen Lösungsmittelaustausch durchzuführen. Dies hat den grossen Vorteil, dass einerseits das Verfahren rascher abläuft und andererseits geringere Lösungsmittelmengen verbraucht werden.
Grundsätzlich denkbar ist, das Silylierungsmitiel bereits bei Verfahrensschritt a) zuzugeben. Dies ist dann möglich, wenn ein beispielsweise im Alkalischen stabiles Silylierun smi ttel eingesetzt wird und die Solherstellung und Gelierung im Alkalischen erfolgt. Ein geeignetes, im Alkalischen stabiles Silylierungsmitiel ist beispielsweise HMDSO.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Aerogel, insbesondere Xerogel,
erhältlich durch
a) Herstellen eines Sols,
b) Erzeugen und gegebenenfalls Altern des Gels
c) Hydrophobieren des Gels mit einem Silylierungsmittel in Gegenwart einer
Säure als Katalysator, und
d) Trocknen des Gels
dadurch gekennzeichnet, dass
e) dass als Hydrophobierungsmittel Hexamethyldisiloxan und als Säure Salpetersäure (HN03) eingesetzt wird.
Weitere vorteilhafte Eigenschaften des Gels wurden bereits bei der Diskussion des
Herstellverfahrens erläutert. Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Aerogel-Faser- Verbundwerkstoff erhältlich dadurch, dass das gemäss dem beschriebenen Verfahren hergestellte Sol mit Mineralfasern, insbesondere Steinwollefasern, gemischt wird. Der Aerogel-Faser-Verbundwerkstoff hat eine Porosität von > 90% und eine Wärmeleitf ähigkeit < 18 mW/ m . Überraschenderweise werden die Mineralfasern während der Herstellung nicht merklich angelöst. Insbesondere konnte aufgrund der bekannten Säureempfindlichkeit der Steinwollefasern nicht erwartet werden, dass die Hydrophobierung unter sauren
Bedingungen erfolgreich durchgeführt werden kann. Obwohl grundsätzlich auch Glaswollefasern für die Herstellung des Verbundwerkstoffes eingesetzt werden können, werden vorzugsweise Steinwollefasern verwendet.
Steinwollefasern haben gegenüber Glaswollefasern den Vorteil, dass deren
Feuerbeständigkeil wesentlich besser ist. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist im Weiteren ein Verbundwerkstoff in Gestalt einer Dämmplatte, die aus dem erfindungsgemässen Aerogel und Mineralfasern besteht.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der nachfolgenden Ausfuhrungsbeispiele näher erläutert.
Herstellung eines Aerogeis
Es werden 122 L Ethanol (abs. und denaturiert mit 2% Methylethylketon ({MEK) vorgelegt und dann 47 L TEOS (98%) zugegeben. Das Gemisch wird sodann auf ca. 50 °C aufgeheizt. Danach wird 14 L Oxalsäurelösung (2,44g = 0.0193 mol) unter Rühren zugegeben. Für die Hydrolyse wird die Lösung bei 50 °C während ca. 24 h gerührt. Danach lässt man die
Mischung auf 45 <C abkühlen und gibt 36.5 ml NI I40I I-Lösung (28 - 30%ig) in 8 L Wasser (= 0.07 M) zu. Danach lässt man die Mischung während ca. 24 h stehen (ohne Rühren). In dieser Zeit bildet sich das Gel aus. Danach wird das Gel gegebenenfalls ein- oder zweimal mit Heptan dynamisch gewaschen und danach hydrophobiert werden (siehe unten). Die anschliessende Hydrophobierung geschieht ebenfalls dynamisch, indem das
Silylierungsmittel im Kreislauf geführt wird (ca. 15 h bei ca. 60 °C). Sobald die
Hydrophobierung abgeschlossen ist, wird das Lösungsmittel-/ Hydrophobierungsmittel- Gemisch abgelassen, aufgearbeitet und später in einem nächsten Herstellungsprozess wieder verwendet. Hydrophobierung eines Lyogels mit Trimethysilylchlorid:
Umsetzung des Lyogels unter sauren Bedingungen, welche zur Zersetzung von Steinwolle führt: 1.6g Lyogel (aus 7% SiC Tetraethylorthosilikat mit Steinwolle) wurden mit 10ml Trimethylsilylclilorid zusammengegeben. Steinwolle zerfällt über Nacht zu einer gelblichen, faserigen und mechanisch instabilen Substanz. So hergestellte Verbundwerkstoffe sind hydrophob, hoch porös und schwimmen auf Wasser.
