JP2021172565A - Method for producing aerogel and inorganic fiber composite gel material having high temperature resistance, heat insulation and fire resistance, and use of product thereof - Google Patents

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Abstract

To provide a method for producing a hydrophilic aerogel and inorganic fiber composite gel material which does not have organic substances decomposed and does not produce carcinogenic substances even when used at a high temperature of 600°C or higher for long hours.SOLUTION: A method comprises (1) a mixing step, (2) a hydrolysis step, (3) a polycondensation step, (4) an aging step, (5) a high-temperature solvent exchange step, (6) a drying step, and (7) a blending step. The obtained aerogel particles are mixed with inorganic fibers to form an adhesive aerogel composite gel-like substance. The content of aerogel and inorganic fibers after drying ranges from 25 wt.% to 90 wt.%.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、高温耐性、断熱性、耐火性を備えたエアロゲル及び無機繊維複合ゲル材料の製造方法、並びにその製品の使用に関し、特に、関連する生成物が800℃以上の高温に耐える特性を有する複合ゲル材料及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing an airgel and an inorganic fiber composite gel material having high temperature resistance, heat insulation and fire resistance, and the use of the product thereof, and in particular, the related product has a property of withstanding a high temperature of 800 ° C. or higher. The present invention relates to a composite gel material and a method for producing the same.

エアロゲルは立体網状構造を有する多孔質材料で、低密度(0.003g/cm〜0.2g/cm)、高比表面積(500m/g〜2,000m/g)、低熱伝導率(0.02W/mK〜0.036W/mK)等の特性を有するハイテク製品である。また、エアロゲルの孔隙率は95%以上にも達し、その内部には大量の空気が含まれている。ゆえに、全体が透明状を呈し、且つ低い熱伝導率、低い音伝導率、低い誘電率等の特性を有し、極めて優れた断熱性、防音性、電気絶縁性、吸着性、及び濾過性能を有する材料である。しかしながら、実際に使用する時に上述の機能を達成する場合、エアロゲルを岩綿、ガラス繊維、または炭素繊維等の基材に均一に分散させてエアロゲル断熱ブランケットを形成させる必要がある。よくあるエアロゲル断熱ブランケットは粉を吹きやすいという問題があった。また、エアロゲル断熱ブランケットの多くは使用可能な温度は200℃以下であり、高温に対する耐性がなかった。なお、市販品では300℃の高温下で使用すると、エアロゲル断熱ブランケットが毒性のあるガスや悪臭を放ち、一定期間使用した後には明らかな分解現象が発生した。そのため、交換中に大量のエアロゲル分解物や埃を発生させ、人々の健康を害し、環境を汚染した。 Airgel porous material having a three-dimensional network structure, low density (0.003g / cm 3 ~0.2g / cm 3), high specific surface area (500m 2 / g~2,000m 2 / g ), low thermal conductivity It is a high-tech product having characteristics such as (0.02 W / mK to 0.036 W / mK). In addition, the porosity of airgel reaches 95% or more, and a large amount of air is contained inside the airgel. Therefore, it is transparent as a whole and has characteristics such as low thermal conductivity, low sound conductivity, and low dielectric constant, and has extremely excellent heat insulation, soundproofing, electrical insulation, adsorptivity, and filtration performance. It is a material to have. However, in order to achieve the above-mentioned functions in actual use, it is necessary to uniformly disperse the airgel on a base material such as rock wool, glass fiber, or carbon fiber to form an airgel heat insulating blanket. Common airgel insulation blankets have the problem of being easy to blow powder. In addition, most of the airgel heat insulating blankets had a usable temperature of 200 ° C. or lower and were not resistant to high temperatures. In the commercial product, when used at a high temperature of 300 ° C., the airgel heat insulating blanket emitted toxic gas and a foul odor, and a clear decomposition phenomenon occurred after a certain period of use. As a result, a large amount of airgel decomposition products and dust were generated during the replacement, which was harmful to people's health and polluted the environment.

従来のエアロゲルの製造方法としてゾルゲル法がある。主にまずアルコキシシラン化合物(alkoxysilane)、オルトケイ酸テトラメチル、或いは水ガラス等の前駆物質と有機溶剤とを混合し、加水分解反応(hydrolysis)が生じるように酸触媒を添加する。一定時間加水分解を行った後、凝集(重縮合)反応(condensation)が生じるようにアルカリ触媒を添加し、凝集(重縮合)中にゾルを徐々に形成させる。ゾル内の分子結合が継続的に進行し、半固体の高分子ゲルが徐々に形成される。次いで、一定時間熟成(aging)することにより、ゾルが半固体構造から安定した構造の立体網状構造に変換される。最後に、まずエタノ−ル、ブタノ−ル、または1−プロパノ−ルを利用して溶剤交換を行い、n−ヘキサンまたはシクロヘキサン等の溶剤を利用して更に溶剤交換を行った後、超臨界乾燥技術により立体網状構造内の溶剤の抽出乾燥を行い、多孔性の乾燥疎水性エアロゲル粉末を得る。 There is a sol-gel method as a conventional method for producing airgel. Mainly, first, a precursor such as an alkoxysilane compound (alkoxysilane), tetramethyl orthosilicate, or water glass is mixed with an organic solvent, and an acid catalyst is added so that a hydrolysis reaction occurs. After hydrolysis for a certain period of time, an alkaline catalyst is added so that a condensation (condensation) reaction occurs, and a sol is gradually formed during the aggregation (polycondensation). Molecular binding in the sol continues and semi-solid polymer gels are gradually formed. Then, by aging for a certain period of time, the sol is converted from a semi-solid structure to a three-dimensional network structure having a stable structure. Finally, the solvent is first exchanged using ethanol, butanol, or 1-propanol, and further solvent exchange is performed using a solvent such as n-hexane or cyclohexane, and then supercritical drying is performed. The solvent in the three-dimensional network structure is extracted and dried by the technique to obtain a porous dry hydrophobic airgel powder.

現在用いられている疎水性エアロゲル断熱ブランケットもゾルゲル法を始めに使用する。主にまずアルコキシシラン化合物(例えば、メチルトリメトキシシラン(methyltrimethoxysilane、MTMS)またはメチルトリエトキシシラン(methyltriethoxysilane、MTES))と有機溶剤とを混合した後、加水分解反応が生じるようにアルカリ触媒を添加する。一定時間加水分解を行った後、重縮合反応を進行させると共に重縮合中にゲルを徐々に形成させる。その後、常温常圧または高温常圧で乾燥を行う。また、他のゾルゲル法では、まずアルコキシシラン化合物(例えば、テトラエトキシシラン(tetraethoxysilane、TEOS)或いはテトラメトキシシラン(tetramethoxysilane、TMOS))と有機溶剤とを混合した後、加水分解反応が生じるように酸触媒を添加する。一定時間加水分解を行った後、重縮合反応が生じるようにアルカリ触媒を添加し、重縮合中に安定した構造の立体網状構造を徐々に形成させる。その後、まずエタノ−ル、ブタノ−ル、または1−プロパノ−ルを利用して溶剤交換を行い、n−ヘキサンまたはシクロヘキサン等の溶剤を利用して更に溶剤交換を行う。その後、クロロトリメチルシランまたは疎水性シラン化合物により疎水修飾を行い、疎水性官能基群と立体網状構造とを化学結合させる。その後、常圧乾燥技術により立体網状構造内の溶剤を乾燥させ、多孔性乾燥エアロゲルバルク材を得る。最後に、派生したエアロゲル粉末を無機コットンブランケットに均一に噴霧し、シリコ−ンオイルを吹き付けると共にニ−ドルパンチにより定型し、多層エアロゲル断熱ブランケットを形成する。 The currently used hydrophobic airgel adiabatic blanket also uses the sol-gel method first. Mainly, an alkoxysilane compound (for example, methyltrimethoxysilane (MTMS) or methyltriethoxysilane (MTES)) is first mixed with an organic solvent, and then an alkali catalyst is added so that a hydrolysis reaction occurs. .. After hydrolysis for a certain period of time, the polycondensation reaction is allowed to proceed and a gel is gradually formed during the polycondensation. Then, it is dried at normal temperature and pressure or high temperature and pressure. In other sol-gel methods, an alkoxysilane compound (for example, tetraethoxysilane (TEOS) or tetramethoxysilane (TMOS)) is first mixed with an organic solvent, and then an acid is formed so that a hydrolysis reaction occurs. Add the catalyst. After hydrolysis for a certain period of time, an alkali catalyst is added so that a polycondensation reaction occurs, and a three-dimensional network structure having a stable structure is gradually formed during the polycondensation. Then, first, the solvent is exchanged using etanol, butanol, or 1-propanol, and further the solvent is exchanged using a solvent such as n-hexane or cyclohexane. Then, hydrophobic modification is performed with chlorotrimethylsilane or a hydrophobic silane compound, and the hydrophobic functional group group and the three-dimensional network structure are chemically bonded. Then, the solvent in the three-dimensional network structure is dried by the atmospheric drying technique to obtain a porous dried airgel bulk material. Finally, the derived airgel powder is evenly sprayed onto the inorganic cotton blanket, sprayed with silicone oil and stylized by needle punching to form a multi-layer airgel insulated blanket.

