JP2023509115A - 電池熱管理のための組成物およびシステム - Google Patents

電池熱管理のための組成物およびシステム Download PDF

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Abstract

電池熱管理材料、組成物およびシステムが提供される。例示的な実施形態は、電池熱管理部材を含む。電池熱管理部材は、熱保護層と弾性層とを備えることができる。そのような電池熱管理部材を作製または製造する方法も提供される。特定の実施形態では、熱保護層は、雲母、微孔質シリカ、セラミック繊維、鉱物ウール、エアロゲルまたはそれらの組み合わせを含むことができる。【選択図】図１１

Description

関連出願の相互参照
本願は、２０２０年１月７日に出願された米国仮特許出願第６２／９５８，１３５号、２０２０年７月２４日に出願された米国仮特許出願第６３／０５６，５２７号、２０２０年１１月３０日に出願された米国仮特許出願第１７／１０６，９４０号、および２０２０年１１月３０日に出願された米国特許出願第１７／１０６，７６３号の優先権の利益を主張し、これらの各々は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれ、本願の用語のいずれかの定義を統制している。
本発明は、一般に、電池熱管理に関する。より具体的には、本開示は、電池熱管理のための組成物およびシステムに関する。特定の実施形態では、本開示は、電池セルを分離するためのエアロゲル技術または電池構成要素を絶縁するためのエアロゲル技術を含む高性能の電池熱管理組成物およびシステムに関する。
低密度エアロゲル材料は、最良の入手可能な固体絶縁体であると広く考えられている。エアロゲルは、主に伝導（構造密度が低いと、固体の骨格を通るエネルギー伝達のための曲がりくねった経路になる）、対流（細孔の体積が大きく、細孔の径が非常に小さいと、対流が最小になる）、および放射（ＩＲ吸収または散乱ドーパントを伴う）を最小限に抑えることによって絶縁体として機能する。エアロゲルは、加熱および冷却絶縁、音響絶縁、電子誘電体、航空宇宙、エネルギーの貯蔵および産生、ならびに濾過を含む広範囲の用途に使用することができる。さらに、エアロゲル材料は、様々な絶縁および非絶縁用途において非常に有用にする多くの他の興味深い音響、光学、機械的、および化学的特性を示す。
小さな空間で発熱部品からの熱の流れを確実に制御し、そのような製品の安全性および火の伝播の防止をもたらすのに適した断熱が、電子技術、産業技術、および自動車技術の分野で必要とされている。圧縮特性が優れている断熱シートは、例えばリチウムイオン電池モジュールのセパレータとして、これらのニーズに対処するのに有用であり得る。
リチウムイオン電池の安全基準には、火炎暴露試験が含まれる。火炎暴露試験は、電池モジュール内のセルが熱暴走を経た後、隣接するセルを含む他のセルへ熱が伝播した結果、発火または破裂が生じたか否かを判定することができる試験方法である。隣接するセルへ熱暴走が伝播するのを阻止することを意図した安全設計は、典型的には、セル間の断熱特性に優れた材料を含むことを含む。
発泡体または繊維シートなどの従来のタイプの断熱材は、高温に耐えることができるが、断熱または熱の封じ込めのための能力は比較的低い。そのような材料の場合、効果的な熱の管理をするために、断熱材の厚さを増加させなければならない。しかしながら、電池モジュールのスペース要件は、モジュールのサイズ、ならびにモジュール内のセル間のスペースを制限する。雲母またはセラミックシートなどの他の耐火性材料は、高温に耐えることができるが、比較的非圧縮性であり、また、絶縁に対する容量が低い。そのような材料は、パウチセルおよび角柱セルなど、動作中にセルが膨張および収縮する電池システムには適していない場合がある。同様に、電池モジュールの総重量を制限することが望ましい。したがって、所与の電池システムに所望の機械的特性を付与しながらも、必要な熱の特性を設けるために使用される材料の厚さおよび重量を最小限に抑えつつ、熱の伝播および火炎の伝播に対する耐性を達成する必要がある。効果的な断熱、熱の封じ込め、および火炎伝播の防止をするための異なるタイプの断熱システム、断熱材料、および断熱方法が必要である。
エアロゲル材料は、他の一般的なタイプの断熱材、例えば発泡体、ガラス繊維などの熱抵抗の約２から６倍を有することが知られている。エアロゲルは、断熱材の厚さを実質的に増加させたり、付加的な重量を追加したりすることなく、効果的な遮蔽および断熱を増加させることができる。エアロゲルは、低密度、連続気泡構造、大きな表面積、およびナノメートルスケールの細孔のサイズを有する構造のクラスであることが知られている。
Ｓｔｅｉｎｋｅの米国特許出願公開第２０１２／０１４２８０２号明細書は、エアロゲルの粒子で充填された連続気泡発泡体を開示している。Ｏｉｋａｗａの米国特許出願公開第２０１９／０１６１９０９号明細書は、不織布とエアロゲルとを含む断熱シートを開示している。しかしながら、これらの文献は、所望の熱的、火炎、機械的および疎水性の特性、ならびに電池熱管理部材において使用するための多くの所望の特性の組み合わせを有する材料、またはそのような材料を製造するための方法を開示していない。
圧縮性、圧縮弾性、コンプライアンス、熱抵抗、疎水性、炎色反応などを含む様々な態様において、個別に、および１つ以上の組み合わせで、改善された性能を有する電池熱管理部材およびシステムを提供することが望ましい。本発明がなされた時点での技術を全体として検討した際、従来技術の欠点をどのようにすれば克服することができるかは、本発明の分野の当業者にとって明白なことではなかった。
本発明の開示を容易にするために従来技術の特定の態様が議論されてきたが、出願人は決してこれらの技術的態様を否定せず、特許請求される発明は、本明細書で説明される従来の技術的態様の１つ以上を包含し得ることが企図される。
本発明は、先行技術の問題および欠点のうちの１つ以上に対処することができる。しかしながら、本発明は、いくつかの技術分野における他の問題および欠陥に対処するのに有用であることを判明し得ると考えられる。したがって、特許請求される発明は、必ずしも本明細書で論じられる特定の問題または欠陥のいずれかに対処することに限定されると解釈されるべきではない。
本明細書において、文書、行為または知識の項目が参照または議論される場合、この参照または議論は、その文書、行為または知識の項目またはそれらの任意の組み合わせが、優先日、公的に利用可能であったこと、公衆に知られていること、共通の一般知識の一部であったこと、または適用される法的規定の下で先行技術を構成することを認めるものではない。または、本明細書が関係するいずれかの問題を解決しようとする試みに関連することが知られていることを認めるものではない。
米国特許出願公開第２０１２／０１４２８０２号明細書 米国特許出願公開第２０１９／０１６１９０９号明細書
改善されたエアロゲル組成物に対する長年にわたるがこれまで満たされていなかった必要性が、これより、新規の有用で非自明な発明によって満たされる。
一般的な態様では、本開示は、耐久性があり、取り扱いが容易であり、使用される材料の厚さおよび重量を最小限に抑えながら熱伝播および火災伝播に対する良好な耐性を有し、圧縮性、圧縮弾性、およびコンプライアンスのための良好な特性も有する電池熱管理部材およびシステムを提供する。
例示的な態様では、本開示は、熱保護層および弾性層を含む電池熱管理部材を提供し、例えば、弾性層は１つ以上の有機材料を含む。例示的な実施形態では、熱保護層は、約６５ｍＷ／ｍＫ未満の熱伝導率を有し、例えば、熱保護層は、弾性層の少なくとも１つの表面を有機材料の少なくとも１つの分解温度未満に維持することができる。
いくつかの実施形態では、熱保護層は弾性層に隣接して配置される。いくつかの実施形態では、熱保護層は、少なくとも１つの弾性層と接触して配置される。いくつかの実施形態では、電池熱管理部材は、第２の熱保護層を含む。そのような実施形態では、第１の熱保護層および第２の熱保護層は、少なくとも１つの弾性層の両側に配置されることができる。例えば、第１の熱保護層および第２の熱保護層の少なくとも一方は、少なくとも１つの弾性層と接触して配置されることができる。
上記の実施形態のいずれにおいても、弾性層は圧縮性材料を含むことができる。いくつかの実施形態では、圧縮性材料の化学分解の温度は、約２００°Ｃを超える。いくつかの実施形態では、圧縮性材料の化学分解の温度は、約２４０°Ｃを超える。いくつかの実施形態では、圧縮性材料の化学分解の温度は、約２８０°Ｃを超える。いくつかの実施形態では、圧縮性材料の化学分解の温度は、約２００°Ｃから約３００°Ｃの範囲である。いくつかの実施形態では、圧縮性材料の化学分解の温度は、約３００°Ｃを超える。いくつかの実施形態では、圧縮性材料の化学分解の温度は、約３５０°Ｃを超える。いくつかの実施形態では、圧縮性材料の化学分解の温度は、約３００°Ｃから約４００°Ｃの範囲である。
例示的な実施形態では、圧縮性材料は、シロキサン、ポリオレフィン、ポリウレタン、フェノール、メラミン、酢酸セルロース、およびポリスチレンからなる群から選択される材料を含む。例示的な実施形態では、熱保護層は、雲母、微孔質シリカ、セラミック繊維、鉱物ウール、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される材料を含む。例えば、第１および第２の熱保護層の少なくとも一方は、雲母、微孔質シリカ、セラミック繊維、鉱物ウール、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される材料を含むことができる。別の例では、第１および第２の熱保護層の両方は、雲母、微孔質シリカ、セラミック繊維、鉱物ウール、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される材料を含むことができる。
いくつかの実施形態では、熱保護層はエアロゲル組成物を含む。例えば、第１および第２の熱保護層の少なくとも一方は、エアロゲル組成物を含むことができる。別の例では、第１および第２の熱保護層の両方がエアロゲル組成物を含むことができる。エアロゲル組成物のエアロゲルは、無機、有機または無機／有機ハイブリッド材料を含むことができる。例示的な実施形態において、エアロゲル組成物は、シリカエアロゲル組成物である。エアロゲル組成物は、補強材料を含むことができる。例えば、補強材料は、エアロゲル組成物に存在する。いくつかの実施形態では、補強材料は繊維を含む。例えば、繊維は、ディスクリート繊維、織布材料、不織布材料、ニードル不織布、バッティング、ウェブ、マット、フェルト、およびそれらの組み合わせからなる群から選択することができる。
別の一般的な態様では、本開示は、耐久性があり、取り扱いが容易であり、使用される材料の厚さおよび重量を最小限に抑えながら熱伝播および火災伝播に対する良好な耐性を有し、圧縮性、圧縮弾性、およびコンプライアンスのための良好な特性も有するエアロゲル組成物、例えば強化エアロゲル組成物を提供する。別の一般的な態様では、本開示は、エアロゲル組成物、強化エアロゲル組成物、またはそれらの組み合わせを含む熱制御部材または電池熱管理部材を提供する。例えば、本明細書に開示される態様による熱制御部材または電池熱管理部材は、エアロゲル組成物または強化エアロゲル組成物の少なくとも１つの層を含むことができる。別の例では、本明細書に開示される態様による熱制御部材または電池熱管理部材は、エアロゲル組成物または強化エアロゲル組成物の複数の層を含むことができる。
例示的な態様では、本開示は、エアロゲル組成物を含む熱制御部材または電池熱管理部材を提供する。特定の実施形態では、熱制御部材または電池熱管理部材は、実質的に平坦であり、第１の主要外面および第２の主要外面を有する。例示的な実施形態において、エアロゲル組成物は、１つ以上の添加剤を含む。添加剤は、いくつかの実施形態において、エアロゲル組成物の約５から２０重量％のレベルで存在することができる。添加剤は、いくつかの実施形態において、エアロゲル組成物の約１０から２０重量％のレベルで存在することができる。特定の実施形態では、熱制御部材または電池熱管理部材は、約４０ｍＷ／ｍＫ未満の熱伝導率を有する。例示的実施形態では、熱制御部材または電池熱管理部材はエアロゲル組成物の複数の層を含む。
別の例示的な態様では、本開示は、エアロゲル組成物の少なくとも１つの層と、少なくとも１つのコンプライアント部材と、熱容量性材料とを含む熱制御部材または電池熱管理部材を提供する。エアロゲル組成物は、１つ以上の添加剤を含み、添加剤は、エアロゲル組成物の少なくとも約５から２０重量％のレベルで存在する。添加剤は、いくつかの実施形態において、エアロゲル組成物の約１０から２０重量％のレベルで存在することができる。例示的実施形態では、熱制御部材または電池熱管理部材はエアロゲル組成物の複数の層を含む。いくつかの実施形態では、熱容量性材料は、エアロゲル組成物の少なくとも２つの層の間に配置される。熱容量性材料は、少なくとも約０．３Ｊ／（ｇ－Ｃ）の比熱容量を有する任意の材料とすることができる。いくつかの実施形態では、熱キャパシタンスを備える材料は、少なくとも約０．５Ｊ／（ｇ－Ｃ）の比熱容量を有する。例えば、熱容量性材料は、金属を含む少なくとも１つの層を含むことができる。例示的な実施形態では、少なくとも１つのコンプライアント部材は、圧縮性材料、すなわち、圧縮に対する所望の抵抗を付与しながらその厚さを減少させるために圧縮することができる材料を含むことができる。例えば、コンプライアント部材は、ポリオレフィン、ポリウレタン、フェノール、メラミン、酢酸セルロース、およびポリスチレンからなる群から選択される材料を含むことができる。コンプライアント部材は、エアロゲル組成物または熱容量性材料に隣接して配置することができる。例示的な実施形態において、コンプライアント部材は、エアロゲル組成物の少なくとも２つの層の間にある。いくつかの実施形態では、コンプライアント部材は、エアロゲル組成物の層と熱容量性材料の層の両方の間に配置される。
いくつかの実施形態では、熱制御部材または電池熱管理部材は、約３０ｍＷ／ｍＫ未満、約２５ｍＷ／ｍＫ未満、約２０ｍＷ／ｍＫ未満、約１８ｍＷ／ｍＫ未満、約１６ｍＷ／ｍＫ未満、約１４ｍＷ／ｍＫ未満、約１２ｍＷ／ｍＫ未満、約１０ｍＷ／ｍＫ未満、約５ｍＷ／ｍＫ未満の熱伝導率、または前述の熱伝導率の任意の組み合わせの間の範囲の熱伝導率を有する。例示的な実施形態では、１つ以上の添加剤は、ファイヤークラスの添加剤を含む。例示的な実施形態では、１つ以上の添加剤は乳白剤を含む。いくつかの実施形態では、１つ以上の添加剤は、ファイヤークラスの添加剤と乳白剤との組み合わせを含む。例えば、１つ以上の添加剤は、粘土鉱物、例えばカオリンを含むことができる。別の例では、１つ以上の添加剤は、炭化ホウ素、珪藻土、マンガンフェライト、ＭｎＯ、ＮｉＯ、ＳｎＯ、Ａｇ２Ｏ、Ｂｉ２Ｏ３、カーボンブラック、グラファイト、酸化チタン、酸化鉄チタン、酸化アルミニウム、ケイ酸ジルコニウム、酸化ジルコニウム、酸化鉄（ＩＩ）、酸化鉄（ＩＩＩ）、二酸化マンガン、酸化鉄チタン（イルメナイト）、酸化クロム、炭化ケイ素、炭化チタン、炭化タングステン、またはそれらの混合物からなる群から選択することができる。好ましい実施形態では、１つ以上の添加剤は炭化ケイ素を含む。
例示的な実施形態では、第１の主要外面が６５０°Ｃ以上の温度に曝されると、熱制御部材または電池熱管理部材は、少なくとも約１分間、第２の主要な面で１２０°Ｃ以下の温度を維持する。いくつかの実施形態では、第１の主要外面が６５０°Ｃ以上の温度に曝されると、熱制御部材または電池熱管理部材は、少なくとも約３０秒間、第２の主要な外面で７５°Ｃ以下の温度を維持する。いくつかの実施形態では、第１の主要外面が６５０°Ｃ以上の温度に曝されると、熱制御部材または電池熱管理部材は、少なくとも約９０秒間、第２の主要な外面で１５０°Ｃ以下の温度を維持する。いくつかの実施形態では、第１の主要外面が６５０°Ｃ以上の温度に曝されると、熱制御部材または電池熱管理部材は、少なくとも約９０秒間、第２の主要な外面で１５０°Ｃ以下の温度を維持する。いくつかの実施形態では、第１の主要外面が６５０°Ｃ以上の温度に曝されると、熱制御部材または電池熱管理部材は、少なくとも約９０秒間、第２の主要な外面で１７０°Ｃ以下の温度を維持する。いくつかの実施形態では、第１の主要外面が６５０°Ｃ以上の温度に曝されると、熱制御部材または電池熱管理部材は、少なくとも約２分間、好ましくは少なくとも約４分間、第２の主要外面において１８０°Ｃ以下の温度を維持する。
別の実施形態では、これらの熱プロファイルは、熱制御部材または電池熱管理部材が様々な構成および環境の他の構成要素と共に電気自動車システムに組み込まれるときに達成される。例えば、熱制御部材または電池熱管理部材は、熱制御部材または電池熱管理部材および他の構成要素が周囲圧力、温度、および圧縮（空気以外のガスからのものを含む）を受ける可能性がある電池システムなどのシステムに統合することができる。
例示的な実施形態において、エアロゲル組成物は、約１ｍｍから約１０ｍｍの範囲の非圧縮での厚さを有する。例えば、エアロゲル組成物は、約１ｍｍから約５ｍｍの範囲の非圧縮での厚さを有することができる。別の例では、エアロゲル組成物は、約２ｍｍの非圧縮での厚さ、約３ｍｍの非圧縮での厚さ、または約４ｍｍの非圧縮での厚さを有することができる。
特定の実施形態では、エアロゲル組成物は、約０．６０ｇ／ｃｍ３以下、約０．５０ｇ／ｃｍ３以下、約０．４０ｇ／ｃｍ３以下、約０．３０ｇ／ｃｍ３以下、約０．２５ｇ／ｃｍ３以下、約０．２０ｇ／ｃｍ３以下、約０．１８ｇ／ｃｍ３以下、約０．１６ｇ／ｃｍ３以下、約０．１４ｇ／ｃｍ３以下、約０．１２ｇ／ｃｍ３以下、約０．１０ｇ／ｃｍ３以下、約０．０５ｇ／ｃｍ３以下、約０．０１ｇ／ｃｍ３以下、またはこれらの値のいずれか２つの間の範囲の密度を有する。例示的な実施形態において、エアロゲル組成物は、約０．３ｇ／ｃｍ３未満の密度を有する。
例示的な態様では、本開示は、第１の電池セルと、第２の電池セルと、少なくとも第１の電池セルと第２の電池セルとの間に配置された本明細書に開示の実施形態による熱制御部材または電池熱管理部材とを含む電池モジュールを提供する。
例示的な態様では、本開示は、少なくとも１つの電池セルと、電池セル上または電池モジュール上に、例えば、少なくとも１つの電池セルの表面上、または電池モジュールの表面上に配置された、本明細書に開示の実施形態による熱制御部材または電池熱管理部材とを含む、電池モジュールまたは電池パックを提供する。例えば、電池モジュールまたは電池パックは、内面および外面を有する。特定の実施形態では、熱制御部材または電池熱管理部材は、電池モジュールまたは電池パックの内面にある。特定の実施形態では、熱制御部材または電池熱管理部材は、電池モジュールまたは電池パックの外面にある。
例示的実施形態では、熱制御部材または電池熱管理部材はエアロゲル組成物を含む。いくつかの実施形態では、熱制御部材または電池熱管理部材は、約２５Ｊ／ｇから約２２５Ｊ／ｇの範囲のエネルギー吸収能力を有する。
本明細書に開示される態様の実施形態において、補強材料を含むことができる。例えば、補強材料は、繊維を含む。例えば、補強材料は、ディスクリート繊維、織布材料、不織布材料、ニードル不織布、バッティング、ウェブ、マット、フェルト、およびそれらの組み合わせからなる群から選択することができる。いくつかの実施形態では、補強材料は、連続気泡マクロ多孔質骨格（「ＯＣＭＦ」）材料を含む。例えば、ＯＣＭＦ材料は、メラミン系発泡体またはウレタン系ポリマー発泡体を含むことができる。他の実施形態では、補強材料は、繊維とＯＣＭＦ材料との組み合わせを含むことができる。
本明細書に開示される態様の実施形態では、熱制御部材または電池熱管理部材は、約２ｍｍから約１０ｍｍの範囲の非圧縮での厚さを有することができる。例えば、熱制御部材または電池熱管理部材は、約２ｍｍ、約３ｍｍ、約４ｍｍ、約５ｍｍ、約６ｍｍ、約７ｍｍ、約８ｍｍ、約９ｍｍ、約１０ｍｍ、または前述の厚さのいずれかの間の範囲の非圧縮での厚さを有することができる。例示的な実施形態では、熱制御部材または電池熱管理部材は、約２ｍｍから約７ｍｍの範囲の非圧縮での厚さを有することができる。
本明細書に開示される態様のいくつかの実施形態では、熱制御部材または電池熱管理部材は、第１または第２の外面の少なくとも一方を形成する封入部材をさらに含むことができる。例えば、エアロゲル組成物は、封入部材を含むことができる。封入部材は、例えばエアロゲル組成物および／または熱制御部材または電池熱管理部材を取り囲むカプセル化層またはコーティングを含むことができる。封入部材は、空気がパネルに出入りすることを可能にするための少なくとも１つの通気口と、いくつかの実施形態では、封入部材内部に粒子状物質を保持するための微粒子フィルタとを含むことができる。
例示的な実施形態では、熱制御部材または電池熱管理部材のエアロゲル組成物は疎水性である。例えば、エアロゲル組成物は、約１５重量％未満の液体吸水率を有する。
例示的な実施形態において、エアロゲル組成物のエアロゲルは、無機、有機または無機／有機ハイブリッド材料を含む。例えば、エアロゲル組成物は、シリカエアロゲル組成物である。特定の実施形態では、エアロゲル組成物は、アルキル化シリカを含む。
特定の実施形態では、エアロゲル組成物は高さがある。本特許の目的のために、高さのあるエアロゲル組成物は、バルクおよびいくらかの弾性の特性（完全なバルクの回復の有無いずれか）を示すエアロゲル組成物として定義される。特定の実施形態では、高さのあるエアロゲル組成物は、（ｉ）その元のまたは非圧縮での厚さの少なくとも５０％、好ましくは少なくとも６５％、最も好ましくは少なくとも８０％圧縮可能であり、（ｉｉ）数秒間圧縮した後、その元のまたは圧縮されていない厚さの少なくとも７０％、好ましくは少なくとも７５％、最も好ましくは少なくとも８０％に戻るのに十分な弾性である。
いくつかの実施形態では、補強材料は、複数の材料層を含む強化材を含むことができる。例えば、複数の材料層を互いに接合することができる。例示的な実施形態では、複数の層のうちの少なくとも１つは第１の材料を含むことができ、複数の層のうちの少なくとも１つの他の層は第２の材料を含むことができる。第１の材料および第２の材料は、同じまたは異なる材料特性を有することができる。例えば、第１の材料は、第２の材料よりも圧縮性であり得る。別の例では、第１の材料は独立気泡を含むことができ、第２の材料は独立気泡を含むことができる。