Hydrophobierungsversuche mit HMDSO mit diversen organischen und anorganischen Säuren als Katalysatoren
Als Hydrophobierungskatalysatoren wurden verschiedene organische und anorganische Säuren, wie z.B. Schwefelsäure (H2S04), Salzsäure (HCl), Phosphorsäure (H3P04),
Oxalsäure, Ameisensäure und Essigsäure, eingesetzt. Bei all diesen Versuchen hatte der erhaltene Aerogel-Steinwollfaser- erbundwerkstoff eine„glasige" (transparente) Ansicht und mehrere bis viele Risse. Bei einigen Proben wurde auch eine deutliche Schrumpfung nach dem Trocknen festgestellt. Die gemessenen Wärmeleitfähigkeiten bewegten sich durchwegs oberhalb von 20 mW/ m und waren daher im Lichte der Anforderungen an einen Hochleistungsdämmstoff unbefriedigend.
Nach den auf einer Vielzahl von Versuchen basierenden Erfahrungen der Erfinder haben Proben (Steinwollfasermatrix und Aerogel), die sich glasig ansehen und/ oder beim
Trocknen eine Schrumpfung untergehen, deutlich höhere Wärmeleitfähigkeiten als solche, die eher„translucent" oder„milchig" aussehen, praktisch keine Risse aufweisen und beim Trocknen nicht schrumpfen. Proben mit Leitfähigkswerten zwischen 16 und 18 mW/mK haben einen Blaustich und praktisch keine Risse.
Die Wärmeleitfähigkeit wurde gemäss der Norm EN 12667 (Standard hot plate method) bei 20 oC und Normaldruck bestimmt.
Herstellung des Aerogel-Faserverbundwerkstoffs
55 L eines vorhydrolysietten So s (zu 75% vorhydrolisiert; 20% (m/m) SiC Gehalt) in ErOH (abs.) wird mit etwas mehr als der doppelten Menge Ethanol (130 L) versetzt und unter Rühren homogenisiert. Gleichzeitig wird das Gemisch auf ungefähr 45 °C auf eheizt. Sobald sich die Temperatur eingestellt hat und das Gemisch homogenisiert ist, wird eine wässerige NHsOH-Lösung (ca. 6 L; 0,55 M) zum Sol gegeben, kurz homogenisiert und danach in einen mit einem Temperaturfühler ausgestatteten Behälter transferiert, in welchem eine Fasermatrix bereits eingebracht ist. Danach wird der Inhalt des Behälters auf ca. 65 "C erwärmt, und die Mischung zum Altern stehen gelassen. Die Alterung des Gels erfolgt zwischen 24 und 120 h, vorzugsweise zwischen 48 und 96 Stunden und besonders bevorzugt während ungefähr 72 Stunden. Nach der Gelierung wird das Gel im gleichen Behälter durch Zugabe eines Überschusses HMDSO (vorliegend von ca. 270 L einer 20 bis 98% (m/m) HMDSO - Lösung) und ca. 5 L einer im Wesentlichen alkoholischen HN03-Lösung (ca. 4 bis 7% m/m) während 24 h bei 75 oC dynamisch, d.h. durch Umwälzen der flüssigen Phase, hydrophobiert.
Nach dem Abkühlen wird die teilweise verbrauchte Hydrophobierlösung in einen
Mixer/ Settier transferiert, und der hergestellte Aerogel-Faser- Verbundwerkstoff in einem Umluftofen während 2 bis 5 h bei ca. 150 oC getrocknet.
Im Mixer/SetÜer wird der teilweise verbrauchten Hydrophobierangslösung Wasser zugesetzt (ca. 10% des vorhandenen Volumens der Hydrophobierlösung) und das Gemisch während 10 bis 30 Minuten intensiv gerührt. Danach lässt man das Gemisch über Nacht stehen, wobei sich eine wässerige Phase am Boden absetzt. Die wässerige Phase wird abgetrennt und entsorgt. Die alkoholische Hydrophobierlösung kann sodann,
gegebenenfalls nachdem sie mit HMDSO aufkonzentriert wurde, in einem nächsten Batch wieder eingesetzt werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aerogelherstellung und ein mittels dieses Verfahrens hergestellten Verbundwerkstoffes aus einem Aerogei und Mineralfasern. Ein auf Silikat-Basis hergestelltes Aerogelmaterial mit einem Wärmeleitfähigkeitskoeffizient von < 18 mW/mK ist erhältlich, indem dieses mit HMDSO in Gegenwart von Salpetersäure hydrophobiert wird.