しかしながら、前述した疎水エアロゲル及び形成された多層エアロゲル断熱ブランケットは350℃で分解が始まり、大量の有毒な有機物質を放出するため、産業上利用できなかった。また、上述の疎水エアロゲルは製造プロセス中に何度も溶剤交換を行う必要があり、有機物質による修飾も必要なため、全体的にコスト及び時間がかかり、コストパフォ−マンスが乏しかった。 However, the above-mentioned hydrophobic airgel and the formed multilayer airgel adiabatic blanket could not be industrially used because decomposition started at 350 ° C. and released a large amount of toxic organic substances. Further, since the above-mentioned hydrophobic airgel needs to be subjected to solvent exchange many times during the manufacturing process and also needs to be modified with an organic substance, it is costly and time-consuming as a whole, and the cost performance is poor.

また、高温耐性の断熱セラミック板に関する従来の特許文献として、例えば、下記特許文献1には、「発泡セラミック複合床暖房レンガ及びその製造方法」が記載されている。ここでは比重0.2〜0.8の発泡セラミックを基板とし、セラミックレンガと発泡セラミックとの間の粘着層は超速硬セメントとする。但し、この技術には以下の問題が存在する。
1、エアロゲル材料や従来の有機発泡材と比べると発泡セラミックの導熱率が高く、エアロゲル材料の4倍から5倍にもなり、熱の損失が相対的に高くなる。
2、関連する有機発泡材は350℃以上の高温環境では明らかに分解し、大量の有毒ガスを発生し、発泡セラミックの耐用年数に影響を及ぼす。
Further, as a conventional patent document relating to a heat insulating ceramic plate resistant to high temperature, for example, the following Patent Document 1 describes "foam ceramic composite floor heating brick and its manufacturing method". Here, a foamed ceramic having a specific density of 0.2 to 0.8 is used as a substrate, and the adhesive layer between the ceramic brick and the foamed ceramic is ultrafast-hardened cement. However, this technology has the following problems.
1. The thermal conductivity of the foamed ceramic is higher than that of the airgel material or the conventional organic foaming material, which is 4 to 5 times that of the airgel material, and the heat loss is relatively high.
2. The related organic foaming material clearly decomposes in a high temperature environment of 350 ° C or higher, generates a large amount of toxic gas, and affects the service life of the foamed ceramic.

また、例えば、下記特許文献2には、「電熱複合セラミックレンガ及びその製造方法」が記載されている。ここでは発熱素子として電熱膜を採用し、成分中に55wt%〜75wt%の有機粘結剤が含まれている。有機粘結剤としては、例えば、エポキシ樹脂、ポリウレタン、またはシリコンゴム等の有機樹脂が用いられる。しかしながら、これらの有機粘結剤を含むセラミックレンガは350℃の高温環境で長時間使用することができず、且つ高温に加熱する過程において分解が発生しやすく、大量の有毒ガスを放出することであった。 Further, for example, the following Patent Document 2 describes "electric heating composite ceramic brick and its manufacturing method". Here, an electric heating film is used as the heat generating element, and 55 wt% to 75 wt% of an organic binder is contained in the components. As the organic binder, for example, an organic resin such as an epoxy resin, polyurethane, or silicon rubber is used. However, ceramic bricks containing these organic binders cannot be used for a long time in a high temperature environment of 350 ° C., and are prone to decomposition in the process of heating to a high temperature, and by releasing a large amount of toxic gas. there were.

また、例えば、下記特許文献3には、「多孔材料及びその製造方法」が記載されている。主にゾルゲル法を用いてアルコキシシラン化合物(例えば、テトラエトキシシラン)またはケイ酸塩化合物(例えば、水ガラス)と有機溶剤とを混合して合成し、且つ修飾剤により修飾して多孔材料を製造する。これにより、多孔材料表面の親水性官能基が疎水性官能基に交換され、水分の表面張力の影響によりエアロゲルが破裂する事象が回避される。この技術の欠点は、得られる疎水性エアロゲル材料が高温環境では使用できず、約350℃で分解が始まり、大量の有毒ガスを放出することである。 Further, for example, the following Patent Document 3 describes "a porous material and a method for producing the same". A porous material is produced by mixing and synthesizing an alkoxysilane compound (for example, tetraethoxysilane) or a silicate compound (for example, water glass) and an organic solvent mainly using a sol-gel method, and modifying the mixture with a modifier. do. As a result, the hydrophilic functional groups on the surface of the porous material are replaced with the hydrophobic functional groups, and the event that the airgel bursts due to the influence of the surface tension of water is avoided. The drawback of this technique is that the resulting hydrophobic airgel material cannot be used in high temperature environments and begins to decompose at about 350 ° C., releasing large amounts of toxic gas.

現在常用されている多孔性セラミック板は主に発泡セラミック、セラミックハニカム、または粒状セラミック結合体に属し、どれも高温で焼成されるケイ酸塩セラミック材料である。これら多孔性セラミック板は本質的に高密度セラミック構造を有し、発泡技術を利用して得られた多孔性セラミックレンガは薄くて軽く、高い難燃性を有する。しかしながら、高温での断熱性が優れず、高温環境で応用しても効果が低かった。 Currently commonly used porous ceramic plates mainly belong to foamed ceramics, ceramic honeycombs, or granular ceramic conjugates, all of which are silicate ceramic materials that are fired at high temperatures. These porous ceramic plates essentially have a high density ceramic structure, and the porous ceramic bricks obtained by utilizing the foaming technique are thin and light and have high flame retardancy. However, the heat insulating property at high temperature was not excellent, and the effect was low even when applied in a high temperature environment.

中国特許出願公開第CN105135507A号明細書Chinese Patent Application Publication No. CN105135507A 中国特許出願公開第CN105025598A号明細書Chinese Patent Application Publication No. CN105025598A 日本特許出願公開第200835648号明細書Japanese Patent Application Publication No. 200835648

そこで、本発明者は上記課題に鑑み、鋭意検討を重ねた結果、合理的設計で上記の課題を効果的に改善する本発明の提案に至った。 Therefore, as a result of diligent studies in view of the above problems, the present inventor has come up with a proposal of the present invention for effectively improving the above problems with a rational design.

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、本発明の第一の目的は、従来の有機粘結剤が使用される多孔性セラミック板及び疎水性エアロゲル断熱ブランケットは高温環境で長時間使用できないという欠点を改善することである。 The present invention has been made in view of these circumstances, and the first object of the present invention is to use a porous ceramic plate and a hydrophobic airgel heat insulating blanket in which a conventional organic binder is used for a long time in a high temperature environment. It is to improve the drawback of not being able to do it.

また、本発明の第二の目的は、エアロゲルに無機繊維(例えば、セラミック繊維、岩綿、ガラス繊維、炭素繊維等)を添加し、エアロゲルの関連断熱製品の耐圧、アンチノック性等の力学的性質を直接高め、且つ混合して得られるエアロゲル複合ゲル材料を不規則形状の各種柱や設備の外観に直接吹き付け塗装するか被覆することにより、エアロゲル粉末を無機繊維ブランケットの間に噴霧してエアロゲル断熱ブランケットを製造することを要しなくすることである。 A second object of the present invention is to add inorganic fibers (for example, ceramic fibers, rock wool, glass fibers, carbon fibers, etc.) to airgel, and to mechanically reduce the pressure resistance and anti-knock property of the airgel-related heat insulating products. Airgel powder is sprayed between inorganic fiber blankets by spraying or coating the appearance of various irregularly shaped columns and equipment with an airgel composite gel material that directly enhances the properties and is obtained by mixing. It eliminates the need to manufacture adiabatic blankets.

また、本発明の別の目的は、親水性エアロゲル粒子及び無機繊維等の材料との粘着
剤として無機粘着剤水溶液を利用して、乾燥後の材料全体の孔隙率を更に高め、材料の密度を低めて材料の断熱性を高めることである。また、一般的な有機粘着剤における高温環境での分解による大量の発がん性物質の発生を回避する。なお、無機粘着剤水溶液を粘着剤とすることで高温環境下での親水性エアロゲル及び無機繊維の構造安定性及び断熱特性を高め、更には高温環境で長時間使用した後にも粉を吹く問題を発生しない。
Another object of the present invention is to use an aqueous inorganic pressure-sensitive adhesive solution as a pressure-sensitive adhesive with materials such as hydrophilic airgel particles and inorganic fibers to further increase the porosity of the entire material after drying and increase the density of the material. It is to lower it and improve the heat insulation of the material. In addition, it avoids the generation of a large amount of carcinogens due to decomposition of general organic adhesives in a high temperature environment. By using an aqueous solution of an inorganic adhesive as an adhesive, the structural stability and heat insulating properties of the hydrophilic airgel and the inorganic fiber in a high temperature environment are improved, and the problem of blowing powder even after long-term use in a high temperature environment is solved. Does not occur.

本発明のさらに別の目的は、開発された親水性エアロゲル粒子の製造過程で高温溶剤交換技術を利用することにより、従来の親水性エアロゲルの製造における溶剤交換または水洗いにかかる時間を顕著に短縮し、製造時間も顕著に短縮し、製造コストを抑制しつつ歩留まりを向上させることである。 Yet another object of the present invention is to significantly reduce the time required for solvent exchange or washing with water in the production of conventional hydrophilic airgel by utilizing the high temperature solvent exchange technique in the process of producing the developed hydrophilic airgel particles. The manufacturing time is also remarkably shortened, and the yield is improved while suppressing the manufacturing cost.