本明細書に開示されている態様のいくつかの実施形態では、熱制御部材または電池熱管理部材は複数の層を含むことができる。例えば、熱制御部材または電池熱管理部材は、熱伝導性材料の少なくとも１つの層、または熱伝導性材料を含む層を含むことができ、例えば、層は、金属、炭素、熱伝導性ポリマー、それらの組み合わせを含む。これらの実施形態の文脈で使用される場合、熱伝導性材料は、エアロゲル組成物の熱伝導率よりも大きい熱伝導率を有する材料を指す。特定の実施形態では、熱伝導性材料は、エアロゲル組成物の熱伝導率よりも少なくとも約１桁大きい熱伝導率を有する。いくつかの実施形態では、熱制御部材または電池熱管理部材はエアロゲル組成物の複数の層を含むことができる。特定の実施形態では、熱制御部材または電池熱管理部材は、エアロゲル組成物に隣接して配置された導電性材料の少なくとも１つの層を含むことができる。特定の実施形態では、熱制御部材または電池熱管理部材は、エアロゲル組成物の複数の層のうちの少なくとも２つの間に配置された導電性材料の少なくとも１つの層を含むことができる。いくつかの実施形態では、熱制御部材または電池熱管理部材は、熱制御部材または電池熱管理部材の層内、例えばエアロゲル組成物の層内に配置された導電性材料の粒子を含むことができる。
例示的な実施形態では、熱制御部材または電池熱管理部材は、熱キャパシタンス（すなわち、熱容量性材料）を提供する材料または材料層、例えば、少なくとも約０．３Ｊ／（ｇ－Ｃ）の比熱容量を有する材料を含むことができる。いくつかの実施形態では、熱キャパシタンスを備える材料は、少なくとも約０．５Ｊ／（ｇ－Ｃ）の比熱容量を有する。例えば、熱容量を提供する材料は、アルミニウム、チタン、ニッケル、鋼、鉄、またはそれらの組み合わせなどの金属を含むことができる。いくつかの実施形態では、熱制御部材または電池熱管理部材は、熱キャパシタンスを備える材料の層またはコーティングを含むことができる。いくつかの実施形態では、熱制御部材または電池熱管理部材は、熱制御部材または電池熱管理部材の層内、例えばエアロゲル組成物の層内に配置された熱キャパシタンスを付与する材料の粒子を含むことができる。特定の実施形態では、熱制御部材または電池熱管理部材は、エアロゲル組成物に隣接して配置された熱キャパシタンスを備える材料の少なくとも１つの層を含むことができる。特定の実施形態では、熱制御部材または電池熱管理部材は、エアロゲル組成物の複数の層のうちの少なくとも２つの間に配置された熱キャパシタンスを備える材料の少なくとも１つの層を含むことができる。例示的な実施形態では、熱制御部材または電池熱管理部材は、熱伝導性材料と熱容量性材料の両方を含むことができる。例えば、熱制御部材または電池熱管理部材は、熱キャパシタンスと熱伝導率の両方を備える材料、例えば、アルミニウム、チタン、ニッケル、鋼、鉄、またはそれらの組み合わせなどの金属を含むことができる。別の例では、熱制御部材または電池熱管理部材は、各々が熱キャパシタンス、熱伝導率、またはそれらの組み合わせのいずれかを備える１つ以上の異なる材料または材料の層、例えば、金属を含む層および熱伝導性ポリマーを含む層を含むことができる。
いくつかの実施形態では、熱制御部材または電池熱管理部材の層間にサーマルペーストを使用して、そのような層間の均一で一貫した熱伝導を確実にすることができる。本明細書で使用される場合、サーマルペーストは、サーマルコンパウンド、サーマルグリス、サーマルインターフェースマテリアル（ＴＩＭ）、サーマルゲル、ヒートペースト、ヒートシンクコンパウンド、およびヒートシンクペーストとしても知られる様々な材料を指す。例えば、熱ペーストの層を、エアロゲル組成物と、熱伝導性材料または熱容量性材料を含む１つ以上の層などの他の層との間に配置することができる。
本明細書に開示されている態様の実施形態では、組成物は、以下でより詳細に説明するように、少なくとも１つの対向層をさらに含むことができる。例えば、対向層は、ポリマーシート、金属シート、繊維シート、および織物シートからなる群から選択される層であり得る。例示的な実施形態では、対向層は、導電性材料、熱容量を備える材料、またはそれらの組み合わせを含むことができる。いくつかの実施形態では、対向層は、例えば、エアロゾル接着剤、ウレタン系接着剤、アクリレート接着剤、ホットメルト接着剤、エポキシ、ゴム樹脂接着剤、ポリウレタン複合接着剤、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される接着機構によって組成物に付着させることができる。いくつかの実施形態では、対向層は、非接着機構、例えば、火炎接着、ステッチ、シーリングバッグ、リベット、ボタン、クランプ、ラップ、ブレース、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される機構によって組成物に取り付けることができる。いくつかの実施形態では、上述の接着機構および非接着機構のいずれかの組み合わせを使用して、対向層を組成物に取り付けることができる。上記の態様のいくつかの実施形態では、熱制御部材または電池熱管理部材は、導電性材料または熱容量性材料の少なくとも１つの層をさらに含むことができる。例えば、導電性または熱容量性材料の少なくとも１つの層は、金属、炭素、導電性ポリマー、またはそれらの組み合わせを含むことができる。いくつかの例では、炭素を含む導電性材料の少なくとも１つの層は、高配向グラファイト材料、例えば、熱分解グラファイトシートまたは同様の材料であり得る。
本明細書に開示される態様の実施形態では、１つ以上の添加剤は、炭化ホウ素、珪藻土、マンガンフェライト、ＭｎＯ、ＮｉＯ、ＳｎＯ、Ａｇ２Ｏ、Ｂｉ２Ｏ３、カーボンブラック、グラファイト、酸化チタン、酸化鉄チタン、酸化アルミニウム、ケイ酸ジルコニウム、酸化ジルコニウム、酸化鉄（ＩＩ）、酸化鉄（ＩＩＩ）、二酸化マンガン、酸化鉄チタン（イルメナイト）、酸化クロム、炭化ケイ素、炭化チタン、炭化タングステン、またはそれらの混合物からなる群から選択される。特定の実施形態では、１つ以上の添加剤は炭化ケイ素を含むことができる。特定の実施形態では、１つ以上の添加剤は、炭化ケイ素のウィスカーまたは繊維を除外する。
いくつかの実施形態において、エアロゲル組成物は、１つ以上の追加の添加剤をさらに含む。例えば、１つ以上の追加の添加剤は、ファイヤークラスの添加剤を含む。上記態様のこれらまたは他の実施形態では、組成物は、低可燃性、不燃性、低燃焼性または不燃性である。いくつかの実施形態では、添加剤は粘土鉱物、例えばカオリンを含む。これらまたは他の実施形態では、１つ以上の添加剤は、ファイヤークラスの添加剤と乳白剤との組み合わせを含む。
さらに、本開示の様々な実施形態のエアロゲル材料またはフレームワークは、様々な実施形態に記載された補強材料に浸透されたエアロゲル粒子ベースのスラリーまたは懸濁液を用いて実施される。本開示の様々な実施形態は、適切な溶媒にて補強材料に様々なゲル前駆体を浸透させ、続いて超臨界流体を使用することを含む様々な方法を使用して、または高温および周囲圧力もしくは亜臨界圧力で溶媒を除去することによって、その場で製造された非微粒子エアロゲル材料を用いて実施され得る。
別個の実施形態では、本開示は、エアロゲル組成物、例えば、ＯＣＭＦ強化または繊維強化エアロゲル組成物を含む熱制御部材または電池熱管理部材を含み、様々な組み合わせおよびその製造方法を含む、前述の特徴および特性の１つ以上、またはさらにはすべてをも含む。
本明細書に開示される熱障壁およびエアロゲル組成物の実施形態は、任意の構成の電池セルまたは電池の電池構成要素、例えばパウチセル、円筒形セル、角柱形セル、ならびに任意のそのようなセルを組み込むかまたは含むパックおよびモジュールを、分離、絶縁および保護するのに有用である。本明細書に開示される熱障壁およびエアロゲル組成物は、リチウムイオン電池、固体電池、ならびに分離、絶縁、および保護が必要な任意の他のエネルギー貯蔵装置または技術に有用である。
本発明のこれらおよび他の重要な目的、利点、および特徴は、本開示が進むにつれて明らかになる。
したがって、本発明は、以下に記載される開示に例示される構造、要素の組み合わせ、および部品の配置の特徴を含み、本発明の範囲は特許請求の範囲に示される。
本明細書に開示される特定の実施形態による、時間－温度挙動を制御する熱制御部材または電池熱管理部材を示すチャートである。 本明細書に開示される特定の実施形態による、時間－温度挙動を制御する熱制御部材または電池熱管理部材を示すチャートである。 本明細書に開示される特定の実施形態による熱制御部材または電池熱管理部材の応力と歪みとの関係を示すチャートである。 本明細書に開示される特定の実施形態による、時間－温度挙動を制御する熱制御部材または電池熱管理部材を示すチャートである。 本明細書に開示の特定の実施形態による、例示的な熱制御部材または電池熱管理部材を示す。 本明細書に開示の特定の実施形態による、熱制御部材または電池熱管理部材を概略的に示す。 本明細書に開示の特定の実施形態による、熱制御部材または電池熱管理部材を概略的に示す。 本明細書に開示の特定の実施形態による、熱制御部材または電池熱管理部材を概略的に示す。 本明細書に開示の特定の実施形態による、熱制御部材または電池熱管理部材を概略的に示す。 本明細書に開示の特定の実施形態による、熱制御部材または電池熱管理部材を概略的に示す。 本明細書に開示の特定の実施形態による、熱制御部材または電池熱管理部材を概略的に示す。
好ましい実施形態の以下の詳細な説明では、その一部を形成し、本発明を実施することができる特定の実施形態を例示として示す添付の図面を参照する。本発明の範囲から逸脱することなく、他の実施形態を利用することができ、構造的変更を行うことができることを理解されたい。
本明細書および添付の特許請求の範囲で使用される場合、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、内容が明らかにそうでないことを指示しない限り、複数の指示対象を含む。本明細書および添付の特許請求の範囲で使用される場合、「または（ｏｒ）」という用語は、文脈上他に明確に指示されない限り、「および／または（ａｎｄ／ｏｒ）」を含む意味で一般的に使用される。
本明細書で使用される場合、「約」は、概ねまたは付近ということを意味し、記載された数値または範囲の文脈における数値の±５％を意味する。実施形態では、「約」という用語は、数値の有効数字による従来の丸めを含むことができる。また、「約「ｘ」から「ｙ」」は、「約「ｘ」から約「ｙ」」を含む。
本明細書で使用される場合、「組成物」および「複合体」という用語は互換的に使用される。
エアロゲルは、相互接続構造の骨格と、骨格内に組み込まれた細孔の対応するネットワークと、空気などのガスから主に構成される細孔のネットワーク内の間隙相とを含む連続気泡を有する多孔質材料のクラスである。エアロゲルは、典型的には、密度が低く、多孔度が高く、表面積が大きく、孔径が小さいことを特徴とする。エアロゲルは、それらの物理的および構造的特性によって他の多孔質材料と区別することができる。
本開示の文脈の中で、「エアロゲル」または「エアロゲル材料」という用語は、相互接続された構造の骨格を含み、相互接続された細孔の対応するネットワークが骨格内に組み込まれ、分散された間隙媒体として空気などのガスを含むゲルを指し、エアロゲルに起因する、以下の、（ａ）約２ｎｍから約１００ｎｍの範囲の平均孔径、（ｂ）少なくとも８０％以上の多孔度、および（ｃ）約１００ｍ２／ｇ以上の表面積、という物理的および構造的特性（窒素ポロシメトリー試験による）を特徴とする。
したがって、本開示のエアロゲル材料は、前の段落に記載の明確化する要素を満たす任意のエアロゲルまたは他の連続気泡材料を含み、またキセロゲル、クリオゲル、アンビゲル、ミクロポーラス材料などに分類できる材料を含む。
エアロゲル材料はまた、（ｄ）約２．０ｍＬ／ｇ以上、特に約３．０ｍＬ／ｇ以上の細孔体積、（ｅ）約０．５０ｇ／ｃｃ以下、特に約０．３ｇ／ｃｃ以下、さらにとりわけ約０．２５ｇ／ｃｃ以下の密度、（ｆ）２から５０ｎｍの間の細孔直径を有する細孔を含む全細孔体積の少なくとも５０％（ただし、本明細書に開示される実施形態は、以下により詳細に説明するように、５０ｎｍを超える細孔直径を有する細孔を含むエアロゲル構造体および組成物を含む）を含む追加の物理的特性をさらに特徴とし得る。しかし、エアロゲル材料としての化合物の特性評価には、これらの追加の特性を満たす必要はない。
本開示の文脈の中で、「革新的な処理および抽出技術」という用語は、ゲルの骨格構造に対して低い細孔の崩壊および低い収縮を引き起こすように、湿潤ゲル材料の液体間隙相を、空気などの気体で置き換える方法を指す。周囲圧力蒸発などの乾燥技術は、蒸発または除去される間質相の液体－蒸気界面で、強い毛細管圧および他の物質移動制限を導入することが多い。液体の蒸発または除去によって生じる強い毛細管力は、ゲル材料内で著しい細孔の収縮および骨格の崩壊を引き起こす可能性がある。液体間質相の抽出中に革新的な処理および抽出技術を使用することは、液体抽出（溶媒除去または乾燥とも呼ばれる）中の細孔およびゲルの骨格に対する毛管力の悪影響を低減する。
特定の実施形態では、革新的な処理および抽出技術は、液体間質相を湿潤ゲル材料から抽出するために、近臨界もしくは超臨界流体、または近臨界もしくは超臨界条件を使用する。これは、液体または液体の混合物の臨界点付近または臨界点より上で、ゲルから液体間質相を除去することによって、達成することができる。共溶媒および溶媒交換を使用して、近臨界または超臨界流体抽出プロセスを最適化することができる。
特定の実施形態では、革新的な処理および抽出技術は、液体－蒸気界面での毛細管圧および他の物質移動限界の不可逆的な影響を低減するためのゲル骨格の改変を含む。この実施形態は、液体間質相の臨界点より下で行われる液体抽出中に、ゲル骨格がいずれかの崩壊的な力に耐えるか、または崩壊的な力から回復することを可能にする疎水化剤または他の官能化剤によるゲル骨格の処理を含むことができる。この実施形態はまた、液体間質相の臨界点より下で行われる液体抽出中に、ゲル骨格がいずれかの崩壊的な力に耐えるか、または崩壊的な力から回復するのに十分に高い骨格の弾性率を付与する官能基または骨格の要素の組み込みを含むことができる。
本開示の文脈で、「骨格」または「骨格構造」という用語は、材料の固体構造を形成する相互接続されたオリゴマー、ポリマー、または粒子のネットワークを指す。本開示の文脈で、「エアロゲル骨格」または「エアロゲル骨格構造」という用語は、ゲルまたはエアロゲルの固体構造を形成する相互接続されたオリゴマー、ポリマーまたはコロイド粒子のネットワークを指す。エアロゲル骨格構造を構成するポリマーまたは粒子は、典型的には、約１００オングストロームの直径を有する。しかしながら、本開示の骨格構造は、ゲルまたはエアロゲルなどの材料内に固体の構造を形成するすべての直径のサイズの相互接続されたオリゴマー、ポリマー、またはコロイド粒子のネットワークも含み得る。さらに、「シリカベースのエアロゲル」または「シリカベースのエアロゲル骨格」という用語は、ゲルまたはエアロゲルの中に固体の骨格の構造を形成するオリゴマー、ポリマーまたはコロイド粒子をシリカが少なくとも５０（重量）％含むエアロゲル骨格を指す。
本開示の文脈で、「エアロゲル組成物」という用語は、複合材料の成分としてエアロゲル材料を含む任意の複合材料を指す。エアロゲル組成物の例としては、繊維強化エアロゲル複合材料、乳白剤などの添加元素を含むエアロゲル複合材料、連続気泡マクロ多孔性骨格によって強化されたエアロゲル複合体、エアロゲル－ポリマー複合材料、およびエアロゲル微粒子、粒子、顆粒、ビーズまたは粉末を、結合剤、樹脂、セメント、発泡体、ポリマーまたは同様の固体の材料と組み合わせて、固体または半固体材料に組み込む複合材料を含むが、これに限定されない。エアロゲル組成物は、一般に、本明細書に開示される様々なゲル材料から溶媒を除去した後に得られる。このようにして得られたエアロゲル組成物は、追加の処理または処置にさらに供されてもよい。様々なゲル材料はまた、溶媒除去（または液体の抽出または乾燥）に供される前に、当技術分野で別様に公知であるかまたは有用である追加の処理または処置に供され得る。
本開示の文脈で、「モノリシック」という用語は、エアロゲル材料または組成物に含まれるエアロゲルの大部分（重量による）が一体の相互接続されたエアロゲルナノ構造の形態であるエアロゲル材料を指す。モノリシックエアロゲル材料には、最初は一体的に相互接続されたゲルまたはエアロゲルのナノ構造を有するように形成されるが、その後、亀裂、破壊、または非一体型エアロゲルのナノ構造に分割されるエアロゲル材料が含まれる。モノリシックエアロゲル材料は、粒状エアロゲル材料と区別される。「粒状エアロゲル材料」という用語は、エアロゲル材料に含まれるエアロゲルの大部分（重量による）が微粒子、粒子、顆粒、ビーズまたは粉末の形態であるエアロゲル材料を指し、これらは一緒に結合または圧縮することができるが、個々の粒子間に相互接続されたエアロゲルのナノ構造を欠いている。
本開示の文脈で、「湿潤ゲル」という用語は、相互接続された細孔のネットワーク内の移動性間隙相が、従来の溶媒などの液体、液体二酸化炭素などの液化ガス、またはそれらの組み合わせで主に構成されるゲルを指す。エアロゲルは、典型的には、湿潤ゲルの最初の生成と、それに続くゲルの可動性間隙液を空気と交換するための革新的な処理および抽出とを必要とする。湿潤ゲルの例としては、アルコゲル、ヒドロゲル、ケトゲル、カルボノゲル、および当業者に公知の任意の他の湿潤ゲルが挙げられるが、これらに限定されない。
本開示のエアロゲル組成物は、強化エアロゲル組成物を含んでもよい。本開示の文脈で、「強化エアロゲル組成物」という用語は、エアロゲル材料内に強化相を含むエアロゲル組成物を指し、強化相はエアロゲル骨格自体の一部ではない。強化相は、エアロゲル材料に高い柔軟性、弾力性、適合性または構造の安定性を与える任意の材料であってもよい。周知の補強材料の例には、連続気泡マクロ多孔質骨格補強材料、独立気泡マクロ多孔質骨格補強材料、連続気泡膜、ハニカム補強材料、ポリマー補強材料、およびディスクリート繊維、織布、不織布、ニードル不織布、バッティング、ウェブ、マット、およびフェルトなどの繊維補強材料が含まれるが、これらに限定されない。
本開示の文脈で、「繊維強化エアロゲル組成物」という用語は、強化相として繊維補強材料を含む強化エアロゲル組成物を指す。繊維補強材料の例には、ディスクリート繊維、織布材料、不織布材料、バット、バッティング、ウェブ、マット、フェルト、またはそれらの組み合わせが含まれるが、これらに限定されない。繊維補強材料は、ポリエステル、ポリオレフィンテレフタレート、ポリ（エチレン）ナフタレート、ポリカーボネート（例えば、レーヨン、ナイロン）、綿、（例えば、デュポン製のライクラ）、炭素（例えば、グラファイト）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、酸化ＰＡＮ、非炭化熱処理ＰＡＮ（例えば、ＳＧＬカーボン製）、ガラスまたは繊維ガラス系材料（Ｓガラス、９０１ガラス、９０２ガラス、４７５ガラス、Ｅガラスのようなもの）、石英様のシリカ系繊維（例えば、Ｓａｉｎｔ－Ｇｏｂａｉｎ社製の石英ガラス）、Ｑフェルト（ジョンズ・マンビル製）、サフィル（サフィル製）、デュラブランケット（ユニフラックス製）および他のシリカ繊維、デュラバック（カーボランダム製）、ケブラー、ノメックス、ゾンテラ（いずれもデュポン製）、コーネックス（タイジン製）のようなポリアラミド繊維、ティベック（デュポン製）、Ｄｙｎｅｅｍａ（ＤＳＭ社製）、Ｓｐｅｃｔｒａ（Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ社製）のようなポリオレフィン、Ｔｙｐａｒ、Ｘａｖａｎ（いずれもデュポン製）のような他のポリプロピレン繊維、Ｔｅｆｌｏｎ（デュポン製）、Ｇｏｒｅｔｅｘ（Ｗ．Ｌ．ＧＯＲＥ製）という商品名のＰＴＦＥのようなフッ素系ポリマー、Ｎｉｃａｌｏｎ（ＣＯＩ Ｃｅｒａｍｉｃｓ製）のような炭化ケイ素繊維、Ｎｅｘｔｅｌ（３Ｍ社製）のようなセラミック繊維、アクリルポリマー、ウールの繊維、シルク、麻、皮革、スエード、ＰＢＯ－Ｚｙｌｏｎ繊維（Ｔｙｏｂｏ社製）、Ｖｅｃｔａｎ（Ｈｏｅｃｈｓｔ社製）の液晶材料、Ｃａｍｂｒｅｌｌｅ繊維（デュポン製）、ポリウレタン、ポリアミド、木質繊維、ホウ素、アルミニウム、鉄、ステンレス鋼繊維、その他ＰＥＥＫ、ＰＥＳ、ＰＥＩ、ＰＥＫ、ＰＰＳなどの熱可塑性樹脂を含むがこれらに限定されない様々な材料を含むことができる。ガラスまたはガラス繊維系繊維補強材料は、１つ以上の技術を使用して製造することができる。特定の実施形態では、カーディングおよびクロスラッピングまたはエアレイドプロセスを使用してそれらを作製することが望ましい。例示的な実施形態では、カーディングおよびクロスラッピングされたガラスまたはガラス繊維系の繊維補強材料は、エアレイド材料を超える特定の利点を設ける。例えば、カーディングおよびクロスラッピングされたガラスまたはガラス繊維系の繊維補強材料は、補強材料の所与の坪量に対して一貫した材料の厚さをもたらすことができる。特定の追加の実施形態では、最終的なエアロゲル組成物の機械的および他の特性を向上させるために、繊維をｚ方向にインターレースする必要がある繊維補強材料をさらにニードル加工することが望ましい。
本開示の強化エアロゲル組成物は、連続気泡マクロ多孔性骨格材料で強化されたエアロゲル組成物を含み得る。本開示の文脈で、「連続気泡マクロ多孔性骨格」または「ＯＣＭＦ」という用語は、実質的に均一な組成の相互接続構造の骨格を含み、相互接続孔の対応するネットワークが骨格内に組み込まれた多孔質材料を指し、それは約１０μｍから約７００μｍの範囲の平均細孔径を特徴とする。そのような平均細孔径は、光学分析を用いた顕微鏡法を含むがこれに限定されない既知の技術によって測定され得る。したがって、本開示のＯＣＭＦ材料は、そうでなければ発泡体、発泡様材料、マクロ多孔質材料などとして分類することができる化合物を含む、この段落に記載されている明確化する要素を満たす任意の連続気泡材料を含む。ＯＣＭＦ材料は、骨格内に空隙体積部を有し、均一な組成を有さない相互接続構造の骨格を含む材料、例えば、繊維マトリックス内に空隙体積部を有する繊維および結合剤の集合と区別することができる。
本開示の文脈で、「実質的に均一な組成」という用語は、１０％の許容範囲内の言及される材料の組成の均一性を指す。
本開示の文脈で、「ＯＣＭＦ強化エアロゲル組成物」という用語は、強化相として連続気泡マクロ多孔性骨格材料を含む強化エアロゲル組成物を指す。本開示での使用に適したＯＣＭＦ材料には、有機ポリマー材料から作製されたＯＣＭＦ材料が含まれるが、これらに限定されない。例としては、ポリオレフィン、ポリウレタン、フェノール、メラミン、酢酸セルロースおよびポリスチレンから作製されたＯＣＭＦ材料が挙げられる。本開示の文脈で、「有機ＯＣＭＦ」という用語は、主に有機ポリマー材料で構成される骨格を有するＯＣＭＦ材料を指す。特定の実施形態では、メラミンまたはメラミン誘導体から作製されたＯＣＭＦ材料も好ましい。本開示の文脈で、「メラミンＯＣＭＦ」または「メラミン系ＯＣＭＦ」という用語は、メラミンを、ホルムアルデヒドなどの縮合剤と反応させることから誘導されるポリマー材料から主に構成される骨格を有する有機ＯＣＭＦ材料を指す。本開示で使用するためのメラミンまたはメラミン誘導体から製造されたＯＣＭＦ材料の例は、米国特許第８，５４６，４５７号明細書、第４，６６６，９４８号明細書、国際公開第２００１／０９４４３６号パンフレットに提示されている。「無機ＯＣＭＦ」という用語は、主に無機材料で構成された骨格を有するＯＣＭＦ材料を指す。無機ＯＣＭＦの例には、セメント質材料、石膏、およびケイ酸カルシウムが含まれるが、これらに限定されない。