Claims

Patentartsprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Aerogels mittels folgender Verfahrensschritte:
a) Herstellen eines silikatischen Sols
b) Erzeugen und gegebenenfalls Altern des Gels
c) Hydrophobieren des Gels mit einem Silylierungsmittel in Gegenwart einer Säure als Katalysator, und
d) Trocknen des Gels durch unterkritisches Trocknen
dadurch gekennzeichnet,
e) dass als Hydrophobierungsmittel Hexamethyldisiloxan und als Säure Salpetersäure (HNO3) eingesetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das silikatische Sol durch Hydrolyse von Alkoxysilanen oder Hydroxyalkoxysilanen, vorzugsweise aus
Tetraethoxysilaii (TEOS) oder Trimethylchlorsilan, hergestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung des Sols in Alkohol, vorzugsweise Ethanol, oder einem alkoholhaltigen
Lösungsmittelgemisch durchgeführt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) ein vorhydrolysiertes Sol eingesetzt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der pH bei der Hydrophobierung auf einen Wert zwischen 0,2 und 6, vorzugsweise zwischen 0,5 und 5 und besonders bevorzugt zwischen 0,8 und 3 eingestellt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sol durch Hydrolyse von Tetraethoxysilan (TEOS) mit einem Massenanteil zwischen 5 und 30 Gewichtsprozenten S1O2 und vorzugsweise mit einem Massenanteil zwischen 10 und 25 Gewichtsprozenten S1O2 hergestellt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die
Gelierung in einem Temperaturintervall zwischen 30°C und 80°C, vorzugsweise zwischen 50°C und 75°C, und besonders bevorzugt zwischen 60°C und 70°C erfol t.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens die Verfahrensschritte a) bis c) in ein und demselben Reaktor durchgeführt werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Schritten a) und b) das Sol mit Mineralfasern gemischt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Mineralfasern
Stei n wol 1 e fasern eingesetzt werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydrophobierung ohne vorherigen Lösungsmittelaustausch, d.h. in situ, durchgeführt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Silylierungsmittel bereits bei Verfahrensschritt a) zugegeben wird.
13. Aerogel erhältlich durch
a) Herstellen eines Sols,
b) Erzeugen und gegebenenf alls Altern des Gels
c) Hydrophobieren des Gels mit einem Silylierungsmittel in Gegenwart einer Säure als Katalysator, und
d) Trocknen des Gels
dadurch gekennzeichnet, dass
e) dass als Hydrophobierungsmittel Hexamethyldisiloxan und als Säure Salpetersäure (HN03) eingesetzt wird.
14. Aerogel erhältlich nach Anspruch 14 und einem der Ansprüche 2 bis 10.
15. Verbundwerkstoff aus einem Aerogel und Mineralfasern erhältlich durch
a) Herstellen eines Sols,
b) Mischen des Sols mit Mineralwollefasem zur Herstellung einer Sol- Mineralfasermischung,
c) Erzeugen und gegebenenfalls Altern des Gels
d) Hydrophobieren des Gels mit einem Silylierungsmittel in Gegenwart einer Säure als Katalysator, und
e) Trocknen des Gels
dadurch gekennzeichnet, dass
f) dass als Hydrophobierungsmittel Hexamethyldisiloxan und als Säure Salpetersäure (HN03) eingesetzt wird.
16. Verbundwerkstoff erhältlich nach Anspruch 15 und einem der Ansprüche 2 bis 12.
17. Verbundwerkstoff nach Anspruch 15 oder 6 in Gestalt einer Dämmplatte.
18. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Mineralwollefasern Steinwollfasern sind.
19. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 15 bis 18 mit einer Wärmeleitfähigkeit von < 20 mW/ mK und vorzugsweise < 18 mW/mK.
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