本発明のさらに別の目的は、エアロゲル及び無機繊維複合ゲル材料を吹き付け塗装または押し出し等の従来の加工技術によって無機繊維ブランケットに直接形成し、一般的なエアロゲル断熱ブランケットを形成することである。また、エアロゲル及び無機繊維複合ゲル材料は一般的な繊維ブランケットと相互に結合させて多層構造を形成し、エアロゲル及び無機繊維複合ゲル材料に撥水剤を添加することで、撥水性及び高温断熱性質を有するエアロゲル断熱ブランケットを連続生産或いは大ロット生産し、エアロゲルと繊維ブランケット等の生地との間の作用を高めて製品の応用価値を向上させる。 Yet another object of the present invention is to form a general airgel adiabatic blanket by directly forming an airgel and an inorganic fiber composite gel material onto an inorganic fiber blanket by a conventional processing technique such as spray painting or extrusion. Further, the airgel and the inorganic fiber composite gel material are mutually bonded with a general fiber blanket to form a multi-layer structure, and by adding a water repellent to the airgel and the inorganic fiber composite gel material, water repellency and high temperature heat insulating properties are obtained. The airgel heat insulating blanket having the above is continuously produced or produced in a large lot, and the action between the airgel and the fabric such as the fiber blanket is enhanced to improve the applied value of the product.

本発明は親水性エアロゲル及び無機繊維の製造技術を結合したものであり、親水性エアロゲル粒子を改良型ゾルゲル技術により製造すると共に無機繊維を無機粘着剤水溶液と混合することで断熱性のエアロゲル及び無機繊維複合ゲル材料として結合(複合化)する。この複合ゲル材料は柔軟性及び高い粘結性等の加工に適した特性を兼ね備え、且つ架橋及び乾燥後に高温耐性及び高い断熱性質を有するエアロゲル断熱板材またはエアロゲル断熱レンガが形成されている。 The present invention combines the production techniques of hydrophilic airgel and inorganic fibers. Hydrophilic airgel particles are produced by the improved sol-gel technology, and the inorganic fibers are mixed with an aqueous solution of an inorganic pressure-sensitive adhesive to produce heat-insulating airgel and inorganic fibers. It binds (composites) as a fiber composite gel material. This composite gel material has properties suitable for processing such as flexibility and high cohesiveness, and an airgel heat insulating plate material or airgel heat insulating brick having high temperature resistance and high heat insulating properties after cross-linking and drying is formed.

上記課題を解決するために、本発明の一態様の親水性エアロゲル及び無機繊維複合ゲル材料の製造方法は、混合溶剤にシロキサン系化合物を添加し、混合溶液を形成するためにシロキサン系化合物を混合溶剤に分散させる(1)混合ステップと、加水分解反応が発生するように混合溶液に酸触媒を添加する(2)加水分解ステップと、重縮合反応が発生するように混合溶液にアルカリ触媒を添加する(3)重縮合ステップであって、重縮合反応中に疎水性分散溶媒を添加し、且つ高速攪拌により混合溶液中に均一な構造のエアロゲルのウェットゲルが形成される、或いは重縮合反応中に疎水性分散溶媒を添加し、且つ高速攪拌により混合溶液中に均一な構造のエアロゲルのウェットゲルが形成され、大量の疎水性分散溶媒雰囲気でエアロゲルのウェットゲルを破砕し、破砕したエアロゲルのウェットゲルの粒径が数百nm〜数十mmの大きさとなって疎水性分散溶媒中に分散し、特定の温度下でエアロゲルのウェットゲルの熟成を行い、エアロゲルのウェットゲルが更に安定化する(4)熟成ステップと、常圧高温の条件下で、エアロゲルのウェットゲルが透明な性状または完全な透明状になるまで、疎水性分散溶媒とエアロゲルのウェットゲル中の溶剤を交換する(5)高温溶剤交換ステップと、疎水性分散溶媒を高温蒸留除去または濾過機により濾過した後、エアロゲルのウェットゲルを高温乾燥すると共に親水性及び疎水性の混合溶剤によりエアロゲルのウェットゲル構造中の水分子を高速に脱離することで高い孔隙率且つ低い熱伝導特性のエアロゲル粒子を得、高い孔隙率及び高い比表面積を有する親水性エアロゲル粒子を得る(6)乾燥ステップと、乾燥した親水性エアロゲル粒子及び無機繊維を攪拌機で混合して均一に分散して無機混合物を形成し、無機混合物に無機粘着剤水溶液を添加することで、エアロゲル粒子、無機繊維、及び無機粘着剤水溶液が相互に作用した粘着性を有する親水性エアロゲル及び無機繊維の複合ゲル材料を形成した後、複合ゲル材料の粘度を調整するため、水、粘着剤水溶液、分散剤水溶液、またはエアロゲル粉末を添加する(7)ブレンドステップと、を含む。複合ゲル材料に対して、エアロゲルは15v/v%〜40v/v%を占め、無機繊維は10v/v%〜35v/v%を占め、無機粘着剤水溶液は25v/v%〜75v/v%を占めている。また、複合ゲル材料の乾燥後に得られるエアロゲル断熱板中のエアロゲル及び無機繊維の総含量は約25wt%〜90wt%の範囲である。 In order to solve the above problems, in the method for producing a hydrophilic aerogel and an inorganic fiber composite gel material according to one aspect of the present invention, a siloxane-based compound is added to a mixed solvent, and the siloxane-based compound is mixed to form a mixed solution. Disperse in a solvent (1) Add an acid catalyst to the mixed solution so that a hydrolysis reaction occurs (2) Add an alkali catalyst to the mixed solution so that a polycondensation reaction occurs (3) In the polycondensation step, a hydrophobic dispersion solvent is added during the polycondensation reaction, and a wet gel of aerogel having a uniform structure is formed in the mixed solution by high-speed stirring, or during the polycondensation reaction. A hydrophobic dispersion solvent was added to the mixture, and a wet gel of aerogel having a uniform structure was formed in the mixed solution by high-speed stirring. The particle size of the gel becomes several hundred nm to several tens of mm and is dispersed in a hydrophobic dispersion solvent, and the wet gel of the aerogel is aged under a specific temperature, and the wet gel of the aerogel is further stabilized ( 4) In the aging step and under normal pressure and high temperature conditions, replace the hydrophobic dispersion solvent with the solvent in the aerogel wet gel until the aerogel wet gel becomes transparent or completely transparent (5) high temperature. After the solvent exchange step and the hydrophobic dispersion solvent are removed by high temperature distillation or filtered by a filter, the wet gel of the aerogel is dried at a high temperature and the water molecules in the wet gel structure of the aerogel are rapidly dried by the mixed solvent of hydrophilic and hydrophobic. To obtain aerogel particles having a high pore ratio and low thermal conductivity characteristics, and to obtain hydrophilic aerogel particles having a high pore ratio and a high specific surface area (6) Drying step, dried hydrophilic aerogel particles and inorganic The fibers are mixed with a stirrer and uniformly dispersed to form an inorganic mixture, and by adding an aqueous inorganic pressure-sensitive adhesive to the inorganic mixture, the adhesiveness of the aerogel particles, the inorganic fibers, and the aqueous solution of the inorganic pressure-sensitive adhesive can be improved. After forming the composite gel material of the hydrophilic aerogel and the inorganic fiber, water, a pressure-sensitive adhesive aqueous solution, a dispersant aqueous solution, or an aerogel powder is added in order to adjust the viscosity of the composite gel material (7). include. Airgel occupies 15v / v% to 40v / v%, inorganic fiber occupies 10v / v% to 35v / v%, and inorganic adhesive aqueous solution occupies 25v / v% to 75v / v% with respect to the composite gel material. Occupy. The total content of airgel and inorganic fibers in the airgel heat insulating plate obtained after drying the composite gel material is in the range of about 25 wt% to 90 wt%.

さらに、シロキサン系化合物は、主に網目状構造の密度を向上させ、エアロゲルの柔軟性及び構造強度を高める。シロキサン系化合物としては、テトラメトキシシラン(tetramethoxysilane、TMOS)またはテトラエトキシシラン(tetraethoxysilane、TEOS)等の親水性アルコキシシラン化合物(alkoxysilane)、及び主にエアロゲルに微量の疎水性質を提供し、エアロゲル構造の構造安定性を高めるメチルトリメトキシシラン(MTMS)またはメチルトリエトキシシラン(MTES)等の少量の疎水性アルコキシシラン化合物を含む。 Further, the siloxane compound mainly improves the density of the network structure and enhances the flexibility and structural strength of the airgel. Examples of the siloxane compound include hydrophilic alkoxysilane compounds (alkoxysilane) such as tetramethoxysilane (TMOS) and tetraethoxysilane (TEOS), and mainly aerogels that provide a trace amount of hydrophobic properties and have an aerogel structure. Contains small amounts of hydrophobic alkoxysilane compounds such as methyltrimethoxysilane (MTMS) or methyltriethoxysilane (MTES) that enhance structural stability.

さらに、前記混合溶剤は第一成分及び、第二成分を含む。第一成分は水、アルコ−ル類、及びアルキル類よりなる群のうちの1種類または1種類以上の成分を含み、第二成分は乳化剤及び界面活性剤よりなる群のうちの1種類または1種類以上の成分を含む。 Further, the mixed solvent contains a first component and a second component. The first component contains one or more components of the group consisting of water, alcohols, and alkyls, and the second component is one or one of the group consisting of emulsifiers and surfactants. Contains more than one type of ingredient.