本開示の文脈で、「発泡体」という用語は、実質的に均一な組成の相互接続されたポリマー構造の骨格を含み、対応するネットワークまたは細孔の集合体が骨格内に組み込まれ、発泡体材料が固体構造に固化するにつれて細孔として気泡が保持されるように、気泡の形態のある割合のガスを液体または樹脂発泡体材料に分散させることによって形成される材料を指す。一般に、発泡体は、多種多様なプロセスを使用して製造することができ、例えば、米国特許第６，１４７，１３４号明細書、第５，８８９，０７１号明細書、第６，１８７，８３１号明細書、および第５，２２９，４２９号明細書を参照されたい。したがって、本開示の発泡体材料は、そうでなければＯＣＭＦ材料、マクロ多孔質材料などとして分類することができる化合物を含む、この段落に記載の明確化する要素を満たす任意の材料を含む。本開示で定義される発泡体は、熱可塑性樹脂、エラストマー、および熱硬化性樹脂（デュロマー）のタイプであり得る。
固体フレームワーク内の細孔は、「細胞」とも呼ばれ得る。気泡は、気泡の壁または膜によって分割され、多孔質材料内に独立した閉鎖孔の集合を作り出すことができる。「独立気泡」という用語は、細孔の体積の少なくとも５０％が膜または壁によって囲まれた［実質的に］限定された気泡である多孔質材料を指す。材料中の気泡はまた、気泡の開口部を介して相互接続され、材料内に相互接続された開孔のネットワークを形成することができる。「連続気泡」という用語は、細孔体積の少なくとも５０％が連続気泡である多孔質材料を指す。連続気泡材料は、網状連続気泡材料、非網状連続気泡材料、またはそれらの組み合わせを含み得る。網状材料は、多孔質材料内の気泡の膜を排除または穿刺する網状化プロセスによって製造された連続気泡材料である。網状材料は、典型的には、非網状材料よりも高濃度の連続気泡を有するが、より高価で製造が困難である傾向がある。一般に、多孔質材料は、完全に１種類の気泡構造（連続気泡でも独立気泡でも）を有さない。多孔質材料は、米国特許第６，１４７，１３４号明細書、第５，８８９，０７１号明細書、第６，１８７，８３１号明細書、第５，２２９，４２９号明細書、第４，４５４，２４８号明細書、および米国特許出願公開第２００７／０２１３４１７号明細書に提示されている発泡体製造プロセスを含む多種多様なプロセスを使用して製造することができる。
本開示の文脈で、「エアロゲルブランケット」または「エアロゲルブランケット組成物」という用語は、補強材料の連続シートで補強されたエアロゲル組成物を指す。エアロゲルブランケット組成物は、補強材料の分離された凝集体または塊などの非連続的な補強材料で補強された他の強化エアロゲル組成物と区別することができる。エアロゲルブランケット組成物は、高度に適合可能であり、エアロゲルの優れた断熱特性を保持しながら、単純または複雑な幾何学的形状の表面を覆うためにブランケットのように使用することができるので、柔軟性を必要とする用途に特に有用である。
本開示の文脈で、「可撓」および「可撓性」という用語は、エアロゲル材料または組成物がマクロ構造破壊なしに曲げられるまたは屈曲され得ることを指す。本開示のエアロゲル組成物は、巨視的破壊なしに、少なくとも５°、少なくとも２５°、少なくとも４５°、少なくとも６５°、または少なくとも８５°曲げることができる、および／または巨視的破壊を伴わずに、４フィート未満、２フィート未満、１フィート未満、６インチ未満、３インチ未満、２インチ未満、１インチ未満、または１／２インチ未満の曲げ半径を有する。同様に、「高可撓な」または「高可撓性」という用語は、巨視的破壊なしに少なくとも９０°まで曲げることができ、および／または１／２インチ未満の曲げ半径を有することができるエアロゲル材料または組成物を指す。さらに、「可撓性と分類」および「可撓性として分類」という用語は、ＡＳＴＭ Ｃ１１０１（ＡＳＴＭ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ、Ｗｅｓｔ Ｃｏｎｓｈｏｈｏｃｋｅｎ、ペンシルベニア州）に従って可撓性として分類することができるエアロゲル材料または組成物を指す。
本開示のエアロゲル組成物は、可撓、高可撓、および／または可撓性と分類されるものであり得る。本開示のエアロゲル組成物はまた、ドレープ可能であり得る。本開示の文脈で、「ドレープ」および「ドレープ性」という用語は、エアロゲル材料または組成物が巨視的破壊なしに約４インチ以下の曲率半径で９０°以上に曲げられるまたは屈曲され得ることを指す。本開示の特定の実施形態によるエアロゲル材料または組成物は、組成物が非剛性であり、三次元表面または三次元物体に適用および適合され得るように可撓性であるか、または設置または適用を単純化するために様々な形状および構成に予め形成され得る。
本開示の文脈で、「添加剤」または「添加要素」という用語は、エアロゲルの製造前、製造中または製造後にエアロゲル組成物に添加され得る材料を指す。添加剤は、エアロゲルの望ましい特性を変更もしくは改善するために、またはエアロゲル中の望ましくない特性を打ち消すために添加され得る。添加剤は、典型的には、前駆体液体に対するゲル化前、遷移状態材料に対するゲル化中、または固体もしくは半固体材料に対するゲル化後のいずれかでエアロゲル材料に添加される。添加剤の例としては、マイクロファイバー、充填剤、補強剤、安定剤、増粘剤、弾性化合物、乳白剤、着色または色素沈着化合物、放射線吸収化合物、放射線反射化合物、ファイヤークラスの添加剤、腐食防止剤、熱伝導性成分、熱キャパシタンスを備える成分、相変化材料、ｐＨ調整剤、レドックス調整剤、ＨＣＮ緩和剤、オフガス緩和剤、導電性化合物、誘電性化合物、磁性化合物、レーダー遮断成分、硬化剤、収縮防止剤、および当業者に公知の他のエアロゲル添加剤が挙げられるが、これらに限定されない。いくつかの実施形態では、熱容量を提供する構成要素は、少なくとも約０．３Ｊ／（ｇ－Ｃ）の比熱容量を有する材料を含むことができる。いくつかの実施形態では、熱キャパシタンスを備える材料は、少なくとも約０．５Ｊ／（ｇ－Ｃ）の比熱容量を有する。例えば、熱容量を提供する材料は、アルミニウム、チタン、ニッケル、鋼、鉄、またはそれらの組み合わせなどの金属を含むことができる。いくつかの実施形態では、熱制御部材または電池熱管理部材は、熱キャパシタンスを備える材料の層またはコーティングを含むことができる。いくつかの実施形態では、熱制御部材または電池熱管理部材は、熱制御部材または電池熱管理部材の層内に配置された熱キャパシタンスを付与する導電性材料の粒子を含むことができる。特定の実施形態では、熱制御部材または電池熱管理部材は、エアロゲル組成物に隣接して配置された熱キャパシタンスを備える材料の少なくとも１つの層を含むことができる。特定の実施形態では、熱制御部材または電池熱管理部材は、エアロゲル組成物の複数の層のうちの少なくとも２つの間に配置された熱キャパシタンスを備える材料の少なくとも１つの層を含むことができる。
特定の実施形態では、本明細書に開示されるエアロゲル組成物、強化エアロゲル組成物、および熱制御部材または電池熱管理部材は、高温事象中に機能することができ、例えば、本明細書に開示される高温事象の間に熱的保護をもたらすことができる。高温事象は、少なくとも２秒間に及ぶ、少なくとも約１ｃｍ２の面積にわたる少なくとも約２５ｋＷ／ｍ２、少なくとも約３０ｋＷ／ｍ２、少なくとも約３５ｋＷ／ｍ２または少なくとも約４０ｋＷ／ｍ２の持続熱流束を特徴とする。約４０ｋＷ／ｍ２の熱流束は、典型的な火災から生じる熱流束に関連している（Ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ Ｃｈａｒｒｉｎｇ Ｓｏｌｉｄｓ ｕｎｄｅｒ Ｆｉｒｅ－Ｌｅｖｅｌ Ｈｅａｔ Ｆｌｕｘｅｓ；Ｍｉｌｏｓａｖｌｊｅｖｉｃ，Ｉ．，Ｓｕｕｂｅｒｇ，Ｅ．Ｍ．；ＮＩＳＴＩＲ ５４９９；Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ １９９４）。特別な場合において、高温事象は、少なくとも１分の持続時間に及ぶ少なくとも約１０ｃｍ２の面積にわたる約４０ｋＷ／ｍの熱流束の熱流束である。
本開示の文脈で、「熱伝導率」および「ＴＣ」という用語は、材料または組成物の両側の２つの表面間で熱を伝達する材料または組成物の能力の測定値を指し、２つの表面間には温度差がある。熱伝導率は、具体的には、単位時間当たりおよび単位表面積当たりに伝達される熱エネルギーを温度差で割ったものとして測定される。これは、典型的には、ｍＷ／ｍ＊Ｋ（ミリワット／メートル＊ケルビン）としてＳＩ単位で記録される。材料の熱伝導率は、これらに限られるわけではないがＴｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｓｔｅａｄｙ－Ｓｔａｔｅ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｂｙ Ｍｅａｎｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｈｅａｔ Ｆｌｏｗ Ｍｅｔｅｒ Ａｐｐａｒａｔｕｓ（ＡＳＴＭ Ｃ５１８、ＡＳＴＭ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ、Ｗｅｓｔ Ｃｏｎｓｈｏｈｏｃｋｅｎ、ペンシルベニア州）、Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｓｔｅａｄｙ－Ｓｔａｔｅ Ｈｅａｔ Ｆｌｕｘ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ａｎｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｂｙ Ｍｅａｎｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｇｕａｒｄｅｄ－Ｈｏｔ－Ｐｌａｔｅ Ａｐｐａｒａｔｕｓ（ＡＳＴＭ Ｃ１７７、ＡＳＴＭ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ、Ｗｅｓｔ Ｃｏｎｓｈｏｈｏｃｋｅｎ、ペンシルベニア州）、Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｓｔｅａｄｙ－Ｓｔａｔｅ Ｈｅａｔ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｐｉｐｅ Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ（ＡＳＴＭ Ｃ３３５、ＡＳＴＭ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ、Ｗｅｓｔ Ｃｏｎｓｈｏｈｏｃｋｅｎ、ペンシルベニア州）、Ｔｈｉｎ Ｈｅａｔｅｒ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ Ｔｅｓｔ（ＡＳＴＭ Ｃ１１１４、ＡＳＴＭ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ、Ｗｅｓｔ Ｃｏｎｓｈｏｈｏｃｋｅｎ、ペンシルベニア州）、Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｔｈｅｒｍａｌｌｙ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ（ＡＳＴＭ Ｄ５４７０、ＡＳＴＭ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ、Ｗｅｓｔ Ｃｏｎｓｈｏｈｏｃｋｅｎ、ペンシルベニア州）、Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｇｕａｒｄｅｄ ｈｏｔ ｐｌａｔｅ ａｎｄ ｈｅａｔ ｆｌｏｗ ｍｅｔｅｒ ｍｅｔｈｏｄｓ（ＥＮ １２６６７、Ｂｒｉｔｉｓｈ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ、英国）、またはＤｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔｅａｄｙ－ｓｔａｔｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ａｎｄ ｒｅｌａｔｅｄ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ－Ｇｕａｒｄｅｄ ｈｏｔ ｐｌａｔｅ ａｐｐａｒａｔｕｓ（ＩＳＯ ８２０３、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｓｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎ、スイス）を含む、当技術分野において公知の試験方法によって決定することができる。異なる方法が異なる結果をもたらす可能性があるため、本開示の文脈において、特に明記しない限り、熱伝導率測定値は、ＡＳＴＭ Ｃ５１８規格（Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｓｔｅａｄｙ－Ｓｔａｔｅ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｂｙ Ｍｅａｎｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｈｅａｔ Ｆｌｏｗ Ｍｅｔｅｒ Ａｐｐａｒａｔｕｓ）に従って、周囲環境において大気圧で約３７．５°Ｃの温度で、約２ｐｓｉの圧縮荷重下で取得されることを理解されたい。ＡＳＴＭ Ｃ５１８に従って報告された測定値は、典型的には、圧縮荷重に対する任意の関連する調整を伴うＥＮ １２６６７に従って行われた任意の測定値と良好に相関する。特定の実施形態では、本開示のエアロゲル材料または組成物は、約４０ｍＷ／ｍＫ以下、約３０ｍＷ／ｍＫ以下、約２５ｍＷ／ｍＫ以下、約２０ｍＷ／ｍＫ以下、約１８ｍＷ／ｍＫ以下、約１６ｍＷ／ｍＫ以下、約１４ｍＷ／ｍＫ以下、約１２ｍＷ／ｍＫ以下、約１０ｍＷ／ｍＫ以下、約５ｍＷ／ｍＫ以下、またはこれらの値のいずれか２つの間の範囲の熱伝導率を有する。
熱伝導率測定値は、圧縮下、大気圧で、約１０°Ｃの温度で取得することもできる。１０°Ｃでの熱伝導率測定値は、一般に、３７．５°Ｃでの対応する熱伝導率測定値よりも、０．５から０．７ｍＷ／ｍＫ低い。特定の実施形態で、本開示のエアロゲル材料または組成物は、１０°Ｃで約４０ｍＷ／ｍＫ以下、約３０ｍＷ／ｍＫ以下、約２５ｍＷ／ｍＫ以下、約２０ｍＷ／ｍＫ以下、約１８ｍＷ／ｍＫ以下、約１６ｍＷ／ｍＫ以下、約１４ｍＷ／ｍＫ以下、約１２ｍＷ／ｍＫ以下、約１０ｍＷ／ｍＫ以下、約５ｍＷ／ｍＫ以下、またはこれらの値のいずれか２つの間の範囲の熱伝導率を有する。
本開示の文脈で、「密度」という用語は、エアロゲル材料または組成物の単位体積当たりの質量の測定値を指す。用語「密度」は、一般に、エアロゲル材料の見かけ密度、ならびにエアロゲル組成物のかさ密度を指す。密度は、典型的にはｋｇ／ｍ３またはｇ／ｃｃとして記録される。エアロゲル材料または組成物の密度は、これらに限られるわけではないが、Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ ａｎｄ Ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｒｅｆｏｒｍｅｄ Ｂｌｏｃｋ ａｎｄ Ｂｏａｒｄ－Ｔｙｐｅ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ（ＡＳＴＭ Ｃ３０３、ＡＳＴＭ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ、Ｗｅｓｔ Ｃｏｎｓｈｏｈｏｃｋｅｎ、ペンシルベニア州）、Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ａｎｄ Ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ Ｂｌａｎｋｅｔ ｏｒ Ｂａｔｔ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎｓ（ＡＳＴＭ Ｃ１６７、ＡＳＴＭ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ、Ｗｅｓｔ Ｃｏｎｓｈｏｈｏｃｋｅｎ、ペンシルベニア州）、Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｐｐａｒｅｎｔ ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｐｒｅｆｏｒｍｅｄ ｐｉｐｅ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ（ＥＮ １３４７０、Ｂｒｉｔｉｓｈ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ、英国）、またはＤｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｐｐａｒｅｎｔ ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｐｒｅｆｏｒｍｅｄ ｐｉｐｅ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ（ＩＳＯ １８０９８，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｓｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎ、スイス）などの、当技術分野において公知の方法によって決定することができる。異なる方法が異なる結果をもたらす可能性があるため、本開示の文脈では、特に明記しない限り、密度測定値は、厚さ測定のために２ｐｓｉの圧縮でＡＳＴＭ Ｃ １６７規格（ブランケットまたはバット断熱材の厚さおよび密度の標準試験方法）に従って取得されることを理解されたい。特定の実施形態では、本開示のエアロゲル材料または組成物は、約０．６０ｇ／ｃｃ以下、約０．５０ｇ／ｃｃ以下、約０．４０ｇ／ｃｃ以下、約０．３０ｇ／ｃｃ以下、約０．２５ｇ／ｃｃ以下、約０．２０ｇ／ｃｃ以下、約０．１８ｇ／ｃｃ以下、約０．１６ｇ／ｃｃ以下、約０．１４ｇ／ｃｃ以下、約０．１２ｇ／ｃｃ以下、約０．１０ｇ／ｃｃ以下、約０．０５ｇ／ｃｃ以下、約０．０１ｇ／ｃｃ以下、またはこれらの値のいずれか２つの間の範囲の密度を有する。
本開示の文脈で、「疎水性」という用語は、エアロゲル材料または組成物が水をはじく能力の測定値を指す。
エアロゲル材料または組成物の疎水性は、液体吸水率に関して表され得る。本開示の文脈で、「液体吸水率」という用語は、エアロゲル材料または組成物が液体水を吸収するまたは保持する可能性の測定値を指す。液体吸水率は、特定の測定条件下で液体水に曝されたときにエアロゲル材料または組成物によって吸収されるかまたは保持される水のパーセント（重量または体積による）として表すことができる。エアロゲル材料または組成物の液体吸水率は、これらに限定されないが、Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ ｔｈｅ Ｗａｔｅｒ Ｒｅｔｅｎｔｉｏｎ（Ｒｅｐｅｌｌｅｎｃｙ）Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｆｉｂｒｏｕｓ Ｇｌａｓｓ Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ（ＡＳＴＭ Ｃ１５１１、ＡＳＴＭ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ、Ｗｅｓｔ Ｃｏｎｓｈｏｈｏｃｋｅｎ、ペンシルベニア州）、Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｗａｔｅｒ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｂｙ Ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ ｏｆ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ（ＡＳＴＭ Ｃ１７６３、ＡＳＴＭ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ、Ｗｅｓｔ Ｃｏｎｓｈｏｈｏｃｋｅｎ、ペンシルベニア州）、Ｔｈｅｒｍａｌ ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ ｐｒｏｄｕｃｔｓ ｆｏｒ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ：Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｈｏｒｔ ｔｅｒｍ ｗａｔｅｒ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｂｙ ｐａｒｔｉａｌ ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ（ＥＮ １６０９、Ｂｒｉｔｉｓｈ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ、英国）を含む、当技術分野で公知の方法によって決定することができる。異なる方法が異なる結果をもたらす可能性があるため、本開示の文脈では、特に明記しない限り、液体吸水率の測定値は、周囲圧力および周囲温度下で、ＡＳＴＭ Ｃ１５１１規格（Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ ｔｈｅ Ｗａｔｅｒ Ｒｅｔｅｎｔｉｏｎ（Ｒｅｐｅｌｌｅｎｃｙ）Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｆｉｂｒｏｕｓ Ｇｌａｓｓ Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ）に従って取得されることを理解されたい。特定の実施形態では、本開示のエアロゲル材料または組成物は、約５０重量％以下、約４０重量％以下、約３０重量％以下、約２０重量％以下、約１５重量％以下、約１０重量％以下、約８重量％以下、約３重量％以下、約２重量％以下、約１重量％以下、約０．１重量％以下、またはこれらの値のいずれか２つの間の範囲の液体吸水率を有することができる。別のエアロゲル材料または組成物と比較して改善された液体吸水率を有するエアロゲル材料または組成物は、基準のエアロゲル材料または組成物と比較して低い割合の液体吸水率／保持を有する。