さらに、加水分解ステップにおいて添加される酸触媒は、硫酸、リン酸、硝酸、及び硼酸よりなる群のうちの1種類または1種類以上の成分を含む。 In addition, the acid catalyst added in the hydrolysis step comprises one or more components of the group consisting of sulfuric acid, phosphoric acid, nitric acid, and boric acid.

さらに、重縮合ステップにおいて添加されるアルカリ触媒は水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸水素ナトリウム、及び炭酸水素カリウムよりなる群のうちの1種類または1種類以上の成分を含む。 In addition, the alkali catalyst added in the polycondensation step comprises one or more components of the group consisting of sodium hydroxide, potassium hydroxide, sodium hydrogen carbonate, and potassium hydrogen carbonate.

さらに、界面活性剤は陽イオン界面活性剤、陰イオン界面活性剤、双性イオン界面活性剤、及び非イオン性界面活性剤よりなる群のうちの1種類または1種類以上の成分を含む。 Further, the surfactant comprises one or more components of the group consisting of cationic surfactants, anionic surfactants, zwitterionic surfactants, and nonionic surfactants.

さらに、重縮合ステップにおいて用いられる疎水性分散溶媒は、製造プロセスにおいて親水性溶剤及び疎水性溶剤を調和することで生成する分散溶媒を含む。重縮合破砕反応中に大量の分散溶媒(例えば、アルコ−ル類、芳香族類、アルキル類、及び有機ハロゲン化物類の1種類または1種類以上)が添加され、エアロゲルのウェットゲルが大量の疎水性分散溶媒の作用により大量の孔を有し、且つ親水性溶剤及び疎水性溶剤の調和比例を利用して分散溶媒及びエアロゲルのウェットゲルの分子間の相互作用を制御し、縮合結合中のエアロゲルのウェットゲル分子のミクロ相分離を更に制御する。これにより、形成されたエアロゲルのウェットゲルの分子の粒径及び孔の分布が制御される。 Further, the hydrophobic dispersion solvent used in the polycondensation step includes a dispersion solvent produced by harmonizing the hydrophilic solvent and the hydrophobic solvent in the production process. A large amount of dispersion solvent (eg, one or more of alcohols, aromatics, alkyls, and organic halides) is added during the polycondensation crushing reaction, and the airgel wet gel becomes a large amount of hydrophobic. It has a large number of pores due to the action of the sex dispersion solvent, and controls the interaction between the molecules of the dispersion solvent and the airgel wet gel by utilizing the harmonic proportion of the hydrophilic solvent and the hydrophobic solvent, and the airgel in the condensation bond. Further controls the microphase separation of wet gel molecules. As a result, the particle size and pore distribution of the molecules of the formed airgel wet gel are controlled.

さらに、本方法では一般的な常圧高温疎水溶剤交換方式を採用して溶剤の交換を行い、溶剤交換効率を高めると共にエアロゲルの製造にかかる時間を短縮する。本方法では親水性及び疎水性の異なる溶剤間の混和共沸効果を利用し、高温溶剤交換中のウェットゲル内部の水分子または他の親水性分子と大量の疎水性分散溶媒との間で混和共沸を進行させ、ウェットゲル中の溶剤が透明な性状または完全な透明状になるまで高速に交換を行い、低密度で高孔隙率の親水性エアロゲル粒子を製造する。 Further, in this method, a general normal pressure high temperature hydrophobic solvent exchange method is adopted to exchange the solvent, the solvent exchange efficiency is improved, and the time required for producing the airgel is shortened. This method utilizes the mixing and co-boiling effect between solvents with different hydrophilicity and hydrophobicity, and mixes water molecules or other hydrophilic molecules inside the wet gel during high-temperature solvent exchange with a large amount of hydrophobic dispersion solvent. The co-boiling is allowed to proceed at high speed until the solvent in the wet gel becomes transparent or completely transparent to produce hydrophilic aerogel particles with low density and high porosity.

さらに、本方法では一般的な常圧高温方式で溶剤の蒸発及び乾燥を行う。乾燥後に粒径が数百nm〜数十mmの範囲となる親水性エアロゲル粒子が得られる。全体的には、製造プロセスが簡易になり、基材の性質に基づいて異なる親水性官能基で表面の修飾を行ったエアロゲル粒子となる。製造プロセスが8時間〜12時間以内に完了し、且つ連続生産により一般的な親水性基群または特殊な親水基群を有するエアロゲル粒子を製造し、生産効率を高める。 Further, in this method, the solvent is evaporated and dried by a general normal pressure high temperature method. After drying, hydrophilic airgel particles having a particle size in the range of several hundred nm to several tens of mm can be obtained. Overall, the manufacturing process is simplified and the airgel particles are surface modified with different hydrophilic functional groups based on the properties of the substrate. The production process is completed within 8 to 12 hours, and continuous production produces airgel particles having a general hydrophilic group group or a special hydrophilic group group to improve production efficiency.

さらに、常圧高温下で溶剤の蒸発及び乾燥を行って得られた透明状エアロゲル粒子を攪拌機により無機繊維と直接混合して均一に分散したエアロゲル無機混合物を形成する。その後、無機粘着剤を添加すると、エアロゲル粒子、無機繊維、及び無機粘着剤が相互に作用して粘着性エアロゲルの複合ゲル状物が形成される。次に、エアロゲルの複合ゲル状物の粘度を調整するために、水、粘着剤水溶液、分散剤水溶液、或いはエアロゲル粉末を添加する。本発明に係るエアロゲル複合ゲル材料中のエアロゲルの含量は15v/v%〜40v/v%の範囲であり、無機繊維の含量は10v/v%〜35v/v%の範囲であり、無機粘着剤及び水の総含量は25v/v%〜75v/v%の範囲である。本発明に係るエアロゲル複合ゲル材料は高い粘着性を有し、高温炉または内燃機等の高温設備に直接充填されるかそれらを被覆し、或いはダイカスト法によりエアロゲル断熱レンガ或いは板材等の応用製品として製造される。エアロゲル断熱レンガまたは板材中のエアロゲル及び無機繊維の総含量は約25wt%〜90wt%の範囲である。 Further, the transparent airgel particles obtained by evaporating and drying the solvent under normal pressure and high temperature are directly mixed with the inorganic fibers by a stirrer to form an airgel inorganic mixture uniformly dispersed. After that, when the inorganic pressure-sensitive adhesive is added, the airgel particles, the inorganic fibers, and the inorganic pressure-sensitive adhesive interact with each other to form a composite gel-like product of the pressure-sensitive airgel. Next, in order to adjust the viscosity of the composite gel of airgel, water, an aqueous pressure-sensitive adhesive solution, an aqueous dispersant solution, or an airgel powder is added. The content of airgel in the airgel composite gel material according to the present invention is in the range of 15v / v% to 40v / v%, the content of inorganic fibers is in the range of 10v / v% to 35v / v%, and the inorganic pressure-sensitive adhesive. And the total content of water is in the range of 25v / v% to 75v / v%. The airgel composite gel material according to the present invention has high adhesiveness and is directly filled or coated in high temperature equipment such as a high temperature furnace or an internal combustion machine, or manufactured as an applied product such as an airgel heat insulating brick or a plate by a die casting method. Will be done. The total content of airgel and inorganic fibers in aerogel insulating bricks or plates ranges from about 25 wt% to 90 wt%.

さらに、エアロゲル複合ゲル材料を乾燥した後に形成されるエアロゲル断熱板中のエアロゲル及び無機繊維の総含量は約90wt%である。また、耐熱性は800℃以上に達し、室温及び500℃の環境における熱伝導率はそれぞれ0.04W/mK及び0.095W/mKとなる。 Further, the total content of airgel and inorganic fibers in the airgel insulation plate formed after drying the airgel composite gel material is about 90 wt%. Further, the heat resistance reaches 800 ° C. or higher, and the thermal conductivitys in the environment of room temperature and 500 ° C. are 0.04 W / mK and 0.095 W / mK, respectively.

さらに、無機繊維は、セラミック繊維、ガラス繊維、炭素繊維、酸化物繊維、及び岩綿繊維等の無機材料よりなる群のうちの1種類または1種類以上の材料である。 Further, the inorganic fiber is one kind or one or more kinds of materials in the group consisting of inorganic materials such as ceramic fiber, glass fiber, carbon fiber, oxide fiber, and rock wool fiber.

本発明によれば、次のような効果がある。
1、本発明に係る製造方法では、重縮合ステップ中に疎水性分散溶媒の作用により、エアロゲルのウェットゲル内部の親水性溶剤及び疎水性分散溶媒が相互に作用して混合され、ウェットゲルの表層が高速にゲル化されて緻密なエアロゲルシェル層が形成される。また、疎水性分散溶媒はエアロゲルのウェットゲル内部にも浸入してゲル化を促し、且つ疎水性分散溶剤の浸入により液相−固相分離(liquid−solid phase−separation)が生じ、ウェットゲルが大量のナノ細孔〜メソ細孔を有する構造となる。また、疎水性分散溶剤がウェットゲル内部に浸入した後にエタノ−ル及び水とも混和する。これにより水分子の界面張力が変化し、後続の熟成及び乾燥過程中のエアロゲルのウェットゲル構造の収縮が顕著に低減し、高い孔隙率の親水性エアロゲル粒子が生産される。これにより、親水性エアロゲル粒子の断熱及び防火性能が明らかに向上し、ブレンド材料中のエアロゲル粒子の含量が明らかに増加し、エアロゲルの実用性が高まる。
2、本発明に係る製造方法によって得られる親水性エアロゲル粒子は、密度、粒径、空孔率、及び孔の大きさは、例えば、親水性アルコキシシラン化合物の含量、疎水性アルコキシシラン化合物の含量、溶剤の含量、酸触媒、或いはアルカリ触媒の含量、界面活性剤の含量、疎水性分散溶媒の成分及びその含量、疎水性分散溶媒の成分及びその含量、溶剤交換の温度及び攪拌速度等の製造条件に基づく。
3、本発明に係る製造方法は重縮合分散ステップにおいて、大量の疎水性分散溶媒によって破砕及び高速攪拌を行った後、疎水性分散溶媒の乾燥除去を行い、粒径が数百nm〜数十mmの大きさとなる親水性エアロゲル粒子を生産する。生産された親水性エアロゲル粒子は優れた分散性を有すると共に基材に高含量で混和され、且つ基材中でのエアロゲル内部の高い空孔率が保持され、異なる各種の基材中での親水性エアロゲル粒子の断熱及び防火性能が向上する。
4、本発明は高温溶剤交換ステップにおいて、溶剤の含量及び温度等の条件を制御することで、エアロゲル全体の交換にかかる時間を短縮し、最速で12時間〜24時間以内に大量(体積約500L〜5000L)の親水性エアロゲル粒子の製造が完了する。これによってエアロゲルの生産効率が高まる。
5、本発明は親水性エアロゲル粒子を無機繊維に添加して混合すると共に、無機粘着剤水溶液により粘度を調節することで高温用エアロゲル及び無機繊維断熱複合ゲル材料を形成する。関連製品は600℃以上の温度で長時間使用可能であり、さらには1000℃の極高温環境でも短時間断熱効果を発揮する。
According to the present invention, there are the following effects.
1. In the production method according to the present invention, the hydrophilic solvent inside the wet gel of the airgel and the hydrophobic dispersion solvent interact with each other and are mixed by the action of the hydrophobic dispersion solvent during the polycondensation step, and the surface layer of the wet gel. Is gelled at high speed to form a dense airgel shell layer. In addition, the hydrophobic dispersion solvent also penetrates into the wet gel of the aerogel to promote gelation, and the penetration of the hydrophobic dispersion solvent causes liquid-solid phase-separation, resulting in the wet gel. The structure has a large amount of nanopores to mesopores. In addition, after the hydrophobic dispersion solvent has penetrated into the wet gel, it is miscible with ethanol and water. This changes the interfacial tension of the water molecules, significantly reducing the shrinkage of the wet gel structure of the airgel during the subsequent aging and drying process, producing hydrophilic airgel particles with high porosity. This clearly improves the heat insulation and fire protection performance of the hydrophilic airgel particles, clearly increases the content of the airgel particles in the blend material, and enhances the practicality of the airgel.
2. The hydrophilic aerogel particles obtained by the production method according to the present invention have the density, particle size, porosity, and pore size, for example, the content of the hydrophilic alkoxysilane compound and the content of the hydrophobic alkoxysilane compound. , Solvent content, acid catalyst or alkali catalyst content, surfactant content, hydrophobic dispersion solvent component and its content, hydrophobic dispersion solvent component and its content, solvent exchange temperature and stirring rate, etc. Based on conditions.
3. In the production method according to the present invention, in the polycondensation dispersion step, crushing and high-speed stirring are performed with a large amount of hydrophobic dispersion solvent, and then the hydrophobic dispersion solvent is dried and removed, and the particle size is several hundred nm to several tens. Produces hydrophilic airgel particles with a size of mm. The produced hydrophilic airgel particles have excellent dispersibility and are mixed with the base material in a high content, and the high porosity inside the airgel in the base material is maintained, and the hydrophilicity in various different base materials is maintained. Improves heat insulation and fire protection performance of airgel particles.
4. In the high temperature solvent exchange step, the present invention shortens the time required for the exchange of the entire airgel by controlling the conditions such as the solvent content and temperature, and a large amount (volume of about 500 L) within 12 to 24 hours at the fastest. The production of hydrophilic airgel particles of ~ 5000 L) is completed. This increases the production efficiency of airgel.
5. In the present invention, hydrophilic airgel particles are added to and mixed with inorganic fibers, and the viscosity is adjusted with an aqueous solution of an inorganic pressure-sensitive adhesive to form a high-temperature airgel and an inorganic fiber heat-insulating composite gel material. The related products can be used for a long time at a temperature of 600 ° C. or higher, and further exhibit a short-time heat insulating effect even in an extremely high temperature environment of 1000 ° C.

本発明の一実施形態に係る親水性エアロゲル及び複合ゲル材料の製造方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the manufacturing method of the hydrophilic airgel and the composite gel material which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の親水性エアロゲル粒子の外観写真である。It is an appearance photograph of the hydrophilic airgel particles of this invention. 本発明の親水性エアロゲル粒子の外観写真である。It is an appearance photograph of the hydrophilic airgel particles of this invention. 本発明の親水性エアロゲル粒子の走査型電子顕微鏡観察写真である。It is a scanning electron microscope observation photograph of the hydrophilic airgel particles of this invention. 10.5cm×10.5cm×9.5cmの高温断熱エアロゲルレンガの外観写真である。It is an external photograph of a high temperature heat insulating airgel brick of 10.5 cm × 10.5 cm × 9.5 cm. 厚さ3cmの高温断熱エアロゲルレンガを1200℃で3時間加熱したときの裏面の温度変化を示すグラフである(比率は体積比)。It is a graph which shows the temperature change of the back surface when the high temperature heat insulating airgel brick of a thickness 3cm was heated at 1200 degreeC for 3 hours (the ratio is a volume ratio).

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
なお、本発明は、以下の実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の特許請求の範囲(技術的範囲)に属する限り種々の形態を採りうる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
The present invention is not limited to the following embodiments, and various forms can be adopted as long as it belongs to the scope of claims (technical scope) of the present invention.

本発明の他の特徴については、本明細書及び添付図面の記載により明らかにする。 Other features of the present invention will be clarified by the description in the present specification and the accompanying drawings.

図1は本発明の実施形態に係る親水性エアロゲル複合ゲル材料の製造方法を図示する。混合ステップ(S1)と、加水分解ステップ(S2)と、凝集(重縮合)分散ステップ(S3)または重縮合粉砕ステップ(S3’)と、熟成ステップ(S4)と、高温溶剤交換ステップ(S5)と、乾燥ステップ(S6)と、ブレンドステップ(S7)と、を含む。これにより、高温耐性を有するエアロゲル断熱レンガ材の製造への応用が可能となる。 FIG. 1 illustrates a method for producing a hydrophilic airgel composite gel material according to an embodiment of the present invention. Mixing step (S1), hydrolysis step (S2), agglutination (polycondensation) dispersion step (S3) or polycondensation pulverization step (S3'), aging step (S4), high temperature solvent exchange step (S5). And a drying step (S6) and a blending step (S7). This makes it possible to apply it to the production of airgel heat insulating brick materials having high temperature resistance.

<混合ステップ(S1)>
シロキサン系化合物及び混合溶剤を混合する。シロキサン系化合物は、テトラメトキシシラン(tetramethoxysilane、TMOS)やテトラエトキシシラン(tetraethoxysilane、TEOS)等の親水性アルコキシシラン化合物(alkoxysilane)、及びメチルトリメトキシシラン(MTMS)またはメチルトリエトキシシラン(MTES)のようなアルキルシロキサン化合物よりなる群のうちの1種類または1種類以上である。上記疎水性分子は本文では主にエアロゲルに微量の疎水性特性を付与し、エアロゲル構造の構造安定性を向上させる。また、R−アルコキシシラン化合物のような他の親水性アルコキシシラン化合物を更に少量添加することにより、主にエアロゲル微細構造の修飾及び官能基の含有量の制御を行う。ここで、Rは親水性官能基であり、酸基−COOH、アミン基−NH、イミド基−NH−、ヒドロキシ基−OH、アミド基−CONH−、或いはエポキシ基−COH−COHを含む。また、親水性官能基の炭素数はC1〜C8の範囲である。混合溶液の総含量から計算すると、シロキサン系化合物の総含量は3.0mol%〜60.0mol%の範囲であり、アルキルシロキサン化合物の含量は0.05mol%〜6.0mol%の範囲であり、溶剤の含量は97.0mol%〜40.0mol%の範囲である。
<Mixing step (S1)>
The siloxane compound and the mixed solvent are mixed. Siloxane compounds include hydrophilic alkoxysilane compounds (alkoxysilane) such as tetramethoxysilane (TMOS) and tetraethoxysilane (TEOS), and methyltrimethoxysilane (MTMS) or methyltriethoxysilane (MTES). One or more of the group consisting of such alkylsiloxane compounds. In the text, the hydrophobic molecule mainly imparts a trace amount of hydrophobic property to the airgel and improves the structural stability of the airgel structure. Further, by adding a smaller amount of another hydrophilic alkoxysilane compound such as R-alkoxysilane compound, the airgel microstructure is mainly modified and the content of functional groups is controlled. Here, R is a hydrophilic functional group and contains an acid group-COOH, an amine group-NH 2 , an imide group-NH-, a hydroxy group-OH, an amide group-CONH-, or an epoxy group-COH-COH. The number of carbon atoms of the hydrophilic functional group is in the range of C1 to C8. Calculated from the total content of the mixed solution, the total content of the siloxane compound is in the range of 3.0 mol% to 60.0 mol%, and the content of the alkyl siloxane compound is in the range of 0.05 mol% to 6.0 mol%. The content of the solvent is in the range of 97.0 mol% to 40.0 mol%.