エアロゲル材料または組成物の疎水性は、水蒸気の取り込みに関して表すことができる。本開示の文脈で、「水蒸気吸収」という用語は、エアロゲル材料または組成物が水蒸気を吸収する潜在可能性の測定値を指す。水蒸気の吸収は、特定の測定条件下で水蒸気に暴露されたときにエアロゲル材料または組成物によって吸収されるかまたは保持される水のパーセント（重量基準）として表すことができる。エアロゲル材料または組成物の水蒸気の吸収は、これらに限定されないが、Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ ｔｈｅ Ｗａｔｅｒ Ｖａｐｏｒ Ｓｏｒｐｔｉｏｎ ｏｆ Ｕｎｆａｃｅｄ Ｍｉｎｅｒａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ（ＡＳＴＭ Ｃ１１０４、ＡＳＴＭ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，Ｗｅｓｔ Ｃｏｎｓｈｏｈｏｃｋｅｎ、ペンシルベニア州）、Ｔｈｅｒｍａｌ ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ ｐｒｏｄｕｃｔｓ ｆｏｒ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ：Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｌｏｎｇ ｔｅｒｍ ｗａｔｅｒ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｂｙ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ（ＥＮ １２０８８、Ｂｒｉｔｉｓｈ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ、英国）を含む、当技術分野で公知の方法によって決定することができる。異なる方法が異なる結果をもたらす可能性があるため、本開示の文脈では、特に明記しない限り、水蒸気吸収の測定値は、ＡＳＴＭ Ｃ１１０４規格（Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ ｔｈｅ Ｗａｔｅｒ Ｖａｐｏｒ Ｓｏｒｐｔｉｏｎ ｏｆ Ｕｎｆａｃｅｄ Ｍｉｎｅｒａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ）に従い、周囲圧力下、４９°Ｃおよび湿度９５％で２４時間（ＡＳＴＭ Ｃ１１０４規格に従って９６時間から修正）取得されることを理解されたい。特定の実施形態では、本開示のエアロゲル材料または組成物は、約５０重量％以下、約４０重量％以下、約３０重量％以下、約２０重量％以下、約１５重量％以下、約１０重量％以下、約８重量％以下、約３重量％以下、約２重量％以下、約１重量％以下、約０．１重量％以下、またはこれらの値のいずれか２つの間の範囲の水蒸気吸収を有することができる。別のエアロゲル材料または組成物と比較して改善された水蒸気吸収を有するエアロゲル材料または組成物は、基準のエアロゲル材料または組成物と比較して低い水蒸気吸収／保持率を有する。
エアロゲル材料または組成物の疎水性は、材料の表面との界面における水滴の平衡接触角を測定することによって表すことができる。本開示のエアロゲル材料または組成物は、約９０°以上、約１２０°以上、約１３０°以上、約１４０°以上、約１５０°以上、約１６０°以上、約１７０°以上、約１７５°以上、またはこれらの値のいずれか２つの間の範囲の水接触角を有することができる。
本開示の文脈で、「燃焼熱」、「ＨＯＣ」および「ΔＨＣ」という用語は、材料または組成物の燃焼または発熱熱分解において放出される熱エネルギーの量の測定値を指す。燃焼熱は、典型的には、エアロゲル材料または組成物１グラム当たりに放出される熱エネルギーのカロリー（ｃａｌ／ｇ）として、または材料または組成物１キログラム当たりに放出される熱エネルギーのメガジュール（ＭＪ／ｋｇ）として記録される。材料または組成物の燃焼熱は、これらに限定されないが、Ｒｅａｃｔｉｏｎ ｔｏ ｆｉｒｅ ｔｅｓｔｓ ｆｏｒ ｐｒｏｄｕｃｔｓ－Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｇｒｏｓｓ ｈｅａｔ ｏｆ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ（ｃａｌｏｒｉｆｉｃ ｖａｌｕｅ）（ＥＮ ＩＳＯ １７１６、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｓｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎ、スイス、ＥＮ採用）を含む当技術分野で公知の方法によって決定することができる。本開示の文脈で、燃焼熱測定値は、特に明記しない限り、ＥＮ ＩＳＯ １７１６ ｓｔａｎｄａｒｄｓ（Ｒｅａｃｔｉｏｎ ｔｏ ｆｉｒｅ ｔｅｓｔｓ ｆｏｒ ｐｒｏｄｕｃｔｓ－Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｇｒｏｓｓ ｈｅａｔ ｏｆ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ（ｃａｌｏｒｉｆｉｃ ｖａｌｕｅ））に従って取得される。特定の実施形態において、本開示のエアロゲル組成物は、約７５０ｃａｌ／ｇ以下、約７１７ｃａｌ／ｇ以下、約７００ｃａｌ／ｇ以下、約６５０ｃａｌ／ｇ以下、約６００ｃａｌ／ｇ以下、約５７５ｃａｌ／ｇ以下、約５５０ｃａｌ／ｇ以下、約５００ｃａｌ／ｇ以下、約４５０ｃａｌ／ｇ以下、約４００ｃａｌ／ｇ以下、約３５０ｃａｌ／ｇ以下、約３００ｃａｌ／ｇ以下、約２５０ｃａｌ／ｇ以下、約２００ｃａｌ／ｇ以下、約１５０ｃａｌ／ｇ以下、約１００ｃａｌ／ｇ以下、約５０ｃａｌ／ｇ以下、約２５ｃａｌ／ｇ以下、約１０ｃａｌ／ｇ以下、またはこれらの値のいずれか２つの間の範囲の燃焼熱を有し得る。別のエアロゲル組成物と比較して改善された燃焼熱を有するエアロゲル組成物は、基準のエアロゲル組成物と比較して低い燃焼熱値を有する。本開示の特定の実施形態において、エアロゲル複合体のＨＯＣは、エアロゲル複合体にファイヤークラスの添加剤を組み込むことによって改善される。
本開示の文脈で、すべての熱分析および関連する定義は、２５°Ｃで開始し、周囲圧力の空気中で２０°Ｃ／分の速度で１０００°Ｃまで上昇させることによって実行される測定での値を、参照されたい。したがって、熱分解の開始、ピーク熱放出温度、ピーク吸音温度などを測定および計算する際に、これらのパラメータのいずれかの変化を考慮する（またはこれらの条件下で再実行する）必要がある。
本開示の文脈で、「熱分解の開始」および「ＴＤ」という用語は、有機材料の分解からの急速な発熱反応が材料または組成物内に現れる環境の熱の最低温度の測定値を指す。材料または組成物内の有機材料の熱分解の開始は、熱重量分析（ＴＧＡ）を使用して測定することができる。材料のＴＧＡ曲線は、周囲温度の上昇に曝されるときの材料の重量損失（質量％）を示し、したがって熱分解を示す。材料の熱分解の開始は、ＴＧＡ曲線の以下の接線、ＴＧＡ曲線のベースラインに接する線、および有機材料の分解に関連する急速な発熱分解事象中の最大勾配の点でのＴＧＡ曲線に接する線の交点と相関させることができる。本開示の文脈で、特に明記しない限り、有機材料の熱分解の開始の測定値は、この段落で提示されているＴＧＡ分析を使用して取得される。
材料の熱分解の開始は、示差走査熱量測定（ＤＳＣ）分析を使用して測定することもできる。材料のＤＳＣ曲線は、材料が周囲温度の漸進的な上昇に曝されるときに材料によって放出される熱エネルギー（ｍＷ／ｍｇ）を示す。材料の熱分解温度の開始は、ΔｍＷ／ｍｇ（熱エネルギー出力の変化）が最大に増加するＤＳＣ曲線の点と相関することができ、したがって、エアロゲル材料からの発熱を示す。本開示の文脈で、ＤＳＣ、ＴＧＡ、またはその両方を使用する熱分解の開始の測定値は、特に明記しない限り、前の段落でさらに定義されている２０°Ｃ／分の温度勾配速度を使用して取得される。ＤＳＣおよびＴＧＡはそれぞれ、この熱分解の開始に対して同様の値を提供し、多くの場合、試験は同時に行われ、その結果、両方から結果が得られる。特定の実施形態では、本開示のエアロゲル材料または組成物は、約３００°Ｃ以上、約３２０°Ｃ以上、約３４０°Ｃ以上、約３６０°Ｃ以上、約３８０°Ｃ以上、約４００°Ｃ以上、約４２０°Ｃ以上、約４４０°Ｃ以上、約４６０°Ｃ以上、約４８０°Ｃ以上、約５００°Ｃ以上、約５５０°Ｃ以上、約６００°Ｃ以上、またはこれらの値のいずれか２つの間の範囲の熱分解開始を有する。本明細書の文脈で、例えば、第２の組成物の熱分解の開始よりも高い熱分解の開始を有する第１の組成物は、第２の組成物に対する第１の組成物の改善と考えられる。本明細書では、組成物または材料の熱分解の開始は、１つ以上のファイヤークラスの添加剤を添加すると、いかなるファイヤークラスの添加剤も含まない組成物と比較して増加すると考えられる。
本開示の文脈で、「吸熱分解の開始」および「ＴＥＤ」という用語は、分解または脱水からの吸熱反応が材料または組成物内に現れる環境の熱の最低温度の測定値を指す。材料または組成物の吸熱分解の開始は、熱重量分析（ＴＧＡ）を使用して測定することができる。材料のＴＧＡ曲線は、周囲温度の上昇に曝されるときの材料の重量損失（質量％）を示す。材料の熱分解の開始は、ＴＧＡ曲線の以下の接線、ＴＧＡ曲線のベースラインに接する線、および材料の急速な吸熱分解または脱水中の最大勾配の点でのＴＧＡ曲線に接する線の交点と相関し得る。本開示の文脈で、特に明記しない限り、材料または組成物の吸熱分解の開始の測定値は、この段落で提示されているＴＧＡ分析を使用して取得される。
本開示の文脈で、「炉内温度上昇」および「ΔＴＲ」という用語は、熱分解条件下での材料または組成物の最高温度（ＴＭＡＸ）と、熱分解条件下でのその材料または組成物のベースライン温度（通常、最終温度、すなわち、ＴＦＩＮ）との差の測定値を指す。炉の温度上昇は、通常、摂氏または°Ｃで記録される。材料または組成物の炉温度上昇は、これらに限定されないが、Ｎｏｎ－ｃｏｍｂｕｓｔｉｂｉｌｉｔｙ ｔｅｓｔ（ＥＮ ＩＳＯ １１８２，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｓｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎ、スイス、ＥＮ採用）を含む、当技術分野で公知の方法によって決定することができる。本開示の文脈で、炉内温度上昇測定値は、特に明記しない限り、ＥＮ ＩＳＯ １１８２規格（Ｒｅａｃｔｉｏｎ ｔｏ ｆｉｒｅ ｔｅｓｔｓ ｆｏｒ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ａｎｄ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｐｒｏｄｕｃｔｓ：Ｎｏｎ－ｃｏｍｂｕｓｔｉｂｉｌｉｔｙ ｔｅｓｔ）に匹敵する条件に従って取得される。特定の実施形態では、本開示のエアロゲル組成物は、約１００°Ｃ以下、約９０°Ｃ以下、約８０°Ｃ以下、約７０°Ｃ以下、約６０°Ｃ以下、約５０°Ｃ以下、約４５°Ｃ以下、約４０°Ｃ以下、約３８°Ｃ以下、約３６°Ｃ以下、約３４°Ｃ以下、約３２°Ｃ以下、約３０°Ｃ以下、約２８°Ｃ以下、約２６°Ｃ以下、約２４°Ｃ以下、またはこれらの値のいずれか２つの間の範囲の炉内温度上昇を有することができる。高温での組成安定性の文脈で、例えば、第２の組成物の炉温度上昇よりも低い炉温度上昇を有する第１の組成物は、第２の組成物に対する第１の組成物の改善と考えられる。本明細書では、組成物の炉内温度上昇は、１つ以上のファイヤークラスの添加剤を添加する場合、いかなるファイヤークラスの添加剤も含まない組成物と比較して低減されると考えられる。
本開示の文脈で、「火炎時間」および「ＴＦＬＡＭＥ」という用語は、熱分解条件下での材料または組成物の持続的な火炎の測定を指し、「持続的な火炎」は、５秒以上続く試料の可視部分のいずれかの部分での火炎の持続性である。火炎時間は、典型的には秒または分単位で記録される。材料または組成物の火炎時間は、これらに限定されないが、Ｎｏｎ－ｃｏｍｂｕｓｔｉｂｉｌｉｔｙ ｔｅｓｔ（ＥＮ ＩＳＯ １１８２，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｓｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎ、スイス、ＥＮ採用）を含む、当技術分野で公知の方法によって決定することができる。本開示の文脈で、火炎時間の測定値は、特に明記しない限り、ＥＮ ＩＳＯ １１８２規格（Ｒｅａｃｔｉｏｎ ｔｏ ｆｉｒｅ ｔｅｓｔｓ ｆｏｒ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ａｎｄ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｐｒｏｄｕｃｔｓ：Ｎｏｎ－ｃｏｍｂｕｓｔｉｂｉｌｉｔｙ ｔｅｓｔ）に匹敵する条件に従って取得される。特定の実施形態において、本開示のエアロゲル組成物は、約３０秒以下、約２５秒以下、約２０秒以下、約１５秒以下、約１０秒以下、約５秒以下、約２秒以下、またはこれらの値のいずれか２つの間の範囲の火炎時間を有する。本明細書の文脈で、例えば、第２の組成物の火炎時間よりも短い火炎時間を有する第１の組成物は、第２の組成物に対し第１の組成物を改善したものと考えられる。本明細書では、組成物の火炎時間は、１つ以上のファイヤークラスの添加剤を添加する場合、いかなるファイヤークラスの添加剤も含まない組成物と比較して低減されると考えられる。
本開示の文脈で、「質量損失」および「ΔＭ」という用語は、熱分解条件下で失われるかまたは焼失する材料、組成物、または複合材の量の測定値を指す。質量損失は、典型的には、重量パーセントまたはｗｔ％として記録される。材料、組成物または複合材の質量損失は、これらに限定されないが、Ｎｏｎ－ｃｏｍｂｕｓｔｉｂｉｌｉｔｙ ｔｅｓｔ（ＥＮ ＩＳＯ １１８２，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｓｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎ、スイス、ＥＮ採用）を含む、当技術分野で公知の方法によって決定することができる。本開示の文脈で、質量損失の測定値は、特に明記しない限り、ＥＮ ＩＳＯ １１８２規格（Ｒｅａｃｔｉｏｎ ｔｏ ｆｉｒｅ ｔｅｓｔｓ ｆｏｒ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ａｎｄ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｐｒｏｄｕｃｔｓ：Ｎｏｎ－ｃｏｍｂｕｓｔｉｂｉｌｉｔｙ ｔｅｓｔ）に匹敵する条件に従って取得される。特定の実施形態では、本開示のエアロゲル組成物は、約５０％以下、約４０％以下、約３０％以下、約２８％以下、約２６％以下、約２４％以下、約２２％以下、約２０％以下、約１８％以下、約１６％以下の質量損失、またはこれらの値のいずれか２つの間の範囲を有することができる。本明細書の文脈で、例えば、第２の組成物の質量損失よりも低い質量損失を有する第１の組成物は、第２の組成物に対し第１の組成物を改善したものと考えられる。本明細書では、組成物の質量損失は、１つ以上のファイヤークラスの添加剤を添加する場合、いかなるファイヤークラスの添加剤も含まない組成物と比較して低減されると考えられる。
本開示の文脈で、「ピーク熱放出温度」という用語は、分解からの発熱の熱放出が最大である環境の熱の温度の測定値を指す。材料または組成物のピーク熱放出温度は、ＴＧＡ分析、示差走査熱量測定（ＤＳＣ）またはそれらの組み合わせを使用して測定することができる。ＤＳＣおよびＴＧＡはそれぞれ、ピーク熱放出の温度について同様の値を提供し、多くの場合、試験は同時に行われ、その結果、両方から結果が得られる。典型的なＤＳＣ分析では、熱の流れが上昇する温度に対してプロットされ、ピーク熱放出の温度は、そのような曲線において最も高いピークが生じる温度である。本開示の文脈で、特に明記しない限り、材料または組成物のピーク熱放出温度の測定値は、この段落で提示されているＴＧＡ分析を使用して取得される。
吸熱材料の文脈において、「ピーク吸熱温度」という用語は、分解からの吸熱する熱の吸収が最小になる環境の熱の温度の測定値を指す。材料または組成物のピーク吸熱温度は、ＴＧＡ分析、示差走査熱量測定（ＤＳＣ）またはそれらの組み合わせを使用して測定することができる。典型的なＤＳＣ分析では、熱の流れが上昇する温度に対してプロットされ、ピーク熱吸収の温度は、そのような曲線において最も低いピークが生じる温度である。本開示の文脈で、特に明記しない限り、材料または組成物のピーク熱吸収温度の測定値は、この段落で提示されているＴＧＡ分析を使用して取得される。
本開示の文脈で、「低可燃性」および「低可燃」という用語は、以下の特性、ｉ）５０°Ｃ以下の炉内温度上昇、ｉｉ）火炎時間が２０秒以下、ｉｉｉ）５０ｗｔ％以下の質量減少率、の組み合わせを満たす材料または組成物を指す。本開示の文脈で、「不可燃性」および「不可燃」という用語は、以下の特性、ｉ）４０°Ｃ以下の炉内温度上昇、ｉｉ）火炎時間が２秒以下、ｉｉｉ）３０ｗｔ％以下の質量減少率、の組み合わせを満たす材料または組成物を指す。本明細書に記載されるように、組成物の可燃性（例えば炉の温度上昇、火炎時間、および質量損失の組み合わせ）は、１つ以上のファイヤークラスの添加剤を含むと低下することが企図される。
本開示の文脈で、「低燃焼性」および「低燃焼」という用語は、３ＭＪ／ｋｇ以下の総燃焼熱（ＨＯＣ）を有する低燃焼性材料または組成物を指す。本開示の文脈で、「不燃焼性」および「不燃焼」という用語は、２ＭＪ／ｋｇ以下の燃焼熱（ＨＯＣ）を有する不燃焼性材料または組成物を指す。組成物のＨＯＣは、本明細書に記載されるように、１つ以上のファイヤークラスの添加剤を含むと減少することが企図される。
エアロゲルは、相互接続されたオリゴマー、ポリマー、またはコロイド粒子から最も一般的に構成される相互接続された構造の骨格として記載されている。エアロゲル骨格は、無機前駆体材料（シリカベースのエアロゲルの製造に使用される前駆体など）、有機前駆体材料（炭素系エアロゲルの製造に使用される前駆体など）、ハイブリッド無機／有機前駆体材料、およびそれらの組み合わせを含む一連の前駆体材料から作製され得る。本開示の文脈で、「アマルガムエアロゲル」という用語は、２つ以上の異なるゲル前駆体の組み合わせから製造されたエアロゲルを指し、対応する前駆体を「アマルガム前駆体」と呼ぶ。
無機エアロゲルは、一般に、金属酸化物または金属アルコキシド材料から形成される。金属酸化物または金属アルコキシド材料は、酸化物を形成することができる任意の金属の酸化物またはアルコキシドに基づくことができる。そのような金属には、シリコン、アルミニウム、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、イットリウム、バナジウム、セリウムなどが含まれるが、これらに限定されない。無機シリカエアロゲルは、従来、シリカ系アルコキシド（テトラエトキシシランなど）の加水分解および縮合によって、またはケイ酸もしくは水ガラスのゲル化によって作製される。シリカベースのエアロゲル合成のための他の関連する無機前駆体材料には、ケイ酸ナトリウムまたはケイ酸カリウムなどの金属ケイ酸塩、アルコキシシラン、部分的に加水分解されたアルコキシシラン、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）、部分的に加水分解されたＴＥＯＳ、ＴＥＯＳの縮合ポリマー、テトラメトキシシラン（ＴＭＯＳ）、部分的に加水分解されたＴＭＯＳ、ＴＭＯＳの縮合ポリマー、テトラ－ｎ－プロポキシシラン、テトラ－ｎ－プロポキシシランの部分的に加水分解されたおよび／または縮合ポリマー、ポリエチルケイ酸塩、部分的に加水分解されたポリエチルケイ酸塩、単量体アルキルアルコキシシラン、ビス－トリアルコキシアルキルまたはアリールシラン、多面体シルセスキオキサン、またはそれらの組み合わせが含まれるが、これらに限定されない。
本開示の特定の実施形態では、約１．９から２という水／シリカの比率で加水分解される、Ｓｉｌｂｏｎｄ Ｈ－５（ＳＢＨ５、Ｓｉｌｂｏｎｄ Ｃｏｒｐ）などの予備加水分解ＴＥＯＳは、市販されているものとして使用されてもよく、またはゲル化プロセスに組み込む前にさらに加水分解されてもよい。部分的に加水分解されたＴＥＯＳまたはＴＭＯＳ、例えば、ポリエチルシリケート（Ｓｉｌｂｏｎｄ ４０）またはポリメチルシリケートもまた、市販されているものとして使用されてもよく、またはゲル化のプロセスに組み込む前にさらに加水分解されてもよい。
無機エアロゲルはまた、安定性および疎水性などのゲルの特定の特性を付与または改善することができる、アルキル金属アルコキシド、シクロアルキル金属アルコキシドおよびアリール金属アルコキシドなどの少なくとも１つの疎水性基を含むゲル前駆体を含むことができる。無機シリカエアロゲルは、アルキルシランまたはアリールシランなどの疎水性前駆体を特に含むことができる。疎水性ゲル前駆体は、ゲル材料の骨格を形成するための一次前駆体材料として使用され得る。しかしながら、疎水性ゲル前駆体は、アマルガムエアロゲルの形成において単純な金属アルコキシドと組み合わせて共前駆体としてより一般的に使用される。シリカベースのエアロゲル合成のための疎水性無機前駆体材料には、トリメチルメトキシシラン（ＴＭＳ）、ジメチルジメトキシシラン（ＤＭＳ）、メチルトリメトキシシラン（ＭＴＭＳ）、トリメチルエトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン（ＤＭＤＳ）、メチルトリエトキシシラン（ＭＴＥＳ）、エチルトリエトキシシラン（ＥＴＥＳ）、ジエチルジエトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン（ＤＭＤＥＳ）、エチルトリエトキシシラン、プロピルトリメトキシシラン、プロピルトリエトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン（ＰｈＴＥＳ）、ヘキサメチルジシラザンおよびヘキサエチルジシラザンなどが含まれるが、これらに限定されない。上記前駆体のいずれかの任意の誘導体を使用してもよく、具体的には、他の化学基の特定のポリマーを上記前駆体の１つ以上に添加または架橋してもよい。
エアロゲルはまた、疎水性を付与または改善するために処理されてもよい。疎水性処理は、ゾル－ゲル溶液、液体抽出前の湿潤ゲル、または液体抽出後のエアロゲルに適用することができる。疎水性処理は、シリカエアロゲルなどの金属酸化物エアロゲルの製造において、特に一般的である。ゲルの疎水性処理の例は、以下にてより詳細に、具体的にはシリカゲルの湿潤ゲルの処理に関連して、論じられる。しかしながら、本明細書で提示される特定の例および例示は、本開示の範囲を任意の特定の種類の疎水性処理手順またはエアロゲル基材に限定することを意図するものではない。本開示は、当業者に公知の任意のゲルまたはエアロゲル、ならびに湿潤ゲル形態または乾燥エアロゲル形態のいずれかのエアロゲルの疎水性処理の関連する方法を含むことができる。