混合ステップ(S1)において用いられる溶剤は水、処理水、脱イオン水、二次水、C1〜C8のアルコ−ル類、C1〜C8のアルキル類、高分子乳化剤、または界面活性剤である。具体的な、混合用溶剤は水、処理水、脱イオン水、エタノ−ル、トルエン、n−ヘキサン、シクロヘキサン、ポリビニルアルコ−ル、またはヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロリドである。 The solvent used in the mixing step (S1) is water, treated water, deionized water, secondary water, alcohols C1 to C8, alkyls C1 to C8, polymer emulsifiers, or surfactants. Specific mixing solvents are water, treated water, deionized water, ethanol, toluene, n-hexane, cyclohexane, polyvinyl alcohol, or hexadecyltrimethylammonium chloride.

<加水分解ステップ(S2)>
加水分解反応が生じるように混合溶液に酸触媒を添加する。シロキサン系化合物の総含量と酸触媒との含量比(質量)は1:0.5〜1:0.0001である。また、特定のR−アルコキシシラン化合物を含有させることで酸触媒を添加せずに直接加水分解を行うことも可能である。なお、シロキサン系化合物の総含有量と酸触媒との含量比が1:0.0001である場合、加水分解反応時間は360分である。シロキサン系化合物の総含量と酸触媒との含量比が1:0.5である場合、加水分解時間は5分である。このように、加水分解時間は酸触媒の含量の増加に伴って短縮する。
<Hydrolyzed step (S2)>
An acid catalyst is added to the mixed solution so that a hydrolysis reaction occurs. The content ratio (mass) of the total content of the siloxane compound to the acid catalyst is 1: 0.5 to 1: 0.0001. Further, by containing a specific R-alkoxysilane compound, it is possible to directly carry out hydrolysis without adding an acid catalyst. When the total content of the siloxane compound and the content ratio of the acid catalyst are 1: 0.0001, the hydrolysis reaction time is 360 minutes. When the total content of the siloxane compound and the content ratio of the acid catalyst are 1: 0.5, the hydrolysis time is 5 minutes. Thus, the hydrolysis time decreases as the content of the acid catalyst increases.

<重縮合分散ステップ(S3)または重縮合粉砕ステップ(S3’)>
重縮合反応が生じるようにアルカリ触媒を混合溶液に添加する。酸触媒とアルカリ触媒とのモル比は1:1至1:4である。混合溶液中のアルカリ触媒の含量が増加すると重縮合反応時間(即ち、ゲル化時間)が明らかに短縮される。酸触媒とアルカリ触媒のモル比が1:1である場合、ゲル化時間は約1200分間である。酸触媒とアルカリ触媒とのモル比が1:3である場合、ゲル化時間は約3−5分間にまで短縮する。よって、アルカリ触媒の含量を調節することによりゲル化時間を調整可能である。
<Polycondensation dispersion step (S3) or polycondensation grinding step (S3')>
An alkaline catalyst is added to the mixed solution so that a polycondensation reaction occurs. The molar ratio of acid catalyst to alkali catalyst is 1: 1 to 1: 4. As the content of the alkaline catalyst in the mixed solution increases, the polycondensation reaction time (ie, gelation time) is clearly shortened. When the molar ratio of acid catalyst to alkali catalyst is 1: 1, the gelation time is about 1200 minutes. When the molar ratio of acid catalyst to alkali catalyst is 1: 3, the gelation time is shortened to about 3-5 minutes. Therefore, the gelation time can be adjusted by adjusting the content of the alkaline catalyst.

重縮合反応が完了に近付く前に、混合溶液がゾル溶液状(solution−like sol)になる。重縮合分散ステップ(S3)では、混合溶液がゾル状に制御される条件下で大量の非相溶系の疎水性分散溶媒を添加し、且つ100rpm〜500rpmの回転速度で高速攪拌する。混合溶液が疎水性分散溶媒の影響を受け、混合溶液中の水分子の水和作用が抑制され、その後のゲル化により親水性エアロゲルのウェットゲルが形成される。(混合)溶剤と疎水性分散溶媒との体積比は1:0.05〜1:0.5であり、疎水性分散溶媒の含量が高くなるほど、その後に形成されるエアロゲル粒子の収縮率が低下する。マクロな観点からは相分離が顕著になるほど不透明な外観を呈する。但し、その構造の孔隙率が高くなるほど密度が低くなる。重縮合粉砕ステップ(S3’)では、更に大量の疎水性分散溶媒条件下で親水性エアロゲルのウェットゲルの破砕を行う。具体的には、ウェットゲルが粒径が数百nm〜数十mmの大きさになるまで破砕して疎水性分散溶媒中に分散させる。 Before the polycondensation reaction is nearing completion, the mixed solution becomes a solution-like sol. In the polycondensation dispersion step (S3), a large amount of incompatible hydrophobic dispersion solvent is added under the condition that the mixed solution is controlled in a sol form, and the mixture is stirred at a high speed of 100 rpm to 500 rpm. The mixed solution is affected by the hydrophobic dispersion solvent, the hydration action of water molecules in the mixed solution is suppressed, and the subsequent gelation forms a wet gel of hydrophilic airgel. The volume ratio of the (mixed) solvent to the hydrophobic dispersion solvent is 1: 0.05 to 1: 0.5, and the higher the content of the hydrophobic dispersion solvent, the lower the shrinkage rate of the airgel particles formed thereafter. do. From a macro perspective, the appearance is so opaque that the phase separation becomes remarkable. However, the higher the porosity of the structure, the lower the density. In the polycondensation pulverization step (S3'), the wet gel of the hydrophilic airgel is crushed under the condition of a larger amount of hydrophobic dispersion solvent. Specifically, the wet gel is crushed to a size of several hundred nm to several tens of mm and dispersed in a hydrophobic dispersion solvent.

重縮合分散ステップ(S3)または重縮合粉砕ステップ(S3’)で用いられる疎水性分散溶媒はC2〜C4のアルコ−ル類、C6〜C12の芳香族類、C5〜C9のアルキル類、或いはC7〜C12の芳香族アルコ−ル類である。具体的には、例えば、エタノ−ル、ヘキサン、シクロヘキサン、ペンタン、ベンゼン、トルエン、ベンジルアルコ−ル、或いはフェネチルアルコ−ルである。 The hydrophobic dispersion solvent used in the polycondensation dispersion step (S3) or the polycondensation grinding step (S3') is C2-C4 alcohols, C6-C12 aromatics, C5-C9 alkyls, or C7. ~ C12 aromatic solvents. Specifically, for example, ethanol, hexane, cyclohexane, pentane, benzene, toluene, benzyl alcohol, or phenethyl alcohol.

<熟成ステップ(S4)>
形成した親水性エアロゲルのウェットゲルを特定の温度(例えば、35℃〜80℃、更には40℃〜50℃)下で熟成することで、親水性エアロゲルのウェットゲル構造が安定化する。
<Aging step (S4)>
By aging the formed hydrophilic airgel wet gel at a specific temperature (for example, 35 ° C to 80 ° C, further 40 ° C to 50 ° C), the wet gel structure of the hydrophilic airgel is stabilized.

<高温溶剤交換ステップ(S5)>
常圧高温(例えば、50℃〜160℃)でウェットゲルの溶剤交換を行う。高温溶剤交換ステップ(S6)では親水性及び疎水性の溶剤間の混和作用を利用し、ウェットゲル内部の水分子または他の親水性分子と大量の疎水性分散溶媒とを混和共沸する。透明な性状または完全な透明状になるまで、ウェットゲル中の溶剤を高速に交換する。これにより、その後低密度で高孔隙率の親水性エアロゲル粒子が製造可能となる。
<High temperature solvent exchange step (S5)>
The solvent of the wet gel is exchanged at normal pressure and high temperature (for example, 50 ° C. to 160 ° C.). In the high temperature solvent exchange step (S6), the miscibility between the hydrophilic and hydrophobic solvents is utilized to mix and azeotrope the water molecules or other hydrophilic molecules inside the wet gel with a large amount of the hydrophobic dispersion solvent. Change the solvent in the wet gel at high speed until it becomes transparent or completely transparent. This makes it possible to produce hydrophilic airgel particles with low density and high porosity.

<乾燥ステップ(S6)>
高温蒸留により前述の余剰の疎水性分散溶媒を除去するか、濾過機により前述の余剰の疎水性分散溶媒を濾過した後、60℃〜160℃の常圧条件下でウェットゲルを高速乾燥し、高密度の親水性エアロゲル粒子を得る。その後、更に流動層乾燥機、恒温槽、ドラム式乾燥機、ブレンド乾燥機、スプレ−乾燥機、或いは真空乾燥機により、90℃〜250℃でエアロゲル粒子の乾燥を行い、乾親水性エアロゲル粒子を得る。
<Drying step (S6)>
The above-mentioned excess hydrophobic dispersion solvent is removed by high-temperature distillation, or the above-mentioned excess hydrophobic dispersion solvent is filtered through a filter, and then the wet gel is dried at high speed under normal pressure conditions of 60 ° C. to 160 ° C. Obtain high density hydrophilic airgel particles. After that, the airgel particles are further dried at 90 ° C. to 250 ° C. by a fluidized bed dryer, a constant temperature bath, a drum type dryer, a blend dryer, a spray dryer, or a vacuum dryer to obtain dry hydrophilic airgel particles. obtain.