疎水化処理は、シリカゲルの骨格に存在するシラノール基（Ｓｉ－ＯＨ）などのゲル上のヒドロキシ部分と、疎水化剤の官能基とを反応させることにより、行われる。得られた反応は、シラノール基および疎水化剤を、シリカゲルの骨格の疎水性基に変換する。疎水化剤化合物は、以下の反応、つまりＲＮＭＸ４－Ｎ（疎水化剤）＋ＭＯＨ（シラノール）→ＭＯＭＲＮ（疎水性基）＋ＨＸにより、ゲルのヒドロキシル基と反応することができる。疎水性処理は、シリカゲルの外側のマクロ表面およびゲルの多孔質ネットワーク内の内孔表面の両方で行うことができる。
ゲルは、疎水化剤と、疎水化剤が可溶性であり、湿潤ゲル中のゲル溶媒とも混和性である任意の疎水化処理溶媒との混合物に浸漬することができる。メタノール、エタノール、イソプロパノール、キシレン、トルエン、ベンゼン、ジメチルホルムアミドおよびヘキサンなどの溶媒を含む広範囲の疎水性処理溶媒を使用することができる。液体または気体の形態の疎水化剤をゲルと直接接触させて疎水性を付与してもよい。
疎水性処理プロセスは、疎水化剤が湿潤ゲルを透過するのを助けるための混合または撹拌を含むことができる。疎水性処理プロセスはまた、処理反応をさらに増強および最適化するために、温度およびｐＨなどの他の条件を変化させることを含むことができる。反応終了後、湿潤ゲルを洗浄し、未反応の化合物や反応副生成物を除去する。
エアロゲルの疎水性処理のための疎水化剤は、一般に、式ＲＮＭＸ４－Ｎの化合物であり、式中Ｍは金属であり、Ｒは、ＣＨ３、ＣＨ２ＣＨ３、Ｃ６Ｈ６、または同様の疎水性アルキル、シクロアルキル、もしくはアリール部分などの疎水性基であり、Ｘはハロゲン、通常Ｃｌである。疎水化剤の具体例としては、トリメチルクロロシラン（ＴＭＣＳ）、トリエチルクロロシラン（ＴＥＣＳ）、トリフェニルクロロシラン（ＴＰＣＳ）、ジメチルクロロシラン（ＤＭＣＳ）、ジメチルジクロロシラン（ＤＭＤＣＳ）などが挙げられるが、これらに限定されない。疎水化剤は、式：Ｙ（Ｒ３Ｍ）２のものであってもよく、式中Ｍは金属であり、Ｙは、ＮＨまたはＯなどの架橋基であり、Ｒは、ＣＨ３、ＣＨ２ＣＨ３、Ｃ６Ｈ６、または同様の疎水性アルキル、シクロアルキル、またはアリールモアイトなどの疎水性基である。そのような疎水化剤の具体例としては、ヘキサメチルジシラザン［ＨＭＤＺ］およびヘキサメチルジシロキサン［ＨＭＤＳＯ］が挙げられるが、これらに限定されない。疎水化剤は、式ＲＮＭＶ４－Ｎの化合物をさらに含むことができ、式中Ｖはハロゲン以外の反応性基または脱離基である。そのような疎水化剤の具体例としては、ビニルトリエトキシシランおよびビニルトリメトキシシランが挙げられるが、これらに限定されない。
本開示の疎水性処理はまた、ゲルの液体の除去、交換または乾燥の間に実施されてもよい。特定の実施形態では、疎水性処理は、超臨界流体環境（例えば、超臨界二酸化炭素であるが、これに限定されない）で実行されてもよく、乾燥または抽出ステップと組み合わされてもよい。
本開示の文脈で、「疎水性結合ケイ素」という用語は、ケイ素原子に共有結合した少なくとも１つの疎水性基を含むゲルまたはエアロゲルの骨格内のケイ素原子を指す。疎水性結合ケイ素の例には、少なくとも１つの疎水性基（ＭＴＥＳまたはＤＭＤＳなど）を含むゲル前駆体から形成されるゲル骨格内のシリカ基のケイ素原子が含まれるが、これらに限定されない。疎水性結合ケイ素はまた、ゲル骨格またはゲルの表面のケイ素原子を含み得るが、これらに限定されず、さらなる疎水性基を組成物に組み込むことによって疎水性を付与または改善するために疎水化剤（ＨＭＤＺなど）で処理される。本開示の疎水性基には、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、ｔｅｒｔブチル基、オクチル基、フェニル基、または当業者に公知の他の置換もしくは非置換疎水性有機基が含まれるが、これらに限定されない。本開示の文脈で、「疎水性基」、「疎水性有機材料」、および「疎水性有機含有量」という用語は、具体的には、有機溶媒とシラノール基との間の反応の生成物である、ゲル材料の骨格の容易に加水分解可能な有機ケイ素結合アルコキシ基を除外する。そのような除外された基は、ＮＭＲ分析によってこれの疎水性有機含有量と区別できる。エアロゲルに含まれる疎水性結合ケイ素の量は、ＣＰ／ＭＡＳ ２９Ｓｉ固体ＮＭＲなどのＮＭＲ分光法を用いて分析することができる。エアロゲルのＮＭＲ分析は、Ｍ型疎水性結合ケイ素（ＴＭＳ誘導体などの単官能シリカ）、Ｄ型疎水結合シリコン（ＤＭＤＳ誘導体などの二官能性シリカ）、Ｔ型疎水結合シリコン（ＭＴＥＳ誘導体などの三官能性シリカ）、Ｑ型シリコン（ＴＥＯＳ誘導体などの四官能性シリカ）の特性評価および相対定量を可能にする。ＮＭＲ分析はまた、特定の種類の疎水性結合ケイ素をサブタイプに分類すること（例えば、Ｔ型疎水性結合シリコンのＴ１種、Ｔ２種およびＴ３種への分類）を可能にすることによって、エアロゲルに含まれる疎水性結合ケイ素の結合化学を分析するために使用することができる。シリカ材料のＮＭＲ分析に関する具体的な詳細は、具体的に引用されているページに従って、参照により本明細書に組み込まれる、Ｇｅｐｐｉらによる論文「Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｓｏｌｉｄ－Ｓｔａｔｅ ＮＭＲ ｔｏ ｔｈｅ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｏｒｇａｎｉｃ／Ｉｎｏｒｇａｎｉｃ Ｍｕｌｔｉｃｏｍｐｏｎｅｎｔ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」（Ａｐｐｌ．Ｓｐｅｃ．Ｒｅｖ．（２００８），４４－１：１－８９）、具体的には７から９ページに見出すことができる。
ＣＰ／ＭＡＳ ２９Ｓｉ ＮＭＲ分析における疎水性結合ケイ素の特性評価は、以下の化学シフトピーク、つまりＭ１（３０から１０ｐｐｍ）、Ｄ１（１０から－１０ｐｐｍ）、Ｄ２（－１０から－２０ｐｐｍ）、Ｔ１（－３０から－４０ｐｐｍ）、Ｔ２（－４０から－５０ｐｐｍ）、Ｔ３（－５０から－７０ｐｐｍ）、Ｑ２（－７０から－８５ｐｐｍ）、Ｑ３（－８５から－９５ｐｐｍ）、Ｑ４（－９５から－１１０ｐｐｍ）に基づくことができる。これらの化学シフトピークは近似的かつ例示的であり、限定的または決定的であることを意図しない。材料内の様々なケイ素の種に起因する正確な化学シフトピークは、材料の特定の化学成分に依存し得、一般に、当業者による日常的な実験および分析によって解読され得る。
本開示の文脈で、「疎水性有機含有量」または「疎水性含有量」または「疎水性含有量」という用語は、エアロゲル材料または組成物の骨格に結合した疎水性有機材料の量を指す。エアロゲル材料または組成物の疎水性有機含有量は、エアロゲル材料または組成物の材料の総量に対するエアロゲル骨格の疎水性有機材料の量の重量百分率として表すことができる。疎水性有機含有量は、エアロゲル材料または組成物の製造に使用される材料の性質および相対濃度に基づいて当業者によって計算することができる。疎水性有機含有量はまた、対象の材料の熱重量分析（ＴＧＡ）を使用して、好ましくは酸素雰囲気で測定することができる（ただし、代替ガス環境下のＴＧＡも有用である）。具体的には、エアロゲル中の疎水性有機材料の割合は、ＴＧＡ分析間に燃焼熱の温度に曝された場合の疎水性エアロゲル材料または組成物の重量損失の割合と相関させることができ、ＴＧＡ分析間の水分の損失、残留溶媒の損失、および容易に加水分解可能なアルコキシ基の損失に対して調整が行われる。当業者に公知の示差走査熱量測定、元素分析（特に、炭素）、クロマトグラフィー技術、核磁気共鳴スペクトルおよび他の分析技術などの他の代替技術を使用して、本開示のエアロゲル組成物の疎水性物質含有量を測定および決定することができる。特定の事例では、既知の技術の組み合わせは、本開示のエアロゲル組成物の疎水性物質含有量を決定するのに有用または必要であり得る。
本開示のエアロゲル材料または組成物は、５０重量％以下、４０重量％以下、３０重量％以下、２５重量％以下、２０重量％以下、１５重量％以下、１０重量％以下、８重量％以下、６重量％以下、５重量％以下、４重量％以下、３重量％以下、２重量％以下、１重量％以下、またはこれらの値のいずれか２つの間の範囲の疎水性有機含有量を有することができる。
「燃料含量」という用語は、エアロゲル材料または組成物の可燃性材料の総量を指し、これは、ＴＧＡまたはＴＧ－ＤＳＣ分析中に可燃性熱温度に曝されたときのエアロゲル材料または組成物の重量損失の総百分率と相関させることができ、水分の損失に対して調整が行われる。エアロゲル材料または組成物の燃料含量は、疎水性有機含量、ならびに他の可燃性残留アルコール性溶媒、充填剤材料、補強材料、および容易に加水分解可能なアルコキシ基を含むことができる。
有機エアロゲルは、一般に、炭素系ポリマー前駆体から形成される。そのようなポリマー材料には、レゾルシノールホルムアルデヒド（ＲＦ）、ポリイミド、ポリアクリレート、ポリメチルメタクリレート、アクリレートオリゴマー、ポリオキシアルキレン、ポリウレタン、ポリフェノール、ポリブタジエン、トリアルコキシシリル末端ポリジメチルシロキサン、ポリスチレン、ポリアクリロニトリル、ポリフルフラール、メラミン－ホルムアルデヒド、クレゾールホルムアルデヒド、フェノール－フルフラール、ポリエーテル、ポリオール、ポリイソシアネート、ポリヒドロキシベンズ、ポリビニルアルコールジアルデヒド、ポリシアヌレート、ポリアクリルアミド、様々なエポキシ、寒天、アガロース、キトサン、およびそれらの組み合わせが含まれるが、これらに限定されない。一例として、有機ＲＦエアロゲルは、典型的には、レゾルシノールまたはメラミンと、ホルムアルデヒドとのアルカリ条件下でのゾル－ゲル重合から作製される。
有機／無機ハイブリッドエアロゲルは、主に（有機修飾シリカ（「オルモシル」）エアロゲルから構成される。これらのオルモシル材料は、シリカネットワークに共有結合した有機成分を含む。典型的には、有機修飾シラン、Ｒ－Ｓｉ（ＯＸ）３と従来のアルコキシド前駆体、Ｙ（ＯＸ）４との加水分解および縮合によって形成される。これらの式において、Ｘは、例えば、ＣＨ３、Ｃ２Ｈ５、Ｃ３Ｈ７、Ｃ４Ｈ９を表すことができ、Ｙは、例えば、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、またはＡｌを表すことができ、Ｒは、メチル、エチル、プロピル、ブチル、イソプロピル、メタクリレート、アクリレート、ビニル、エポキシドなどの任意の有機断片であってもよい。また、オルモシルエアロゲルの有機成分は、シリカネットワーク全体に分散していてもよく、またはシリカネットワークに化学的に結合していてもよい。
本開示の文脈で、「オルモシル」という用語は、前述の材料ならびに「オルモカー」と呼ばれることもある他の有機修飾材料を包含する。オルモシルは、多くの場合、例えばゾル－ゲル法によって基材材料にオルモシルフィルムをキャストするコーティングとして使用される。本開示の他の有機－無機ハイブリッドエアロゲルの例には、シリカポリエーテル、シリカ－ＰＭＭＡ、シリカ－キトサン、炭化物、窒化物、および上述の有機および無機エアロゲル形成化合物の他の組み合わせが含まれるが、これらに限定されない。公開された米国特許出願公開第２００５０１９２３６７号明細書（［００２２］から［００３８］段落および［００４４］から［００５８］段落）は、そのようなハイブリッド有機－無機材料の教示を含み、個々に引用されたセクションおよび段落に従って、参照により本明細書に組み込まれる。
特定の実施形態では、本開示のエアロゲルは、主に、好ましくはオリゴマーとしての予備重合シリカ前駆体から形成された無機シリカエアロゲル、またはアルコール溶媒中のケイ素アルコキシドから形成された加水分解ケイ酸エステルである。特定の実施形態では、そのような予備重合シリカ前駆体または加水分解ケイ酸エステルは、アルコキシシランまたは水ガラスなどの他の前駆体またはケイ酸エステルからその場で形成され得る。しかしながら、本開示は全体として、当業者に知られている任意の他のエアロゲル組成物を用いて実施されてもよく、任意の１つの前駆体材料または前駆体材料のアマルガム混合物に限定されない。
上述のように、本開示の実施形態によるエアロゲル組成物は、圧縮性、圧縮弾性およびコンプライアンスのための好ましい特性を提供する。電池モジュール内のセル間のセパレータとして使用される場合、エアロゲル組成物を使用して形成された断熱シートは、圧縮変形に対する耐性を付与して、電池の充電／放電サイクル中の活物質の分解および膨潤によるセルの膨張に対応することができる。電池モジュールの初期の組み立て間に、１ＭＰａ以下の比較的低い荷重が、典型的には、セルセパレータ材料、例えば、本明細書に開示される強化エアロゲル組成物に加えられる。充電／放電サイクル中に電池モジュール内のセルが膨張または膨潤すると、最大約５ＭＰａの荷重がセルセパレータ材料、例えば本明細書に開示される強化エアロゲル組成物に加えられ得る。したがって、セルセパレータ材料の圧縮性、圧縮弾性およびコンプライアンスは重要な特性である。
他の実施形態では、電池熱管理部材は、別々に、またはエアロゲル組成物と組み合わせて、他の熱保護層を含むことができる。例えば、熱保護層は、雲母、微孔質シリカ、セラミック繊維、鉱物ウール、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される材料を含むことができる。いくつかの実施形態では、熱保護層は、例えば、少なくとも８０％の雲母を含む雲母のボードを含むことができる。いくつかの実施形態では、熱保護層は、耐火性セラミック繊維から作製された無機セラミック紙を含むことができる。
例示的な態様では、本開示は、熱制御部材または電池熱管理部材であって、約２５ｋＰａで約２５％未満の圧縮率を示す熱制御部材または電池熱管理部材を提供する。いくつかの実施形態では、圧縮力の偏向は、２５％の偏向で５から５００ｋＰａ、または５から８０ｋＰａであり得る。圧縮力の偏向は、７５％の偏向で１００から５００ｋＰａ、または２００から３００ｋＰａとすることができる。任意選択的に、圧縮が解除されると、熱制御部材または電池熱管理部材は、その元の厚さの少なくとも約８０％、７５％、６５％、６０％または５０％に戻るのに十分な弾性を有することができる。いくつかの実施形態では、熱制御部材または電池熱管理部材は、約２５ｋＰａから約３５ｋＰａの範囲で約２５％未満の圧縮率、好ましくは約５０ｋＰａで約５０％未満の圧縮率を示す。いくつかの実施形態では、熱制御部材または電池熱管理部材は、約５０ｋＰａで約２５％から約５０％の範囲の圧縮率を示す。例示的な実施形態では、熱制御部材または電池熱管理部材は、約２４５ｋＰａで約８０％未満、例えば約２３５ｋＰａで約７０％未満の圧縮率を示す。例示的な実施形態では、熱制御部材または電池熱管理部材は、約３４５ｋＰａで約７０％未満の圧縮率を示す。熱制御部材または電池熱管理部材の熱伝導率は、好ましくは、熱制御部材または電池熱管理部材が圧縮されるとき、約６０ｍＷ／ｍＫ未満、約５０ｍＷ／ｍＫ未満、約４０ｍＷ／ｍＫ、約３０ｍＷ／ｍＫ、約２５ｍＷ／ｍＫ、またはこれらの値の間の範囲に維持される。
上述のように、本開示の実施形態によるエアロゲル組成物は、マクロ細孔を含むエアロゲル骨格を含むことができる。いかなる特定の作動理論にも束縛されるものではないが、エアロゲル骨格内にマクロ細孔が存在することにより、エアロゲル組成物、例えば強化エアロゲル組成物の圧縮を可能にしながら、熱特性を維持するか、またはさらに改善する、例えば熱伝導率を低下させることができる。例えば、マクロ細孔は、組成物の圧縮によって変形、破砕、または他の方法でサイズを小さくすることができ、それにより、負荷下で組成物の厚さを減少させることができる。しかしながら、マクロ細孔が変形するにつれて、マクロ細孔は効果的により小さい細孔になる。結果として、エアロゲル骨格内の熱伝達のための経路は、マクロ細孔が変形するにつれてより曲がりくねる可能性があり、それによって熱特性が改善され、例えば熱伝導率が低下する。本開示の文脈で、「メソ孔」は、平均孔径が約２ｎｍから約５０ｎｍの範囲内にある細孔である。エアロゲル骨格は、典型的にはメソ多孔性（すなわち、約２ｎｍから約５０ｎｍの範囲の平均直径を有する細孔を主に含有する）である。特定の実施形態において、本開示のエアロゲル組成物のエアロゲル骨格は、マクロ細孔を含むことができる。本開示の文脈で、「マクロ細孔」は、平均細孔直径が約５０ｎｍより大きい細孔である。エアロゲル骨格は、マクロ細孔とメソ細孔の両方を含むことができる。例えば、エアロゲル骨格の細孔体積の少なくとも１０％がマクロ細孔から構成され得、エアロゲル骨格の細孔体積の少なくとも５％がマクロ細孔から構成され得、エアロゲル骨格の細孔体積の少なくとも７５％がマクロ細孔から構成され得、エアロゲル骨格の細孔体積の少なくとも９５％がマクロ細孔から構成され得、またはエアロゲル骨格の細孔体積の１００％がマクロ細孔から構成され得る。いくつかの特定の実施形態では、エアロゲル骨格は、その細孔体積の大部分がマクロ細孔で構成されるようなマクロ多孔性エアロゲル骨格であり得る。いくつかの例では、マクロ多孔性エアロゲル骨格は、ミクロ細孔および／またはメソ細孔も含むことができる。いくつかの実施形態において、エアロゲル骨格の細孔の細孔径（直径）の平均は、５０ｎｍ超、５０ｎｍから５０００ｎｍ、２５０ｎｍから２０００ｎｍ、５００ｎｍから２０００ｎｍ、５００ｎｍから１４００ｎｍまたは１２００ｎｍより多いものであり得る。特定の実施形態では、細孔径の平均は、直径５０ｎｍ超、５０ｎｍから１０００ｎｍ、好ましくは１００ｎｍから８００ｎｍ、より好ましくは２５０ｎｍから７５０ｎｍより多いものであり得る。
いくつかの実施形態では、エアロゲル骨格内の細孔径の変動は、エアロゲル骨格を通して均一に分布することができる。例えば、平均細孔径は、エアロゲル骨格全体にわたって実質的に同じであり得る。
他の実施形態では、エアロゲル骨格内の細孔サイズの変動は、エアロゲル骨格を介して不均一に分布することができる。例えば、平均細孔径は、エアロゲル骨格の特定の領域において異なり得る。いくつかの例示的な実施形態において、平均細孔径は、エアロゲル骨格の上面、下面、または上面および下面の両方の領域において、より大きくすることができる。例えば、マクロ細孔とメソ細孔との比率が、上面で下面よりも大きく、下面で上面よりも大きく、または上面と下面との間の中央領域よりも上面と下面の両方で大きくなるように、マクロ細孔を組成物内に分布させることができる。別の例では、マクロ細孔とメソ細孔との比率が、下面付近よりも上面付近で大きく、下面付近よりも上面付近で大きく、または上面と下面との間の中央領域よりも上面と下面の両方付近で大きくなるように、マクロ細孔を組成物内に分布させることができる。他の実施形態では、平均細孔径は、エアロゲル骨格の上面と下面との間の中間領域でより大きくすることができる。
マクロ細孔は、エアロゲル組成物の製造中に形成され得る。例えば、マクロ細孔の形成は、ゲル組成物への移行中にゲル前駆体材料において誘導され得る。いくつかの実施形態では、マクロ細孔の形成は、例えばゲル前駆体溶液のスピノーダル分解を誘導することによるものであり得る。別の例では、マクロ細孔の形成は、１つ以上の発泡剤の添加によって誘発することができる。
得られたエアロゲル骨格中に存在するマクロ細孔は、マクロ細孔対メソ細孔および／またはミクロ細孔の形成に有利な処理条件を選択することによって形成することができる。マクロ細孔の量は、以下の変数のいずれか１つ、任意の組み合わせ、またはすべてを実施することによって調整することができる：（１）重合溶媒、（２）重合温度、（３）ポリマー分子量、（４）分子量分布、（５）共重合体組成物、（６）分岐量、（７）架橋量、（８）分岐方法、（９）架橋の方法、（１０）ゲルの形成に用いられる方法、（１１）ゲルを形成するために使用される触媒の種類、（１２）ゲルを形成するために使用される触媒の化学組成、（１３）ゲルを形成するために使用される触媒の量、（１４）ゲル形成温度、（１５）ゲル形成中に材料上を流れるガスの種類、（１６）ゲル形成中に材料上を流れるガスの速度、（１７）ゲル形成時の雰囲気の圧力、（１８）ゲル形成中の溶存ガスの除去、（１９）ゲル形成中に樹脂に固体添加剤が存在すること、（２０）ゲル形成プロセスの時間、（２１）ゲル形成に用いられる基材、（２２）溶媒交換プロセスの各ステップで使用される溶媒の種類、（２３）溶媒交換プロセスの各ステップで使用される溶媒の組成、（２４）溶媒交換プロセスの各ステップで使用される時間、（２５）溶媒交換プロセスの各ステップにおける部分の滞留時間、（２６）溶媒交換溶媒の流速、（２７）溶媒交換溶媒の流れの種類、（２８）溶媒交換溶媒の撹拌速度、（２９）溶媒交換プロセスの各ステップで使用される温度、（３０）部分の体積に対する溶媒交換溶媒の体積の比、（３１）乾燥方法、（３２）乾燥プロセスの各ステップの温度、（３３）乾燥プロセスの各ステップにおける圧力、（３４）乾燥プロセスの各ステップで使用するガスの組成、（３５）乾燥プロセスの各ステップのガス流量、（３６）乾燥プロセスの各ステップのガスの温度、（３７）乾燥プロセスの各ステップの部品の温度、（３８）乾燥プロセスの各ステップの部品の周りのエンクロージャの存在、（３９）乾燥中に部品を囲むエンクロージャのタイプ、および／または（４０）乾燥プロセスの各ステップで使用される溶媒、である。多官能性アミンおよびジアミン化合物は、固体として、そのままで、または適切な溶媒に溶解して、別々にまたは１つ以上の部分に一緒に添加することができる。他の態様では、エアロゲルを製造する方法は、（ａ）多官能性アミン化合物および少なくとも１つのジアミン化合物を溶媒に供給して溶液を形成するステップ、（ｂ）少なくとも１つの二無水物化合物を、分枝状ポリマーマトリックス溶液を形成するのに十分な条件下でステップ（ａ）の溶液に供給するステップであって、分枝状ポリマーマトリックスが溶液に可溶化される、ステップ、（ｃ）分枝状ポリマーマトリックス溶液を、連続気泡構造を有するエアロゲルを形成するのに十分な条件に供するステップを含むことができる。得られたエアロゲル骨格に存在するマクロ細孔は、上記の方法で形成することができる。１つの好ましい非限定的な態様では、マクロ細孔対、より小さいメソ細孔およびミクロ細孔の形成は、ゲル形成中のポリマー／溶媒動力学を制御することによって、主に制御することができる。
上述のように、本開示の実施形態によるエアロゲル組成物は、エアロゲル骨格と、補強材料とを含むことができ、補強材料の少なくとも一部がエアロゲルを含まない。例えば、エアロゲル骨格は、補強材料の厚さを部分的に通って延びることができる。そのような実施形態では、補強材料、例えばＯＣＭＦ、繊維、またはそれらの組み合わせの一部は、エアロゲル材料を含むことができ、一部はエアロゲルを含まないことができる。例えば、いくつかの実施形態では、エアロゲルは、補強材料の厚さの約９０％、補強材料の厚さの約５０％から約９０％の範囲、補強材料の厚さの約１０％から約５０％の範囲、または補強材料の厚さの約１０％を通って延びる。
いかなる特定の作動理論にも束縛されることなく、補強材料の少なくとも一部がエアロゲルを含まないエアロゲル組成物は、圧縮性、圧縮弾性、およびコンプライアンスのための好ましい特性を付与することができる。例えば、補強材料の特性は、エアロゲルを含む領域において熱特性のための十分な補強および支持を付与し、エアロゲルを含まない領域において十分な圧縮性、圧縮弾性、および／またはコンプライアンスを付与するように選択することができる。強化エアロゲル組成物のエアロゲル含有部分は、所望の熱伝導率、例えば約２５ｍＷ／ｍ＊Ｋ未満をもたらすことができるが、エアロゲルを含まない強化材の部分は、所望の物理的特性、例えば圧縮性を付与または改善することができる。
いくつかの実施形態では、補強材料の少なくとも一部がエアロゲルを含まない強化エアロゲル組成物は、補強材料を前駆体溶液で部分的に充填するのに十分な量の前駆体溶液と組み合わせる、本明細書に開示の方法を使用して形成することができる。例えば、前駆体の体積は、前駆体が補強材を部分的にのみ貫通するように、補強材料の体積よりも小さくすることができる。乾燥すると、得られた強化エアロゲル組成物は、上述のように、補強材料の厚さ全体にはわたらずに延びるエアロゲル骨格を含む。他の実施形態では、補強材料の少なくとも一部がエアロゲルを含まない強化エアロゲル組成物は、強化エアロゲル組成物から表面エアロゲル層を除去することによって形成することができる。
いくつかの実施形態では、補強材料の少なくとも一部がエアロゲルを含まない強化エアロゲル組成物は、補強材の厚さを通して混合特性を有する補強材料を使用して形成することができる。例えば、補強材料は、複数の層を含むことができ、各層は、様々な特性、例えば、平均細孔／セルサイズ、材料の組成、独立気泡、連続気泡、表面処理、またはそれらの組み合わせの差を有する。複数の層は、例えば、接着剤を使用して、火炎接着によって、または本明細書で論じられているような他の適切な方法もしくは機構によって互いに接合することができる。補強材料の異なる特性は、層を通るエアロゲルの様々な分布を提供することができる。例えば、補強材料の連続気泡部分はエアロゲル骨格を含むことができるが、独立気泡部分はエアロゲルを実質的に含まないままである。同様に、補強材料またはその層の他の材料特性は、強化材内、したがって強化エアロゲル組成物内のエアロゲルの分布を決定することができる。
いくつかの例示的な実施形態では、補強材料の少なくとも一部がエアロゲルを含まない強化エアロゲル組成物は、本明細書に開示される方法を使用して形成することができ、補強材料または層または補強材料の特性は、例えば鋳造プロセス中に、その材料または層を充填する前駆体溶液の量を制御するかまたは影響を与え、それにより、前駆体溶液で補強材料を部分的に充填する。例えば、補強材の１つの層は連続気泡を有することができ、補強材の別の層は独立気泡を有することができる。前駆体溶液をこのような強化剤と組み合わせると、ゲル前駆体溶液は、他の層の独立気泡に実質的に浸透せずに、その層の連続気泡に浸透することができる。そのような組成物を乾燥させると、得られた強化エアロゲル組成物は、エアロゲルを含有しない部分、例えば独立気泡層を含むことができ、一方、別の部分、例えば連続気泡層はエアロゲルを含有する。
いくつかの実施形態では、本明細書に開示される添加剤（例えば、吸熱添加剤、不透明化添加剤、ファイヤークラスの添加剤、または他の添加剤）は、強化エアロゲル組成物内に不均一に分散させることができる。例えば、添加材料は、エアロゲル組成物の厚さによって、またはエアロゲル組成物の長さおよび／または幅に沿って変化し得る。例えば、添加剤は、エアロゲル組成物の片側に蓄積され得る。いくつかの実施形態では、添加材料は、エアロゲル複合体の１つの層に濃縮されてもよく、または複合体に隣接または付着した添加剤から本質的になる別個の層として設けられてもよい。例えば、熱制御部材または電池熱管理部材は、石膏、重炭酸ナトリウム、マグネシア系セメントなどの吸熱材料から本質的になる層を含むことができる。さらに例示的な実施形態では、エアロゲル組成物は、組成物内に、または対向層として、追加の材料の少なくとも１つの層を含むこともできる。例えば、層は、ポリマーシート、金属シート、繊維シート、高配向グラファイト材料、例えば熱分解グラファイトシート、および織物シートからなる群から選択される層であり得る。いくつかの実施形態では、対向層は、例えば、エアロゾル接着剤、ウレタン系接着剤、アクリレート接着剤、ホットメルト接着剤、エポキシ、ゴム樹脂接着剤、ポリウレタン複合接着剤、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される接着機構によって組成物に付着させることができる。いくつかの実施形態では、対向層は、非接着機構、例えば、火炎接着、ニードリング、ステッチ、シーリングバッグ、リベット、ボタン、クランプ、ラップ、ブレース、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される機構によって組成物に取り付けることができる。いくつかの実施形態では、上述の接着機構および非接着機構のいずれかの組み合わせを使用して、対向層を組成物に取り付けることができる。
本明細書で論じられるように、エアロゲル組成物または複合材は、エアロゲル微粒子、粒子、顆粒、ビーズ、または粉末を、接着剤、樹脂、セメント、発泡体、ポリマー、または同様の固体もしくは固化材料などの結合剤と組み合わせて、固体または半固体材料に組み込む材料を含むことができる。例えば、エアロゲル組成物は、補強材料、エアロゲル粒子、および任意選択的に結合剤を含むことができる。例示的な実施形態において、エアロゲル粒子および少なくとも１種類の湿潤剤を含有するスラリーを設けることができる。例えば、エアロゲル粒子は、界面活性剤または分散剤などの少なくとも１つの湿潤剤でコーティングまたは湿潤させることができる。エアロゲル粒子は、完全に湿潤していてもよく、部分的に湿潤していてもよく（例えば、表面湿潤）、またはスラリーに存在していてもよい。好ましい湿潤剤は、疎水性エアロゲル粒子の疎水性の適切な回復を可能にするために揮発することができる。湿潤剤がエアロゲル粒子の表面に残存する場合、残存する湿潤剤は、複合材料の全体的な熱伝導率に寄与し得る。したがって、好ましい湿潤剤は、分解または他の手段を伴うまたは伴わない揮発などによって、除去可能なものである。一般に、エアロゲルと適合する任意の湿潤剤を使用することができる。
湿潤剤でコーティングされたスラリーまたはエアロゲルは、疎水性エアロゲルを他の水性含有流体、スラリー、接着剤、結合剤材料などの様々な材料に容易に導入する方法として有用であり得、これらは任意で、硬化して固体材料、繊維、金属化繊維、ディスクリート繊維、織布材料、不織布材料、ニードル不織布、バッティング、ウェブ、マット、フェルト、およびそれらの組み合わせを形成することができる。少なくとも１つの湿潤剤で湿潤したエアロゲルまたは少なくとも１つの湿潤剤を含むエアロゲルを含むスラリーは、疎水性エアロゲルの容易な導入および均一な分布を可能にする。湿式プロセス、例えば、米国特許第９，３９９，８６４号明細書、第８，０２１，５８３号明細書、第７，６３５，４１１号明細書、および第５，３９９，４２２号明細書に記載されているもの（これらはそれぞれ、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる）は、エアロゲル粒子、繊維および他の添加剤を分散させるために水性スラリーを使用する。次いで、スラリーを脱水してエアロゲル粒子、繊維および添加剤の層を形成することができ、乾燥させ、任意選択的にカレンダ加工してエアロゲル複合体を製造することができる。
他の実施形態では、エアロゲル組成物は、エアロゲル粒子、少なくとも１種の無機マトリックス材料、および任意選択的に繊維、補助材料、添加剤、およびさらなる無機結合剤を含むことができる。無機マトリックス材料は、いくつかの実施形態では、フィロケイ酸塩、例えば天然に存在するフィロケイ酸塩、例えばカオリン、粘土もしくはベントナイト、合成フィロケイ酸塩、例えばマガディアイトもしくはケニヤアイト、またはこれらの混合物を含むことができる。フィロケイ酸塩は、例えば、材料を乾燥させ、結晶水を出させるために、焼成または未焼成であってもよい。無機マトリックス材料はまた、いくつかの実施形態では、フィロケイ酸塩と組み合わせて、セメント、石灰、石膏またはそれらの適切な混合物などの無機結合剤を含むことができる。無機マトリックス材料はまた、いくつかの実施形態では、本明細書に開示される他の無機添加剤、例えば、ファイヤークラスの添加剤、乳白剤、またはそれらの組み合わせを含むことができる。無機マトリックス材料を含む例示的な方法およびエアロゲル組成物は、米国特許第６，１４３，４００号明細書、第６，０８３，６１９号明細書に開示されている（これらはそれぞれ、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる）。いくつかの実施形態では、エアロゲル組成物は、織布材料、不織布材料、ニードル不織布、バッティング、ウェブ、マット、フェルト、およびそれらの組み合わせの上にコーティングされたまたは吸収されたエアロゲル粒子を含むことができる。接着結合剤を組成物に含めることができる。本明細書に開示されるような、ファイヤークラスの添加剤、乳白剤、またはそれらの組み合わせなどの添加剤も含めることができる。例示的な方法および布地にコーティングされた、または布地に吸収されたエアロゲル組成物は、米国特許出願公開第２０１９／０２６４３８１号明細書（参照によりその全体が本明細書に組み込まれる）に開示されている。
本明細書で論じるように、エアロゲル複合体は、対向する材料の補強層などの他の材料と積層または対向させることができる。一実施形態では、本開示は、強化エアロゲル組成物を含む少なくとも１つのベース層と、少なくとも１つの対向層とを含む多層積層体を提供する。一実施形態では、対向層は補強材料を含む。一実施形態において、強化エアロゲル組成物は、繊維強化層または連続気泡発泡体強化層で強化される。一実施形態では、本開示は、強化エアロゲル組成物を含むベース層と、補強材料を含む少なくとも２つの対向層とを含む多層積層体を提供し、２つの対向層はベース層の対向する表面上にある。例えば、多層エアロゲル積層複合体は、米国特許出願公開第２００７／０１７３１５７号明細書に記載されている方法および材料に従って製造することができる。
対向層は、改善された可撓性または低減されたダスティングなどの最終複合構造に特定の特性を与えるのに役立つ材料を含むことができる。対向する材料は、剛性または可撓性であり得る。対向する材料は、導電層または反射箔を含むことができる。例えば、対向する材料は、金属または金属化材料を含むことができる。対向する材料は、不織材料を含むことができる。対向層は、複合構造、または複合構造を形成する強化エアロゲル複合材、例えば熱制御部材または電池熱管理部材の表面に配置することができる。対向層は、複合構造、または複合構造を形成する強化エアロゲル複合材、例えば熱制御部材または電池熱管理部材の周りに連続コーティングまたはバッグを形成することができる。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の対向層は、複合構造、または複合構造を形成する強化エアロゲル複合材を封入することができる。
一実施形態では、対向層は、複合構造を取り囲むポリマーシートを含み、より具体的には、ポリエステル、ポリエチレン、ポリウレタン、ポリプロピレン、ポリアクリロニトリル、ポリアミド、アラミドを含むポリマー材料、より具体的には、ポリエチレンテレフタレート、低密度ポリエチレン、エチレン－プロピレンコポリマー、ポリ（４－メチル－ペンタン）、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ（１－ブテン）、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニル、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリフッ化ビニル、ポリビニルアクリロニトリル、プリメチルメタクリレート、ポリオキシメチレン、ポリフェニレンスルホン、酢酸セルロース、ポリカーボネート、ポリエチレンナフタレート、ポリカプロラクタム、ポリヘキサメチレンアジパミド、ポリウンデカノアミド、ポリイミド、またはそれらの組み合わせなどのポリマーが挙げられる。一実施形態では、ポリマーシートは、膨張したポリマー材料、より具体的には、ＰＴＦＥ（ｅＰＴＦＥ）、発泡ポリプロピレン（ｅＰＰ）、発泡ポリエチレン（ｅＰＥ）、発泡ポリスチレン（ｅＰＳ）、またはそれらの組み合わせを含む発泡ポリマー材料を含むか、またはそれから本質的になる。好ましい一実施形態では、対向する材料は、膨張したポリマー材料から本質的になる。一実施形態では、ポリマーシートは、０．１μｍから２１０μｍ、０．１μｍから１１５μｍ、０．１μｍから１５μｍ、または０．１μｍから０．６μｍの範囲の孔径を特徴とする微孔質ポリマー材料を含むか、またはそれから本質的になる。
一実施形態では、対向層の材料は、フルオロポリマー材料を含むか、またはフルオロポリマー材料から本質的になる。本開示の文脈で、「フルオロポリマー」または「フルオロポリマー材料」という用語は、主にポリマーフルオロカーボンから構成される材料を指す。適切なフルオロポリマー対向層材料には、米国特許第５，８１４，４０５号明細書に記載されている微孔質ＰＴＦＥ、およびＧｏｒｅ－Ｔｅｘ（登録商標）（Ｗ．Ｌ．Ｇｏｒｅより入手可）などの延伸ＰＴＦＥ（ｅＰＴＦＥ）を含むポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、パーフルオロアルコキシ（ＰＦＡ）、フッ素化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、エチレンテトラフルオロエチレン（ＥＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、エチレンクロロトリフルオロエチレン（ＥＣＴＦＥ）、およびそれらの組み合わせが含まれるが、これらに限定されない。好ましい一実施形態では、対向する材料は、フルオロポリマー材料から本質的になる。好ましい一実施形態では、対向する材料は、膨張ＰＴＦＥ（ｅＰＴＦＥ）材料から本質的になる。
一実施形態では、対向層の材料は、非フルオロポリマー材料を含むか、または非フルオロポリマー材料から、本質的になる。本開示の文脈で、「非フルオロポリマー」または「非フルオロポリマー材料」という用語は、フルオロポリマー材料を含まない材料を指す。適切な非フルオロポリマー性対向層材料としては、限定されないが、アルミをかぶせたマイラー、Ｔｙｖｅｋ（登録商標）（デュポンから入手可能）などの低密度ポリエチレン、ゴムまたはゴム複合体、不織布材料、スパンデックス、ナイロン、ライクラまたはエラスタンなどの弾性繊維、およびそれらの組み合わせが挙げられる。一実施形態では、対向する材料は可撓性対向材である。
いくつかの実施形態では、対向層材料は、最大約１００ｃ、最大約１２０ｃまたは最大約１５０ｃの最大使用温度を有するものなどの自動車用樹脂およびポリマーを含むことができる。例えば、対向層材料は、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）ポリカーボネートＡＢＳ、ポリプロピレン、ポリウレタン、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリカーボネート、ポリイミド、ＰＶＣ、またはそれらの組み合わせを含むことができる。例えば、本明細書に開示される実施形態によるエアロゲル複合材および熱制御部材または電池熱管理部材は、自動車用樹脂または自動車用ポリマーの層、金属または金属化層、およびエアロゲル層を含むことができる。
対向層は、無機または有機のフェーシング材料をベース層の補強材料に固定するのに適した接着剤を使用することによってベース層に取り付けることができる。本開示で使用することができる接着剤の例には、セメント系接着剤、ケイ酸ナトリウム、ラテックス、感圧接着剤、シリコーン、ポリスチレン、エアロゾル接着剤、ウレタン、アクリレート接着剤、ホットメルト接着システム、３Ｍから市販されている接着システム、エポキシ、ゴム樹脂接着剤、米国特許第４，５３２，３１６号明細書に記載されているものなどのポリウレタン接着剤混合物が含まれるが、これらに限定されない。
対向層は、無機または有機の対向する材料をベース層の補強材料に固定するのに適した非接着材料または技術を使用することによって、ベース層に取り付けることもできる。本開示で使用することができる非接着性材料または技術の例には、ヒートシール、超音波ステッチ、ＲＦシール、ステッチまたはスレッド、ニードリング、シールバッグ、リベットまたはボタン、クランプ、ラップ、または他の非接着性積層材料が含まれるが、これらに限定されない。
対向層は、エアロゲル複合材料の製造の任意の段階でベース層に取り付けることができる。一実施形態では、対向層は、ゾルゲル溶液をベース補強材料に注入した後であるが、ゲル化の前に、ベース層に取り付けられる。別の実施形態では、対向層は、ゾルゲル溶液をベース補強材料に注入した後、その後のゲル化の後であるが、ゲル材料を熟成または乾燥させる前に、ベース層に接着される。さらに別の実施形態では、対向層は、ゲル材料を熟成および乾燥させた後にベース層に付着される。好ましい実施形態では、対向層は、ゾルゲル溶液をベース補強材料に注入する前に、ベース層の補強材料に取り付けられる。対向層は、固体および流体不浸透性であり得る。対向層は、多孔質であり、流体浸透性であり得る。好ましい実施形態では、対向層は多孔質で流体浸透性であり、流体が対向する材料を通って拡散するのを可能にするのに十分な直径を有する細孔または孔を含む。別の好ましい実施形態では、対向層は、ゾルゲル溶液をベース補強材料に注入する前にベース層の補強材料に付着され、対向層は、多孔質であり、流体浸透性であり、流体が対向する材料を通って拡散することを可能にするのに十分大きい直径を有する細孔または孔を含む。さらに別の好ましい実施形態において、対向層は、ゾルゲル溶液を発泡補強材料に注入する前に連続気泡発泡補強材料に付着され、対向層は、多孔質で流体浸透性であり、流体が対向する材料を通って拡散することを可能にするのに十分な大きさの直径を有する細孔または孔を含む。
いくつかの実施形態では、複合構造、または複合構造を形成する強化エアロゲル複合体は、封入部材によってカプセル化されてもよい。例えば、封入部材は、複合材もしくは複合構造を取り囲む１つ以上の材料層および／または複合材もしくは複合構造を取り囲む材料のコーティングを含むことができる。例えば、封入部材は、フィルム、層、エンベロープまたはコーティングを含むことができる。封入部材は、複合構造、または複合構造を形成する強化エアロゲル複合体を封入するのに適した任意の材料で作ることができる。例えば、封入部材は、複合構造から放出されるダストまたは微粒子材料の発生を低減または排除することができる。
封入部材は、空気がパネルに出入りすることを可能にする少なくとも１つの通気口を含むことができる。封入部材は、粒子状物質を濾過する少なくとも１つのフィルタを含むことができる。例示的な実施形態では、封入部材は、空気がパネルに出入りすることを可能にする通気口と、封入部材内に粒子状物質を保持する通気口上の微粒子フィルタとを含む。別の実施形態では、封入部材は、少なくとも１つの通気口および少なくとも１つの微粒子フィルタを含むエッジシールを含む。さらなる実施形態では、封入部材は、少なくとも１つの通気口および少なくとも１つの微粒子フィルタを含むエッジシールを含み、エッジシール内の通気口は、空気が封入部材の縁部に出入りすることを可能にし、フィルタは、流動する空気の粒子状物質を捉えて保持し、封入部材の外側の空気が粒子状物質で汚染されるのを防ぐ。上記の態様のいくつかの実施形態では、熱制御部材または電池熱管理部材は複数の層を含むことができる。例えば、熱制御部材または電池熱管理部材は、熱伝導性材料の少なくとも１つの層、または熱伝導性材料を含む層を含むことができ、例えば、層は、金属、炭素、熱伝導性ポリマー、それらの組み合わせを含む。これらの実施形態の文脈で使用される場合、熱伝導性材料は、エアロゲル組成物の熱伝導率よりも大きい熱伝導率を有する材料を指す。特定の実施形態では、熱伝導性材料は、エアロゲル組成物の熱伝導率よりも少なくとも約１桁大きい熱伝導率を有する。いくつかの実施形態では、熱制御部材または電池熱管理部材はエアロゲル組成物の複数の層を含むことができる。特定の実施形態では、熱制御部材または電池熱管理部材は、エアロゲル組成物に隣接して配置された導電性材料の少なくとも１つの層を含むことができる。特定の実施形態では、熱制御部材または電池熱管理部材は、エアロゲル組成物の複数の層のうちの少なくとも２つの間に配置された導電性材料の少なくとも１つの層を含むことができる。いくつかの実施形態では、熱制御部材または電池熱管理部材は、熱制御部材または電池熱管理部材の層内、例えばエアロゲル組成物の層内に配置された導電性材料の粒子を含むことができる。
例示的な実施形態では、熱制御部材または電池熱管理部材は、熱キャパシタンス（すなわち、熱容量性材料）を提供する材料または材料層、例えば、少なくとも約０．３Ｊ／（ｇ－Ｃ）の比熱容量を有する材料を含むことができる。いくつかの実施形態では、熱キャパシタンスを備える材料は、少なくとも約０．５Ｊ／（ｇ－Ｃ）の比熱容量を有する。例えば、熱容量を提供する材料は、アルミニウム、チタン、ニッケル、鋼、鉄、またはそれらの組み合わせなどの金属を含むことができる。いくつかの実施形態では、熱制御部材または電池熱管理部材は、熱キャパシタンスを備える材料の層またはコーティングを含むことができる。いくつかの実施形態では、熱制御部材または電池熱管理部材は、熱制御部材または電池熱管理部材の層内、例えばエアロゲル組成物の層内に配置された熱キャパシタンスを付与する材料の粒子を含むことができる。特定の実施形態では、熱制御部材または電池熱管理部材は、エアロゲル組成物に隣接して配置された熱キャパシタンスを備える材料の少なくとも１つの層を含むことができる。特定の実施形態では、熱制御部材または電池熱管理部材は、エアロゲル組成物の複数の層のうちの少なくとも２つの間に配置された熱キャパシタンスを備える材料の少なくとも１つの層を含むことができる。例示的な実施形態では、熱制御部材または電池熱管理部材は、熱伝導性材料と熱容量性材料の両方を含むことができる。例えば、熱制御部材または電池熱管理部材は、熱キャパシタンスと熱伝導率の両方を備える材料、例えば、アルミニウム、チタン、ニッケル、鋼、鉄、またはそれらの組み合わせなどの金属を含むことができる。別の例では、熱制御部材または電池熱管理部材は、各々が熱キャパシタンス、熱伝導率、またはそれらの組み合わせのいずれかを備える１つ以上の異なる材料または材料の層、例えば、金属を含む層および熱伝導性ポリマーを含む層を含むことができる。