このようにして、粒径が数百nm〜数十mmの大きさになる多孔性親水性エアロゲル粒子を製造する。また、本技術は親水性官能基が修飾されたエアロゲル粒子も製造可能である。そして、セメント、セメント塗料、接着剤、或いは漆類等の材料と混合することで様々な防火断熱製品に応用可能であり、エアロゲル粒子の用途は多い。特に、得られるエアロゲル粒子は高温耐性エアロゲル断熱板材やレンガ材の製造及び応用に適用可能である。 In this way, porous hydrophilic airgel particles having a particle size of several hundred nm to several tens of mm are produced. The present technology can also produce airgel particles modified with hydrophilic functional groups. Then, by mixing with materials such as cement, cement paint, adhesive, and lacquer, it can be applied to various fireproof and heat insulating products, and airgel particles are often used. In particular, the obtained airgel particles can be applied to the production and application of high temperature resistant airgel heat insulating plate materials and brick materials.

<ブレンドステップ(S7)>
透明状のエアロゲル粒子を攪拌機により無機繊維と直接混合し、均一に分散した無機混合物を形成する。その後、エアロゲル粒子のような無機粘着剤を添加して、無機繊維と無機粘着剤との作用により粘着性エアロゲルの複合ゲル状物を形成する。次いで、水、粘着剤水溶液、分散剤水溶液、またはエアロゲル粉末を添加してエアロゲルの複合ゲル状物の粘度を調整することでエアロゲル複合ゲル材料を取得する。
<Blend step (S7)>
The transparent airgel particles are directly mixed with the inorganic fibers by a stirrer to form a uniformly dispersed inorganic mixture. Then, an inorganic adhesive such as airgel particles is added to form a composite gel of adhesive airgel by the action of the inorganic fiber and the inorganic adhesive. Then, water, an aqueous pressure-sensitive adhesive solution, an aqueous dispersant solution, or an airgel powder is added to adjust the viscosity of the airgel composite gel-like substance to obtain an airgel composite gel material.

ブレンドステップ(S7)において用いられる無機粘着剤は、リン酸塩、ケイ酸塩、硫酸塩、硼酸塩、金属酸化物よりなる群のうちの1種類または1種類以上である。具体的には、リン酸塩はリン酸ジルコニウムまたはリン酸−酸化銅であり、ケイ酸塩はケイ酸アルミニウム或いは水ガラスであり、金属酸化物は、銅、アルミニウム、ジルコニウム、イットリウム、及びランタン系元素の金属酸化物である。 The inorganic pressure-sensitive adhesive used in the blending step (S7) is one or more of the group consisting of phosphates, silicates, sulfates, borates, and metal oxides. Specifically, the phosphate is zirconium phosphate or phosphate-copper oxide, the silicate is aluminum silicate or water glass, and the metal oxides are copper, aluminum, zirconium, yttrium, and lanthanum. It is an elemental metal oxide.

図2及び図3は一般的なカメラを用いて親水性エアロゲル粒子の外観を観察したものである。図2は、ナノスケ−ルの親水性エアロゲル粒子のサイズが約50nm〜200nmである親水性エアロゲル粒子を示す。図3はミリメ−トルスケ−ルの親水性エアロゲル粒子のサイズが約3mm〜20mmであるものを示す。 2 and 3 show the appearance of hydrophilic airgel particles observed using a general camera. FIG. 2 shows hydrophilic airgel particles having a nanoscale hydrophilic airgel particle size of about 50 nm to 200 nm. FIG. 3 shows that the size of the hydrophilic airgel particles of the millimeter scale is about 3 mm to 20 mm.

図4は走査型電子顕微鏡を用いて親水性エアロゲル粒子の微細構造を観察した写真である。その表面及び内部には大量の孔を有する。 FIG. 4 is a photograph of observing the fine structure of hydrophilic airgel particles using a scanning electron microscope. It has a large number of holes on its surface and inside.

図5は製造した10.5cm×10.5cm×9.5cmの高温断熱エアロゲルレンガの外観写真である。写真中の重量計の表示より、重量は277.1gであることがわかる。計算により、高温断熱エアロゲルレンガの密度は0.265g/cmであることがわかり、優れた軽量化効果が得られることが確認された。 FIG. 5 is an external photograph of the manufactured 10.5 cm × 10.5 cm × 9.5 cm high temperature insulated airgel brick. From the display of the scale in the photograph, it can be seen that the weight is 277.1 g. By calculation, it was found that the density of the high temperature insulated airgel brick was 0.265 g / cm 3 , and it was confirmed that an excellent weight reduction effect could be obtained.

図6は厚さ3cmの高温断熱エアロゲルレンガを1200℃の火炎で3時間加熱したときの背面温度を比較したグラフを示す。比較結果から、室温が25℃の場合、高温断熱エアロゲルレンガを1200℃で3時間加熱した後の背面温度が約175℃となり、本実施形態の製品が極めて優れた高温耐性及び断熱性質を有することが示される。 FIG. 6 shows a graph comparing the back surface temperature when a high temperature insulated airgel brick having a thickness of 3 cm is heated with a flame of 1200 ° C. for 3 hours. From the comparison results, when the room temperature is 25 ° C., the back surface temperature after heating the high temperature insulated airgel brick at 1200 ° C. for 3 hours is about 175 ° C., and the product of the present embodiment has extremely excellent high temperature resistance and heat insulating properties. Is shown.

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。 The above-described embodiment is described for the purpose of enabling a person having ordinary knowledge in the technical field to which the present invention belongs to carry out the present invention. Various modifications of the above embodiment can be naturally made by those skilled in the art, and the technical idea of the present invention can be applied to other embodiments. Therefore, the present invention is not limited to the described embodiments, but is construed in the broadest range according to the technical idea defined by the claims.

(S1) 混合ステップ
(S2) 加水分解ステップ
(S3) 重縮合分散ステップ
(S3’) 重縮合粉砕ステップ
(S4) 熟成ステップ
(S5) 高温溶剤交換ステップ
(S6) 乾燥ステップ
(S7) ブレンドステップ
(S1) Mixing step (S2) Hydrolysis step (S3) Polycondensation dispersion step (S3') Polycondensation pulverization step (S4) Aging step (S5) High temperature solvent exchange step (S6) Drying step (S7) Blending step

Claims (10)

シロキサン系化合物及び溶剤を混合するして混合溶液を調製する混合ステップと、
酸触媒を前記混合溶液に添加して加水分解反応を進行させる加水分解ステップと、
アルカリ触媒を前記混合溶液に添加して重縮合反応を進行させる重縮合ステップであって、前記重縮合反応中に疎水性分散溶媒を添加し、攪拌により前記混合溶液中にエアロゲルのウェットゲルを形成する、或いは前記重縮合反応中に疎水性分散溶媒を添加し、且つ攪拌により前記混合溶液中にエアロゲルのウェットゲルを形成し、疎水性分散溶媒中で前記エアロゲルのウェットゲルを破砕し、破砕した粒径が数百nm〜数十mmのウェットゲルを前記疎水性分散溶媒中に分散する、重縮合ステップと、
特定の温度下で前記エアロゲルのウェットゲルの熟成を行い、前記エアロゲルのウェットゲルを安定化する熟成ステップと、
常圧高温の条件下で前記疎水性分散溶媒及び前記エアロゲルのウェットゲル中の溶剤を交換する高温溶剤交換ステップと、
前記疎水性分散溶媒を高温蒸留除去または濾過機により濾過した後、前記エアロゲルのウェットゲルを高温乾燥して親水性エアロゲル粒子を得る乾燥ステップと、
乾燥した前記親水性エアロゲル粒子及び無機繊維を攪拌機で混合して無機混合物を形成し、無機粘着剤水溶液を前記無機混合物に添加し、前記親水性エアロゲル粒子、前記無機繊維、及び前記無機粘着剤水溶液を含有する親水性エアロゲル及び無機繊維の複合ゲル材料を形成するブレンドステップと、を含むことを特徴とする親水性エアロゲル及び無機繊維複合ゲル材料の製造方法。
A mixing step of mixing a siloxane compound and a solvent to prepare a mixed solution, and
A hydrolysis step in which an acid catalyst is added to the mixed solution to allow the hydrolysis reaction to proceed,
A polycondensation step in which an alkali catalyst is added to the mixed solution to allow the polycondensation reaction to proceed. A hydrophobic dispersion solvent is added during the polycondensation reaction, and a wet gel of airgel is formed in the mixed solution by stirring. Or, a hydrophobic dispersion solvent was added during the polycondensation reaction, and an airgel wet gel was formed in the mixed solution by stirring, and the airgel wet gel was crushed and crushed in the hydrophobic dispersion solvent. A polycondensation step in which a wet gel having a particle size of several hundred nm to several tens of mm is dispersed in the hydrophobic dispersion solvent, and
The aging step of aging the wet gel of the airgel under a specific temperature to stabilize the wet gel of the airgel, and the aging step.
A high-temperature solvent exchange step of exchanging the hydrophobic dispersion solvent and the solvent in the wet gel of the airgel under the conditions of normal pressure and high temperature, and
After the hydrophobic dispersion solvent is removed by high temperature distillation or filtered by a filter, the wet gel of the airgel is dried at a high temperature to obtain hydrophilic airgel particles.
The dried hydrophilic airgel particles and inorganic fibers are mixed with a stirrer to form an inorganic mixture, and the inorganic pressure-sensitive adhesive aqueous solution is added to the inorganic mixture, and the hydrophilic airgel particles, the inorganic fibers, and the inorganic pressure-sensitive adhesive aqueous solution are added. A method for producing a hydrophilic airgel and an inorganic fiber composite gel material, which comprises a blending step of forming a hydrophilic airgel and an inorganic fiber composite gel material containing the above.
前記シロキサン系化合物は、第一親水性アルコキシシラン化合物(alkoxysilane)と、少量の第二親水性アルコキシシラン化合物と、疎水性アルコキシシラン化合物と、を含み、前記第一親水性アルコキシシラン化合物は、テトラメトキシシラン(tetramethoxysilane、TMOS)またはテトラエトキシシラン(tetraethoxysilane、TEOS)から選択され、前記疎水性アルコキシシラン化合物は、メチルトリメトキシシラン(MTMS)またはメチルトリエトキシシラン(MTES)から選択され、前記第二親水性アルコキシシラン化合物はR−アルコキシシラン化合物であり、Rは親水性官能基であり、酸基−COOH、アミン基−NH、イミド基−NH−、ヒドロキシ基−OH、アミド基−CONH−、またはエポキシ基−COH−COHから選ばれ、且つ前記親水性官能基の炭素数はC1〜C8の範囲であることを特徴とする請求項1に記載の親水性エアロゲル及び無機繊維複合ゲル材料の製造方法。 The siloxane compound contains a first hydrophilic alkoxysilane compound (alkoxysilane), a small amount of a second hydrophilic alkoxysilane compound, and a hydrophobic alkoxysilane compound, and the first hydrophilic alkoxysilane compound is tetra. Selected from tetramethoxysilane (TMOS) or tetraethoxysilane (TEOS), the hydrophobic alkoxysilane compound is selected from methyltrimethoxysilane (MTMS) or methyltriethoxysilane (MTES), said second. The hydrophilic alkoxysilane compound is an R-alkoxysilane compound, where R is a hydrophilic functional group, acid group-COOH, amine group-NH 2 , imide group-NH-, hydroxy group-OH, amide group-CONH- , Or the hydrophilic aerogel and inorganic fiber composite gel material according to claim 1, which is selected from an epoxy group-COH-COH and has a hydrophilic functional group having a carbon number in the range of C1 to C8. Production method. 前記溶剤は第一成分及び第二成分を含み、前記第一成分は水、アルコ−ル類、及びアルキル類よりなる群のうちの1種類または1種類以上の成分を含み、前記第二成分は乳化剤及び界面活性剤よりなる群のうちの1種類または1種類以上の成分を含むことを特徴とする請求項1に記載の親水性エアロゲル及び無機繊維複合ゲル材料の製造方法。 The solvent contains a first component and a second component, the first component contains one or more components of the group consisting of water, alcohols, and alkyls, and the second component The method for producing a hydrophilic airgel and an inorganic fiber composite gel material according to claim 1, wherein one or more of the components in the group consisting of an emulsifier and a surfactant are contained. 前記疎水性分散溶媒は、エタノ−ル、ヘキサン、シクロヘキサン、ペンタン、ベンゼン、トルエン、ベンジルアルコ−ル、フェネチルアルコ−ルよりなる群から選択される少なくとも1種であることを特徴とする請求項1に記載の親水性エアロゲル及び無機繊維複合ゲル材料の製造方法。 Claim 1 is characterized in that the hydrophobic dispersion solvent is at least one selected from the group consisting of ethanol, hexane, cyclohexane, pentane, benzene, toluene, benzyl alcohol, and phenethyl alcohol. The method for producing a hydrophilic airgel and an inorganic fiber composite gel material according to. 前記高温溶剤交換ステップは50℃〜160℃の常圧下で行われることを特徴とする請求項1に記載の親水性エアロゲル及び無機繊維複合ゲル材料の製造方法。 The method for producing a hydrophilic airgel and an inorganic fiber composite gel material according to claim 1, wherein the high-temperature solvent exchange step is performed under a normal pressure of 50 ° C. to 160 ° C. 前記乾燥ステップの高温蒸留は60℃〜160℃の常圧条件下で行われ、高温乾燥は流動層乾燥機、恒温槽、ドラム式乾燥機、ブレンド乾燥機、スプレ−乾燥機、または真空乾燥機を用いて90℃〜250℃で行われることを特徴とする請求項1に記載の親水性エアロゲル及び無機繊維複合ゲル材料の製造方法。 The high temperature distillation of the drying step is carried out under normal pressure conditions of 60 ° C. to 160 ° C., and the high temperature drying is performed by a fluidized layer dryer, a constant temperature bath, a drum type dryer, a blend dryer, a spray dryer, or a vacuum dryer. The method for producing a hydrophilic aerogel and an inorganic fiber composite gel material according to claim 1, wherein the method is carried out at 90 ° C to 250 ° C. 前記エアロゲル粒子の密度、粒径、空孔率、及び孔の大きさは、第一親水性アルコキシシラン化合物の含量、第二親水性アルコキシシラン化合物の含量、疎水性アルコキシシラン化合物の含量、溶剤の含量、溶剤の粘度、酸触媒の含量、アルカリ触媒の含量、疎水性分散溶媒の種類または含量、疎水性分散溶媒の種類または含量、溶剤交換温度、及び攪拌速度の条件に基づいて調節されることを特徴とする請求項2に記載の親水性エアロゲル及び無機繊維複合ゲル材料の製造方法。 The density, particle size, porosity, and pore size of the aerogel particles are determined by the content of the first hydrophilic alkoxysilane compound, the content of the second hydrophilic alkoxysilane compound, the content of the hydrophobic alkoxysilane compound, and the solvent. It should be adjusted based on the conditions of content, solvent viscosity, acid catalyst content, alkali catalyst content, hydrophobic dispersion solvent type or content, hydrophobic dispersion solvent type or content, solvent exchange temperature, and stirring speed. The method for producing a hydrophilic aerogel and an inorganic fiber composite gel material according to claim 2. 前記ブレンドステップは、乾燥した前記親水性エアロゲル粒子を攪拌機により無機繊維と混合した無機混合物を形成するステップに代替され、前記無機混合物に無機粘着剤を添加し、前記エアロゲル粒子、前記無機繊維、及び前記無機粘着剤を含有する粘着性エアロゲルの複合ゲル状物を形成することを特徴とする請求項1に記載の親水性エアロゲル及び無機繊維複合ゲル材料の製造方法。 The blending step is replaced by the step of forming an inorganic mixture in which the dried hydrophilic airgel particles are mixed with the inorganic fibers by a stirrer, and an inorganic adhesive is added to the inorganic mixture to form the airgel particles, the inorganic fibers, and the inorganic fibers. The method for producing a hydrophilic airgel and an inorganic fiber composite gel material according to claim 1, wherein a composite gel of the adhesive airgel containing the inorganic pressure-sensitive adhesive is formed. 前記無機粘着剤は、リン酸塩、ケイ酸塩、硫酸塩、硼酸塩、または金属酸化物から選択され、前記リン酸塩はリン酸ジルコニウム、リン酸−酸化銅であり、前記ケイ酸塩はケイ酸アルミニウムまたは水ガラスであり、前記金属酸化物は銅、アルミニウム、ジルコニウム系元素を含む酸化物であることを特徴とする請求項8に記載の親水性エアロゲル及び無機繊維複合ゲル材料の製造方法。 The inorganic pressure-sensitive adhesive is selected from phosphates, silicates, sulfates, borates, or metal oxides, the phosphates are zirconium phosphate, phosphate-copper oxide, and the silicates are. The method for producing a hydrophilic aerogel and an inorganic fiber composite gel material according to claim 8, wherein the metal oxide is aluminum silicate or water glass, and the metal oxide is an oxide containing copper, aluminum, and a zirconium-based element. .. 前記エアロゲルは前記複合ゲル材料の含量の15v/v%〜40v/v%を占め、前記無機繊維は10v/v%〜35v/v%を占め、前記無機粘着剤水溶液は25v/v%〜75v/v%を占め、且つ前記複合ゲル材料の乾燥後に得られるエアロゲル断熱板中の前記エアロゲル及び前記無機繊維の総含量は25wt%〜90wt%の範囲であることを特徴とする請求項1に記載の親水性エアロゲル及び無機繊維複合ゲル材料の製造方法。 The airgel occupies 15 v / v% to 40 v / v% of the content of the composite gel material, the inorganic fiber occupies 10 v / v% to 35 v / v%, and the inorganic pressure-sensitive adhesive aqueous solution occupies 25 v / v% to 75 v. The first aspect of claim 1, wherein the total content of the airgel and the inorganic fibers in the airgel heat insulating plate obtained after drying the composite gel material occupies / v% is in the range of 25 wt% to 90 wt%. A method for producing a hydrophilic airgel and an inorganic fiber composite gel material.
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