いくつかの実施形態では、熱制御部材または電池熱管理部材の層間にサーマルペーストを使用して、そのような層間の均一で一貫した熱伝導を確実にすることができる。本明細書で使用される場合、サーマルペーストは、サーマルコンパウンド、サーマルグリス、サーマルインターフェースマテリアル（ＴＩＭ）、サーマルゲル、ヒートペースト、ヒートシンクコンパウンド、およびヒートシンクペーストとしても知られる様々な材料を指す。例えば、熱ペーストの層は、エアロゲル組成物と、熱伝導性または熱容量性材料を含む１つまたは複数の層、１つまたは複数の対向層、または封入部材などの任意の他の層との間に配置することができる。
本明細書で説明するように、熱制御部材または電池熱管理部材または電池熱管理部材は、絶縁層、熱伝導層、熱容量層、熱反射層、圧縮性層、弾性層もしくはコンプライアント層、またはそれらの組み合わせなどの材料の複数の層を含むことができる。熱制御部材または電池熱管理部材の層の組み合わせは、特性、例えば、圧縮性、弾性、熱パフォーマンス、発火反応、および他の特性の所望の組み合わせを得るように選択することができる。いくつかの実施形態では、熱制御部材または電池熱管理部材は、熱保護材料、例えば、雲母、微孔質シリカ、セラミック繊維、鉱物ウール、エアロゲル組成物、および組み合わせからなる群から選択される材料の１つ以上の層の間に配置された少なくとも１つの弾性またはコンプライアント部材を含む。コンプライアントまたは弾性部材は、圧縮性材料、すなわち、圧縮に対する所望の抵抗を付与しながらその厚さを減少させるために圧縮することができる材料を含むことができる。例えば、コンプライアント部材は、ポリオレフィン、ポリウレタン、フェノール、メラミン、酢酸セルロース、またはポリスチレンなどの発泡体または他の圧縮性材料とすることができる。特定の実施形態では、熱制御または電池熱管理部材はまた、少なくとも１つのコンプライアントまたは弾性部材と強化エアロゲル組成物の複数の層のうちの少なくとも１つとの間に配置された熱伝導性材料または熱容量性材料の少なくとも１つの層を含むことができる。熱伝導性材料または熱容量性材料は、熱制御または電池熱管理部材内の熱を吸収および／または分散することができる。いくつかの実施形態では、熱制御部材または電池熱管理部材は、熱反射層をさらに含むことができる。例えば、熱反射層は、金属箔またはシートを含むことができる。
いくつかの層を含む熱制御部材または電池熱管理部材の実施形態では、層は、例えば、エアロゾル接着剤、ウレタン系接着剤、アクリレート接着剤、ホットメルト接着剤、エポキシ、ゴム樹脂接着剤、ポリウレタン複合接着剤、およびそれらの組み合わせからなるものから選択される接着機構によって、他の層に取り付けることができる。いくつかの実施形態では、層は、非接着機構、例えば、火炎接着、ニードリング、ステッチ、シーリングバッグ、リベット、ボタン、クランプ、ラップ、ブレース、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される機構によって取り付けることができる。いくつかの実施形態では、上述の接着機構および非接着機構のいずれかの組み合わせを使用して、層を取り付けることができる。
図５は、本明細書に開示の実施形態による例示的な熱制御部材または電池熱管理部材を示す。図６に示すように、例示的な熱制御部材または電池熱管理部材１０は、熱保護層１２、例えば強化エアロゲル組成物を含む。熱伝導性または熱容量性材料１４の層は、熱保護層１２に隣接して配置される。熱制御部材または電池熱管理部材１０は、実質的に平坦であり、第１の熱保護層１２の外面によって画定される第１の主要外面と、熱伝導性または熱容量性材料１４の層の外面によって画定される第２の主要外面とを有する。いくつかの実施形態では、熱制御部材または電池熱管理部材１０は、熱制御部材または電池熱管理部材の外面の全部または一部を取り囲む封入部材または層を含む。いくつかの実施形態では、熱保護層は、層の全部または一部を取り囲む封入部材または層によって取り囲まれ得る。
図７に示すように、例示的な熱制御部材または電池熱管理部材２０は、例えば強化エアロゲル組成物の層などの第１の熱保護層２２と、例えば強化エアロゲル組成物２３などの第２の熱保護層２３とを含む。熱伝導性または熱容量性材料１４の層が、第１の熱保護層２２と第２の熱保護層２３との間に配置される。熱制御部材または電池熱管理部材２０は、実質的に平坦であり、第１の熱保護層２２の外面によって画定される第１の主要な外面と、第２の熱保護層２３の外面によって画定される第２の主要な外面とを有する。いくつかの実施形態では、熱制御部材または電池熱管理部材１０は、熱制御部材または電池熱管理部材の外面の全部または一部を取り囲む封入部材または層を含む。いくつかの実施形態では、熱保護層は、層の全部または一部を取り囲む封入部材または層によって取り囲まれ得る。
図８に示すように、例示的な熱制御部材または電池熱管理部材３０は、例えば強化エアロゲル組成物の層である第１の熱保護層３２と、例えば強化エアロゲル組成物の層である第２の熱保護層３３とを含む。熱制御部材または電池熱管理部材３０は、実質的に平坦であり、第１の熱保護層３２の外面によって画定される第１の主要な外面と、第２の熱保護層３３の外面によって画定される第２の主要な外面とを有する。コンプライアント材料３４の層が、第１の熱保護層と第２の熱保護層との間に配置される。熱伝導性または熱容量性材料の第１の層３６は、第１の熱保護層３２とコンプライアント材料３４の層との間に配置される。熱伝導性または熱容量性材料３７の第２の層は、第２の熱保護層３３とコンプライアント材料３４の層との間に配置される。いくつかの実施形態では、熱制御部材または電池熱管理部材３０は、熱制御部材または電池熱管理部材の外面の全部または一部を取り囲む封入部材または層を含む。いくつかの実施形態では、各熱保護層は、層の全部または一部を取り囲む封入部材または層によって取り囲まれ得る。
図９に示すように、例示的な熱制御部材または電池熱管理部材４０は、例えば強化エアロゲル組成物の層である第１の熱保護層４２と、例えば強化エアロゲル組成物の層である第２の熱保護層４３とを含む。熱制御部材または電池熱管理部材４０は、実質的に平坦であり、第１の熱保護層４２の外面によって画定される第１の主要な外面と、第２の熱保護層４３の外面によって画定される第２の主要な外面とを有する。コンプライアント材料４４の層が、第１の熱保護層と第２の熱保護層との間に配置される。熱伝導性または熱容量性材料の第１の層４６は、４２の第１の熱保護層の主要な外面に配置される。熱伝導性または熱容量性材料の第２の層４７は、第２の熱保護層４３の主要な外面に配置される。いくつかの実施形態では、熱制御部材または電池熱管理部材４０は、熱制御部材または電池熱管理部材の外面の全部または一部を取り囲む封入部材または層を含む。いくつかの実施形態では、各熱保護層は、層の全部または一部を取り囲む封入部材または層によって取り囲まれ得る。
図１０に示すように、例示的な熱制御部材または電池熱管理部材５０は、第１の熱保護層５２および少なくとも１つの弾性層５４を含む。いくつかの実施形態では、熱保護層５２は、弾性層５４に隣接して配置される。いくつかの実施形態では、熱保護層５２は、少なくとも１つの弾性層５４と接触して配置される。例えば、熱保護層５２は、本明細書でより詳細に開示されるように、弾性層５４に接合または接着することができる。いくつかの実施形態では、熱制御部材または電池熱管理部材５０は、電池熱管理部材の外面の全部または一部を取り囲む封入部材または層を含む。いくつかの実施形態では、各熱保護層は、熱保護層の全部または一部を取り囲む封入部材または層によって取り囲まれ得る。
図１１に示すように、熱制御部材または例示的な電池熱管理部材６０は、第１の熱保護層６２と、少なくとも１つの弾性層６４と、第２の熱保護層６６とを含む。そのような実施形態では、第１の熱保護層および第２の熱保護層は、少なくとも１つの弾性層の両側に配置されることができる。いくつかの実施形態では、熱保護層６２、６４の少なくとも一方を弾性層６４に隣接して配置することができる。いくつかの実施形態では、熱保護層６２、６４の両方を、弾性層６４に隣接して配置することができる。いくつかの実施形態では、熱保護層６２、６４の少なくとも一方を少なくとも１つの弾性層６４に接触させて配置することができる。いくつかの実施形態では、熱保護層６２、６４の両方を、少なくとも１つの弾性層６４に接触させて配置することができる。例えば、熱保護層６２は、本明細書でより詳細に開示されるように、弾性層５４に接合または接着することができる。いくつかの実施形態では、熱制御部材または電池熱管理部材５０は、熱制御部材または電池熱管理部材の外面の全部または一部を取り囲む封入部材または層を含む。いくつかの実施形態では、各熱保護層は、熱保護層の全部または一部を取り囲む封入部材または層によって取り囲まれ得る。
例示的な実施形態では、圧縮性材料は、シロキサン、ポリオレフィン、ポリウレタン、フェノール、メラミン、酢酸セルロース、およびポリスチレンからなる群から選択される材料を含む。例示的な実施形態では、熱保護層は、雲母、微孔質シリカ、セラミック繊維、鉱物ウール、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される材料を含む。例えば、第１および第２の熱保護層の少なくとも一方は、雲母、微孔質シリカ、セラミック繊維、鉱物ウール、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される材料を含むことができる。別の例では、第１および第２の熱保護層の両方は、雲母、微孔質シリカ、セラミック繊維、鉱物ウール、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される材料を含むことができる。
いくつかの実施形態では、熱保護層はエアロゲル組成物を含む。例えば、第１および第２の熱保護層の少なくとも一方は、エアロゲル組成物を含むことができる。別の例では、第１および第２の熱保護層の両方がエアロゲル組成物を含むことができる。エアロゲル組成物のエアロゲルは、無機、有機または無機／有機ハイブリッド材料を含むことができる。例示的な実施形態において、エアロゲル組成物は、シリカエアロゲル組成物である。エアロゲル組成物は、補強材料を含むことができる。例えば、補強材料は、エアロゲル組成物に存在する。いくつかの実施形態では、補強材料は繊維を含む。例えば、繊維は、ディスクリート繊維、織布材料、不織布材料、ニードル不織布、バッティング、ウェブ、マット、フェルト、およびそれらの組み合わせからなる群から選択することができる。
本明細書に開示される実施形態のいずれかでは、熱保護層は、弾性または圧縮性層の少なくとも表面を弾性または圧縮性層の圧縮性材料の分解温度以下に維持するのに十分な熱伝導率を有することができる。例えば、圧縮性材料は、高温で分解する１つ以上の有機材料を含むことができる。そのような実施形態では、熱保護層（複数可）は、弾性または圧縮性層の少なくとも表面を有機材料の少なくとも１つの分解温度以下に維持することができる。いくつかの実施形態では、弾性または圧縮性層の化学分解の温度は、約２００°Ｃを超える。いくつかの実施形態では、弾性または圧縮性層の化学分解の温度は、約２４０°Ｃを超える。いくつかの実施形態では、弾性または圧縮性層の化学分解の温度は、約２８０°Ｃを超える。いくつかの実施形態では、弾性または圧縮性層の化学分解の温度は、約２００°Ｃから約３００°Ｃの範囲である。いくつかの実施形態では、弾性または圧縮性層の化学分解の温度は、約３００°Ｃを超える。いくつかの実施形態では、弾性または圧縮性層の化学分解の温度は、約３５０°Ｃを超える。いくつかの実施形態では、弾性または圧縮性層の化学分解の温度は、約３００°Ｃから約４００°Ｃの範囲である。
多層ゲルまたはエアロゲル組成物の製造は、以下のステップ、ａ）積層補強シートを製造するために、流体浸透性の対向層を補強材料のシートに付着させるステップであって、対向層は、流体が対向する材料を通って拡散することを可能にするのに十分な大きさの直径を有する細孔または孔を含む、付着させるステップ、ｂ）ゲル前駆体溶液を対向層を介して補強シートに注入するステップ、およびｃ）ゲル前駆体材料を、ゲル骨格を含むゲル材料に移行させるステップを含むことができる。ゲル前駆体溶液の一部は、ベース層の補強材料中のゲル骨格が対向層の少なくとも一部に延びるように、対向層の細孔または孔内に保持される可能性が高い。得られた生成物は、ａ）補強材料と、補強材料内に一体化されたゲル骨格とを含む少なくとも１つのベース層、およびｂ）流体浸透性の対向する材料と、流体浸透性の対向する材料内に一体化されたゲル骨格とを含む少なくとも１つの対向層を含み、ベース層のゲル骨格の少なくとも一部が、対向層のゲル骨格の少なくとも一部の中に延び、連続している、多層ゲル組成物である。
多層エアロゲル組成物の大規模製造は、コンベアベースのシステムを含むことができ、製造は以下のステップ、ａ）少なくとも１つの流体浸透性対向層を補強材料のシートに付着させて積層補強シートを製造するステップであって、対向層は、流体が貫通して拡散するのを可能にするのに十分大きい直径を有する細孔または孔を含む、製造するステップ、ｂ）連続した強化ゲルシート積層体を製造するために、コンベアの一端でゲル前駆体溶液を積層補強シートと組み合わせるステップを含むことができ、ゲル前駆体溶液の少なくとも一部は、対向層を介して補強シートに注入され、ゲル前駆体溶液は、積層補強シートと、ゲル前駆体溶液が対向層を通過して補強シートに浸透する速度で組み合わされる。好ましい実施形態では、補強材料は、連続気泡発泡補強材料を含む。
補強された積層ゲルシートは、複数の層（好ましくは均一な張力を有するマンドレルの周り）に巻き付けられ、その後の化学処理、熟成および乾燥ステップで処理され得る。ゲル材料の熟成または乾燥を容易にするために、例えば、熟成剤または乾燥材料のための流路を設けるために、追加のセパレータ層をゲルシート層の間に共巻きすることができる。好ましい実施形態では、対向層は、ゲル材料の熟成および乾燥のために追加のセパレータ層が必要とされないように、エージング剤または乾燥材料のための流路を設ける。
多層エアロゲル組成物の大規模製造は、一般にゲルインロールプロセスと呼ばれる半連続バッチベースのプロセスを含むことができ、製造は以下のステップ、ａ）流体浸透性対向層を補強材料のシートに付着させるステップであって、対向層は、流体が貫通して拡散するのを可能にするのに十分大きい直径を有する細孔または孔を含む、付着させるステップ、ｂ）積層補強材料をプリフォームロールとして複数の層に圧延するステップ、およびｃ）ゲル前駆体溶液をプリフォームの役割と組み合わせるステップを含む。追加のセパレータ層は、ゲル前駆体溶液、熟成剤、および乾燥材料のための流路を設けるために、プリフォームロール内で補強材料と共圧延されてもよい。好ましい実施形態では、対向層は、追加のセパレータ層が必要とされないように、ゲル前駆体溶液、熟成剤、および乾燥材料のための流路を設ける。好ましい実施形態では、補強材料は、連続気泡発泡補強材料を含む。
本開示の実施形態によるエアロゲル組成物は、様々な最終製品に形成することができる。最も単純な構成では、強化エアロゲル組成物はシートの形態であり得る。シートは、連続的または半連続的に、例えば圧延された製品として形成することができ、または所望のサイズおよび形状のシートを切断するか、あるいはより大きなシートから形成することができる。シート材料は、電池セル間に熱障壁を形成するために使用することができる。他の構成では、強化エアロゲル組成物は、例えば電池のパウチセルを収容するためのパウチに、または円筒形の電池セルを収容するための円筒に形成することができる。
本開示のエアロゲル複合材は、パネル、パイププリフォーム、ハーフシェルプリフォーム、エルボ、継手、パウチ、シリンダ、および工業用途および商業用途への断熱材料の適用に通常必要とされる他の形状を含む、様々な三次元形状に成形することができる。一実施形態では、補強材料は、ゲル前駆体材料が注入される前に所望の形状に形成される。ゲル材料は、プリフォームがその形状を維持することを可能にするように加工され、したがって所望の形状の強化エアロゲルのプリフォームが得られる。成形されたエアロゲルプリフォームを形成するこの技術は、様々な形状および構成のゲル材料を処理するのに必要な困難に起因し、困難で非効率的であり得る。
本開示の例示的な実施形態では、エアロゲルは、少なくとも１つの疎水性基を含むゲル前駆体またはゲル前駆体の組み合わせから形成することができる。そのようなエアロゲル、例えばシリカ系エアロゲルなどの無機エアロゲルは、疎水性結合ケイ素を含むことができる。例えば、エアロゲル中の疎水性結合ケイ素の供給源は、１つ以上の疎水性前駆体材料であり得る。本開示の実施形態では、そのような前駆体から形成されたエアロゲルは疎水性であり得る。いくつかの実施形態では、そのような前駆体から形成されたエアロゲルは、本質的に疎水性であり得る。
本開示の文脈で、「本質的に疎水性」という用語は、疎水化剤による修飾なしに疎水性を有する材料を指す。例えば、エアロゲルは、疎水性を付与または改善するために処理することができる。疎水性処理は、ゾル－ゲル溶液、液相抽出前の湿潤ゲル、または液相抽出後のエアロゲルに適用することができる。疎水化処理は、シリカゲルの骨格に存在するシラノール基（Ｓｉ－ＯＨ）などのゲル上のヒドロキシ部分と、疎水化剤の官能基とを反応させることにより、行われ得る。得られた反応は、シラノール基および疎水化剤を、シリカゲルの骨格の疎水性基に変換する。疎水化剤化合物は、以下の反応、つまりＲＮＭＸ４－Ｎ（疎水化剤）＋ＭＯＨ（シラノール）→ＭＯＭＲＮ（疎水性基）＋ＨＸにより、ゲルのヒドロキシル基と反応することができる。疎水性処理は、シリカゲルの外側のマクロ表面およびゲルの多孔質ネットワーク内の内孔表面の両方で行うことができる。公開された米国特許出願公開第２０１６／００９６９４９号明細書（［００４４］から［００４８］段落）は、疎水性処理を教示し、個々に引用された段落に従って参照により本明細書に組み込まれる。しかしながら、上述のように、本開示の実施形態によるエアロゲルは、疎水性処理なしで、例えば疎水化剤による処理なしで疎水性である。
エアロゲルの製造は、一般に、以下のステップ、ｉ）ゾル－ゲル溶液の形成、ｉｉ）ゾル－ゲル溶液からのゲルの形成、およびｉｉｉ）革新的な処理および抽出によってゲル材料から溶媒を抽出して、乾燥エアロゲル材料を得ることを含む。この方法は、特にシリカエアロゲルなどの無機エアロゲルの形成に関連して、以下により詳細に説明される。しかしながら、本明細書で提示されている特定の例および例示は、本開示を任意の特定の種類のエアロゲルおよび／または調製方法に限定することを意図するものではない。本開示は、特に明記しない限り、当業者に公知の任意の関連する調製方法によって形成された任意のエアロゲルを含むことができる。
無機エアロゲルを形成する第１のステップは、一般に、これに限定されないが、アルコール系溶媒中の金属アルコキシド前駆体などのシリカ前駆体の加水分解および縮合によるゾル－ゲル溶液の形成である。無機エアロゲルの形成における主な変数には、ゾル－ゲル溶液に含まれるアルコキシド前駆体の種類、溶媒の性質、ゾル－ゲル溶液の処理温度およびｐＨ（酸または塩基の添加によって変化し得る）、ならびにゾル－ゲル溶液内の前駆体／溶媒／水の比が含まれる。ゾル－ゲル溶液を形成する際のこれらの変数の制御は、ゲル材料のその後の「ゾル」状態から「ゲル」状態への移行中のゲル骨格の成長および凝集の制御を可能にすることができる。得られたエアロゲルの特性は、前駆体溶液のｐＨおよび反応物のモル比によって影響を受けるが、ゲルの形成を可能にする任意のｐＨおよび任意のモル比を本開示で使用することができる。
ゾルゲル溶液は、少なくとも１つのゲル化前駆体を溶媒と組み合わせることによって形成される。ゾルゲル溶液の形成に使用するのに適した溶媒には、１から６個の炭素原子、特に２から４個の低級アルコールが含まれるが、当業者に公知の他の溶媒を使用することができる。有用な溶媒の例としては、メタノール、エタノール、イソプロパノール、酢酸エチル、アセト酢酸エチル、アセトン、ジクロロメタン、テトラヒドロフランなどが挙げられるが、これらに限定されない。所望のレベルの分散を達成するために、またはゲル材料の特性を最適化するために、複数の溶媒を組み合わせることもできる。したがって、ゾル－ゲル形成ステップおよびゲル形成ステップのための最適な溶媒の選択は、ゾル－ゲル溶液に組み込まれる特定の前駆体、充填剤および添加剤、ならびにゲル化および液体の抽出のための目標処理条件、ならびに最終エアロゲル材料の所望の特性による。
前駆体－溶媒溶液に水がまた存在し得る。水は、金属アルコキシド前駆体を金属水酸化物前駆体に加水分解するように作用する。加水分解反応は、（例としてエタノール溶媒中のＴＥＯＳを使用して）：Ｓｉ（ＯＣ２Ｈ５）４＋４Ｈ２Ｏ→Ｓｉ（ＯＨ）４＋４（Ｃ２Ｈ５ＯＨ）であり得る。得られた加水分解された金属水酸化物前駆体は、個々の分子として、または分子の小さな重合（またはオリゴマー化）コロイドクラスタとして、「ゾル」状態で溶媒溶液に懸濁したままである。例えば、Ｓｉ（ＯＨ）４前駆体の重合／縮合は、以下の２Ｓｉ（ＯＨ）４＝（ＯＨ）３Ｓｉ－Ｏ－Ｓｉ（ＯＨ）３＋Ｈ２Ｏのように起こり得る。この重合は、重合（またはオリゴマー化）ＳｉＯ２（シリカ）分子のコロイドクラスタが形成されるまで継続することができる。
酸および塩基をゾルゲル溶液に組み込んで、溶液のｐＨを制御し、前駆体材料の加水分解および縮合反応を触媒することができる。前駆体反応を触媒し、より低いｐＨの溶液を得るために任意の酸を使用することができるが、例示的な酸としては、ＨＣｌ、Ｈ２ＳＯ４、Ｈ３ＰＯ４、シュウ酸および酢酸が挙げられる。任意の塩基を同様に使用して前駆体反応を触媒し、より高いｐＨの溶液を得ることができ、例示的な塩基はＮＨ４ＯＨを含む。
強塩基を使用して前駆体反応を触媒し、より高いｐＨの溶液を得ることができる。前駆体反応を触媒するために強塩基を使用することにより、疎水性無機前駆体材料、例えばＭＴＥＳまたはＤＭＤＥＳの含有量を、弱塩基、例えばＮＨ４ＯＨを含む塩基を使用して可能となるよりも顕著に高くすることができる。本開示の文脈で、「強塩基」という用語は、無機塩基と有機塩基の両方を指す。例えば、本明細書の実施形態による強塩基は、リチウム、カルシウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、バリウム、ストロンチウムおよびグアニジニウムからなる群から選択されるカチオンを含む。別の例では、前駆体反応を触媒するために使用される塩基性触媒は、触媒量の水酸化ナトリウム、水酸化リチウム、水酸化カルシウム、水酸化カリウム、水酸化ストロンチウム、水酸化バリウム、水酸化グアニジン、水酸化ナトリウム、水酸化テトラブチルアンモニウム、水酸化テトラメチルアンモニウム、水酸化コリン、水酸化ホスホニウム、ＤＡＢＣＯ、ＤＢＵ、グアニジン誘導体、アミジン、またはホスファゼンを含み得る。
ゾル－ゲル溶液は、さらなる共ゲル化前駆体、ならびに充填剤材料および他の添加剤を含むことができる。充填剤材料および他の添加剤は、ゲルの形成前または形成中の任意の時点でゾル－ゲル溶液中に分注されてもよい。充填剤材料および他の添加剤はまた、当業者に公知の様々な技術によってゲル化後にゲル材料に組み込まれてもよい。特定の実施形態では、ゲル化前駆体、溶媒、触媒、水、充填剤材料、および他の添加剤を含むゾル－ゲル溶液は、適切な条件下で効果的なゲルの形成が可能な均質な溶液である。
ゾル－ゲル溶液が形成され、最適化されると、ゾル－ゲル中のゲル形成成分をゲル材料に移行させることができる。ゲル形成成分をゲル材料に移行させるプロセスは、ゲルがゲル材料のゲル化点まで固化する初期ゲル形成ステップを含む。ゲル材料のゲル化点は、ゲル化溶液が流動抵抗を示し、および／またはその体積部全体にわたって実質的に連続したポリマー骨格を形成する点と見なすことができる。様々なゲル形成技術が当業者に知られている。例としては、それだけに限らないが、混合物を十分な期間にわたって静止状態に維持すること、溶液のｐＨの調整、溶液の温度の調節、エネルギーの形態を混合物に向けること（紫外線、可視光、赤外線、マイクロ波、超音波、粒子放射、電磁）、またはそれらの組み合わせが挙げられる。
ゲル形成成分（ゲル前駆体）をゲル材料に移行するプロセスはまた、液体抽出またはゲルからの溶媒の除去（ゲルの乾燥とも呼ばれる）の前に、熟成ステップ（硬化とも呼ばれる）を含み得る。ゲル化点に達した後にゲル材料を熟成させると、ネットワーク内の架橋の数を増加させることによって、ゲル骨格をさらに強化することができる。ゲル熟成の持続時間を調整して、得られるエアロゲル材料内の様々な特性を制御することができる。この熟成処理は、液体抽出中の潜在的な体積損失および収縮を防止するのに有用であり得る。熟成は、ゲルを（抽出前に）長期間静止状態に維持すること、ゲルを高温に維持すること、架橋促進化合物を添加すること、またはそれらの任意の組み合わせを含み得る。熟成のための好ましい温度は、典型的には約１０°Ｃから約１００°Ｃであるが、他の適切な温度も本明細書で企図される。ゲル材料の熟成は、典型的には、湿潤ゲル材料の液体抽出まで続く。
ゲル形成材料（ゲル前駆体）をゲル材料に移行させるための時間は、（ゲル化の開始からゲル化点までの）最初のゲル形成の持続時間、ならびに（ゲルの乾燥とも呼ばれる）液体の抽出またはゲルからの溶媒の除去の前の（ゲルの時点から液体の抽出／溶媒の除去の開始までの）ゲル材料のその後の硬化および熟成の持続時間の両方を含む。ゲル形成材料をゲル材料に転移させるための総時間は、典型的には約１分から数日の間、典型的には約３０時間以下、約２４時間以下、約１５時間以下、約１０時間以下、約６時間以下、約４時間以下、約２時間以下、好ましくは約１時間以下、約３０分以下、約１５分以下、または約１０分以下である。
別の実施形態では、得られたゲル材料を適切な二次溶媒で洗浄して、湿潤ゲル中に存在する一次反応溶媒を置き換えることができる。このような二級溶媒は、１個以上の脂肪族炭素原子を有する直鎖一価アルコール、２個以上の炭素原子を有する二価アルコール、分岐アルコール、環状アルコール、脂環式アルコール、芳香族アルコール、多価アルコール、エーテル、ケトン、環状エーテルまたはそれらの誘導体であり得る。別の実施形態において、得られたゲル材料は、ゲル材料内に存在するさらなる量の同じ溶媒で洗浄されてもよく、とりわけ、ゲル材料中のいずれかの望ましくない副生成物または他の沈殿物を除去してもよい。
ゲル材料が形成され、処理されると、ゲルの液体は、次いで、エアロゲル材料を形成するために、革新的な処理および抽出技術を含む抽出方法を使用して、湿潤ゲルから少なくとも部分的に抽出され得る。液体の抽出は、他の要因の中でも、多孔性および密度などのエアロゲルの特性、ならびに熱伝導率などの関連する特性を操作する上で重要な役割を果たす。一般に、エアロゲルは、湿潤ゲルの多孔質ネットワークおよび骨格に低い収縮を引き起こす方法で液体をゲルから抽出すると得られる。この液体の抽出は、とりわけ、溶媒除去または乾燥とも呼ばれ得る。
シリカエアロゲルを形成する代替方法の一例は、水ガラスとしても知られるケイ酸ナトリウムなどの金属酸化物塩を使用する。最初に、ケイ酸ナトリウムを水および酸と混合してケイ酸前駆体溶液を形成することによって水ガラス溶液を製造する。塩副生成物は、イオン交換、界面活性剤分離、膜濾過、または他の化学的または物理的分離技術によってケイ酸前駆体から除去され得る。次いで、得られたゾルを、塩基触媒の添加などによってゲル化させて、ヒドロゲルを生成することができる。ヒドロゲルを洗浄して、いずれかの残留塩または反応物を除去することができる。次いで、ゲルの細孔から水を除去することは、エタノール、メタノール、またはアセトンなどの極性有機溶媒との交換によって行うことができる。次いで、ゲル中の液体は、革新的な処理および抽出技術を使用して、少なくとも部分的に抽出される。
エアロゲルは、一般に、液体移動相の臨界点付近またはそれを超える温度および圧力で、ゲル材料から液体移動相を除去することによって、形成される。臨界点に達する（臨界付近、すなわちシステムの圧力および温度は、それぞれ臨界圧力および臨界温度以上である）か、または臨界を超える（超臨界）と、液相または気相とは異なる新しい超臨界相が流体に現れる。次いで、液体－蒸気界面、毛細管圧、または典型的に液体－蒸気境界に関連している任意の関連する物質移動の制限を導入することなく、溶媒を除去することができる。さらに、超臨界相は一般に有機溶媒とより混和性であり、したがってより良好な抽出能力を有する。共溶媒および溶媒交換もまた、超臨界流体乾燥プロセスを最適化するために一般的に使用される。
蒸発または抽出が臨界点より十分に低い場合、液体の蒸発によって生じる毛管力は、ゲル材料内で収縮および細孔の崩壊を引き起こす可能性がある。溶媒抽出プロセス中に移動相を臨界圧力および臨界温度付近またはそれを超えて維持することにより、そのような毛管力の悪影響が低減される。本開示の特定の実施形態では、溶媒系の臨界点のすぐ下の臨界に近い条件の使用は、十分に低い収縮のエアロゲル材料または組成物の製造を可能にし、したがって商業的に実行可能な最終製品を製造することができる。
エアロゲルの乾燥における超臨界流体の使用における様々なアプローチを含む、いくつかの追加のエアロゲル抽出技術が、当技術分野で知られている。例えば、Ｋｉｓｔｌｅｒ（Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．（１９３２）３６：５２－６４）は、ゲル溶媒がその臨界圧力および臨界温度を超えて維持され、それによって蒸発毛細管力を減少させて、ゲルネットワークの構造的完全性を維持する単純な超臨界抽出プロセスを記載している。米国特許第４，６１０，８６３号明細書は、ゲル溶媒を液体二酸化炭素と交換し、続いて二酸化炭素が超臨界状態にある条件で抽出する抽出プロセスを記載している。米国特許第６６７０４０２号明細書は、実質的に超臨界状態以上に予熱および予備加圧された抽出器に超臨界（液体ではなく）二酸化炭素を注入し、それによってエアロゲルを生成することによって、迅速な溶媒交換を介してゲルから液体を抽出することを教示している。米国特許第５９６２５３９号明細書には、有機溶媒をポリマー分解温度未満の臨界温度を有する流体と交換し、超臨界二酸化炭素、超臨界エタノール、または超臨界ヘキサンなどの超臨界流体を使用して流体／ゾル－ゲルを抽出することによって、有機溶媒中でゾル－ゲルの形態であるポリマー材料からエアロゲルを得る方法が記載されている。米国特許第６３１５９７１号明細書は、ゲル固体および乾燥剤を含む湿潤ゲルを乾燥させて、乾燥中のゲルの収縮を減少させるのに十分な乾燥条件下で乾燥剤を除去することを含むゲル組成物の製造方法を開示している。米国特許第５４２０１６８号明細書には、レゾルシノール／ホルムアルデヒドエアロゲルを単純な風乾手順を用いて製造することができる方法が記載されている。米国特許第５５６５１４２号明細書は、周囲の乾燥または亜臨界抽出中にゲル骨格および細孔が崩壊に耐えることができるように、ゲル表面をより強くかつより疎水性になるように修飾する乾燥技術を記載している。エアロゲル材料から液体を抽出する他の例は、米国特許第５２７５７９６号明細書および第５３９５８０５号明細書にて見出され得る。米国特許出願公開第２０１９／０１６１９０９号明細書は、高密度エアロゲルを製造するためにアルコキシシランおよび水ガラスを使用する方法の例を提示している。
湿潤ゲルから液体を抽出する一実施形態は、例えば、最初にゲルの細孔ネットワーク中に存在する一次溶媒を液体二酸化炭素と実質的に交換することを含む、二酸化炭素などの超臨界流体を使用する。次いで、湿潤ゲル（典型的にはオートクレーブ内）を二酸化炭素の臨界温度（約３１．０６°Ｃ）を超えて加熱して、系の圧力を二酸化炭素の臨界圧力（約１０７０ｐｓｉｇ）より高い圧力まで上昇させることを含む。ゲル材料の周囲の圧力をわずかに変動させて、ゲルからの液体の除去を容易にすることができる。湿潤ゲルからの一次溶媒の連続的な除去を容易にするために、抽出システムを通して二酸化炭素を再循環させることができる。最後に、温度および圧力を周囲条件にゆっくり戻して、乾燥エアロゲル材料を製造する。二酸化炭素は、抽出チャンバに注入される前に超臨界状態に前処理することもできる。
エアロゲルを形成する別の方法の別の例は、表面ヒドロキシル基の疎水性トリメチルシリルエーテルへの変換を介した湿潤ゲル状態のマトリックス材料の化学修飾によって、溶媒／細孔界面での損傷を与える毛細管圧力を減少させ、それによって溶媒の臨界点未満の温度および圧力でゲル材料からの液体抽出を可能にすることを含む。
さらに別の実施形態では、ゲル材料中の液体（溶媒）をより低い温度で凍結させ、続いて溶媒をゲル材料から除去する昇華プロセスを行ってもよい。ゲル材料からの溶媒のそのような除去または乾燥は、本開示の範囲内であると理解される。このような除去は、ゲル構造を大きく保存し、したがって、固有の特性を有するエアロゲルを生成する。
エアロゲル材料または組成物の大規模製造は、大規模でのゲル材料の連続的な形成に関連する困難によって複雑になり得る。さらに、革新的な処理および抽出技術を使用した大量のゲル材料からの液体抽出に関連する困難がある。特定の実施形態では、本開示のエアロゲル材料または組成物は、大規模生産に対応している。特定の実施形態では、本開示のゲル材料は、連続鋳造およびゲル化プロセスによって大規模に製造することができる。特定の実施形態では、本開示のエアロゲル材料または組成物は大規模に製造され、大規模な抽出容器の使用を必要とする。本開示の大規模抽出容器は、約０．１ｍ３以上、約０．２５ｍ３以上、約０．５ｍ３以上、または約０．７５ｍ３以上の容積を有する抽出容器を含むことができる。
本開示のエアロゲル組成物は、１５ｍｍ以下、１０ｍｍ以下、５ｍｍ以下、４ｍｍ以下、３ｍｍ以下、２ｍｍ以下、１ｍｍ以下、０．５ｍｍ以下、０．３ｍｍ以下の厚さ、または上述の厚さの任意の組み合わせの間の厚さの範囲を有することができる。
エアロゲル組成物は、より柔軟で弾力的で適合性のある複合製品を達成するために、様々な補強材料で補強されてもよい。ゲル化プロセスの任意の時点で補強材料をゲルに添加して、湿潤強化ゲル組成物を製造することができる。次いで、湿潤ゲル組成物を乾燥させて強化エアロゲル組成物を製造することができる。
エアロゲル組成物は、より柔軟で、弾力性があり、適合性のある複合製品を達成するために、様々な連続気泡マクロ多孔質骨格補強材料でＯＣＭＦ強化をされてもよい。ゲル化前のゲル化プロセスの任意の時点でＯＣＭＦ補強材料をゲルに添加して、湿潤強化ゲル組成物を生成することができる。次いで、湿潤ゲル組成物を乾燥させて、ＯＣＭＦ強化エアロゲル組成物を製造することができる。ＯＣＭＦ補強材料は、メラミンまたはメラミン誘導体などの有機ポリマー材料から形成することができ、連続シートまたはパネルの形態で存在する。
メラミンＯＣＭＦ材料は、メラミン－ホルムアルデヒド予備縮合溶液から製造することができる。メラミン－ホルムアルデヒド縮合物の水溶液は、メラミン－ホルムアルデヒド予備縮合物に、溶媒、乳化剤／分散剤、酸等の硬化剤、Ｃ５からＣ７炭化水素などの発泡剤を組み合わせて製造される。次いで、メラミン－ホルムアルデヒド溶液または樹脂を発泡剤の沸点を超える高温で硬化させて、多数の相互接続された三次元分岐メラミン構造を含み、相互接続された細孔の対応するネットワークが骨格内に組み込まれたＯＣＭＦを製造する。メラミン－ホルムアルデヒド予備縮合物は、一般に、５：１から１．３：１の範囲、典型的には３．５：１から１．５：１の範囲のホルムアルデヒド対メラミンのモル比を有する。予備縮合物は、粉末、スプレー、樹脂、または溶液の形態であり得る。メラミン－ホルムアルデヒド予備縮合溶液に含まれる溶媒は、メタノール、エタノールまたはブタノールなどのアルコールを含むことができる。
メラミン－ホルムアルデヒド予備縮合溶液に含まれる乳化剤／分散剤は、アニオン性界面活性剤、カチオン性乳化剤、または非イオン性界面活性剤を含むことができる。有用なアニオン性界面活性剤には、ジフェニレンオキシドスルホネート、アルカン－およびアルキルベンゼンスルホネート、アルキルナフタレンスルホネート、オレフィンスルホネート、アルキルエーテルスルホネート、脂肪アルコール硫酸塩、エーテル硫酸塩、α－スルホ脂肪酸エステル、アシルアミノアルカンスルホネート、アシルイセチオネート、アルキルエーテルカルボキシレート、Ｎ－アシルサルコシネート、アルキル、およびアルキルエーテルホスフェートが含まれるが、これらに限定されない。有用なカチオン性乳化剤には、アルキルトリアンモニウム塩、アルキルベンジルジメチルアンモニウム塩、またはアルキルピリジニウム塩が含まれるが、これらに限定されない。有用な非イオン性界面活性剤には、アルキルフェノールポリグリコールエーテル、脂肪アルコールポリグリコールエーテル、脂肪酸ポリグリコールエーテル、脂肪酸アルカノールアミド、エチレンオキシド－プロピレンオキシドブロックコポリマー、アミンオキシド、グリセロール脂肪酸エステル、ソルビタンエステル、およびアルキルポリグリコシドが含まれるが、これらに限定されない。乳化剤／分散剤は、メラミン－ホルムアルデヒド予備縮合物に対して０．２％から５重量％の量で添加することができる。
メラミン－ホルムアルデヒド予備縮合溶液に含まれる硬化剤は、酸性化合物を含むことができる。これらの硬化剤の量は、すべてメラミン－ホルムアルデヒド前縮合物に基づいて、一般に０．０１％から２０重量％の範囲であり、典型的には０．０５％から５重量％の範囲である。有用な酸性化合物としては、有機酸および無機酸、例えば塩酸、硫酸、リン酸、硝酸、ギ酸、酢酸、シュウ酸、トルエンスルホン酸、アミドスルホン酸、酸無水物およびそれらの混合物からなる群から選択されるものが挙げられるが、これらに限定されない。
メラミン－ホルムアルデヒド予備縮合溶液に含まれる発泡剤は、物理発泡剤または化学発泡剤を含むことができる。有用な物理的発泡剤としては、炭化水素、例えばペンタンおよびヘキサン、ハロゲン化炭化水素、より具体的には塩素化および／またはフッ素化炭化水素、例えば塩化メチレン、クロロホルム、トリクロロエタン、クロロフルオロカーボン、およびヒドロクロロフルオロカーボン（ＨＣＦＣ）、アルコール、例えばメタノール、エタノール、ｎ－プロパノールまたはイソプロパノール、エーテル、ケトンおよびエステル、例えばギ酸メチル、ギ酸エチル、酢酸メチルまたは酢酸エチル、および空気、窒素または二酸化炭素などの気体が挙げられるが、これらに限定されない。特定の実施形態では、０°Ｃから８０°Ｃの沸点を有する物理発泡剤を添加するのが好ましい。有用な化学発泡剤としては、限定されないが、水と混合されたイソシアネート（活性発泡剤として二酸化炭素を放出する）、酸と混合した炭酸塩および／または重炭酸塩（活性発泡剤として二酸化炭素を放出する）、およびアゾ化合物、例えばアゾジカルボンアミドが挙げられる。発泡剤は、メラミン－ホルムアルデヒド予備縮合物に基づいて、０．５％から６０重量％、特に１％から４０重量％、特定の実施形態では１．５％から３０重量％の量でメラミン－ホルムアルデヒド予備縮合溶液中に存在する。
メラミン－ホルムアルデヒド予備縮合溶液は、使用される発泡剤の沸点を概して超える温度に溶液を加熱することによってメラミンＯＣＭＦ材料に形成することができ、それによって多数の相互接続された三次元分岐メラミン構造を含むＯＣＭＦを形成し、相互接続された連続気泡細孔の対応するネットワークが骨格内に組み込まれる。熱エネルギーの導入は、電磁放射を介して、例えば、０．２から１００ＧＨｚ、より具体的には０．５から１０ＧＨｚの周波数範囲で使用される混合物の１キログラム当たり５から４００ｋＷ、例えば５から２００ｋＷ、特定の実施形態では９から１２０ｋＷの高周波放射を介して行われてもよい。マグネトロンは有用な誘電放射源であり、１つのマグネトロンまたは２つ以上のマグネトロンを同時に使用することができる。
ＯＣＭＦ材料を乾燥させて、ＯＣＭＦ材料から残留液体（水、溶媒、発泡剤）を除去することができる。後処理を利用してＯＣＭＦ材料を疎水化することもできる。この後処理は、高い熱安定性および／または低い可燃性を有する疎水性コーティング剤、例えばシリコーン、シリコーン酸塩またはフッ素化化合物を使用することができる。
メラミンＯＣＭＦの密度は、一般に０．００５から０．３ｇ／ｃｃの範囲、例えば０．０１から０．２ｇ／ｃｃの範囲、特定の実施形態では０．０３から０．１５ｇ／ｃｃの範囲、または最も具体的には０．０５から０．１５ｇ／ｃｃの範囲である。メラミンＯＣＭＦの平均細孔径は、一般に１０μｍから約１０００μｍの範囲、特に５０から７００μｍの範囲である。
実施形態において、ＯＣＭＦ補強材料は、連続シートとしてエアロゲル組成物に組み込まれる。このプロセスは、最初に、ゲル前駆体溶液をＯＣＭＦ補強材料の連続シートにキャストまたは含浸することによってＯＣＭＦ強化ゲルの連続シートを製造することと、材料を強化ゲル複合シートに形成させることとを含む。次いで、液体をＯＣＭＦ強化ゲル複合シートから少なくとも部分的に抽出して、シート状のＯＣＭＦ強化エアロゲル組成物を製造することができる。
エアロゲル組成物は、熱伝達の放射成分を低減するための乳白剤を含むことができる。ゲル形成前の任意の時点で、不透明化化合物またはその前駆体を、ゲル前駆体を含む混合物中に分散させることができる。不透明化化合物の例には、炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）、珪藻土、マンガンフェライト、ＭｎＯ、ＮｉＯ、ＳｎＯ、Ａｇ２Ｏ、Ｂｉ２Ｏ３、カーボンブラック、グラファイト、酸化チタン、酸化鉄チタン、酸化アルミニウム、ケイ酸ジルコニウム、酸化ジルコニウム、酸化鉄（ＩＩ）、酸化鉄（ＩＩＩ）、二酸化マンガン、酸化鉄チタン（イルメナイト）、酸化クロム、炭化物（例えば、ＳｉＣ、ＴｉＣまたはＷＣ）、またはそれらの混合物が含まれるが、これらに限定されない。不透明化化合物前駆体の例としては、ＴｉＯＳＯ４またはＴｉＯＣｌ２が挙げられるが、これらに限定されない。いくつかの実施形態では、添加剤として使用される不透明化化合物は、炭化ケイ素のウィスカーまたは繊維を除外することができる。エアロゲル組成物が電気デバイス、例えばバリア層としての電池または他の関連用途での使用を意図する場合、乳白剤を含む組成物は、望ましくは、高い体積および表面抵抗率を有する高い誘電強度を有することができる。そのような実施形態では、乳白剤として使用される炭素添加剤は、非導電性であるか、または導電性を低下させるように修飾することができる。例えば、乳白剤は、導電性を低下させるために表面酸化され得る。いくつかの実施形態では、固有の導電性を有する炭素質添加剤を、電気デバイスに使用する意図があるエアロゲル組成物中の乳白剤として使用することができる。そのような実施形態では、導電性炭素質添加剤は、電気デバイスでの使用に適した誘電強度を有する組成物を提供するために、パーコレーション閾値未満の濃度で使用することができる。
エアロゲル組成物は、１つ以上のファイヤークラスの添加剤を含むことができる。本開示の文脈で、「ファイヤークラスの添加剤」という用語は、火災に対する反応の文脈において吸熱効果を有し、エアロゲル組成物に組み込むことができる材料を指す。さらに、特定の実施形態では、ファイヤークラスの添加剤は、ファイヤークラスの添加剤が存在するエアロゲル組成物の熱分解（Ｔｄ）の開始よりも高く１００°Ｃ以下である吸熱分解（ＥＤ）で開始し、特定の実施形態では、ファイヤークラスの添加剤が存在するエアロゲル組成物のＴｄよりも低く５０°Ｃ以下であるＥＤも有する。換言すれば、ファイヤークラスの添加剤のＥＤは、以下の範囲
Figure 2023509115000002
から
Figure 2023509115000003
を有する。
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ゾル（例えば、先行技術で理解されているような様々な方法でアルキルシリケートまたは水ガラスから調製されたシリカゾル）との組み込みまたは混合の前に、それと同時に、またはさらには、それに続いて、ファイヤークラスの添加剤を、エタノールおよび場合により最大１０体積％の水を含む媒体と混合するか、そうでなければ分散させることができる。混合物は、媒体中の添加剤の実質的に均一な分散を達成するために、必要に応じて混合および／または撹拌することができる。理論に束縛されるものではないが、上記粘土および他のファイヤークラスの添加剤の水和形態を利用すると、追加の吸熱効果が得られる。例えば、ハロイサイト粘土（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍｉｎｅｒａｌｓ，Ｉｎｃ．からＤＲＡＧＯＮＩＴＥの商品名で、または単にＨａｌｌｏｙｓｉｔｅとしてＩｍｅｒｙｓから市販されている）、カオリナイト粘土は、水和形態のケイ酸アルミニウム粘土であり、高温で水和水を放出することにより吸熱効果を有する（ガス希釈）。別の例として、水和形態の炭酸塩は、加熱または高温で二酸化炭素を放出することができる。
本開示の文脈で、「脱水熱」という用語は、高温に曝されていないときに水和形態である材料から水（および該当する場合はジヒドロキシル化）を気化させるのに必要な熱量を意味する。脱水熱は、典型的には、単位重量基準で表される。
特定の実施形態では、本開示のファイヤークラスの添加剤は、約１００°Ｃ以上、約１３０°Ｃ以上、約２００°Ｃ以上、約２３０°Ｃ以上、約２４０°Ｃ以上、約３３０°Ｃ以上、３５０°Ｃ以上、約４００°Ｃ以上、約４１５°Ｃ以上、約４２５°Ｃ以上、約４５０°Ｃ以上、約５００°Ｃ以上、約５５０°Ｃ以上、約６００°Ｃ以上、約６５０°Ｃ以上、約７００°Ｃ以上、約７５０°Ｃ以上、約８００°Ｃ以上、またはこれらの値のいずれか２つの間の範囲の熱分解開始を有する。特定の実施形態では、本開示のファイヤークラスの添加剤は、約４４０°Ｃ、または５７０°Ｃの熱分解の開始を有する。特定の実施形態では、本開示のファイヤークラスの添加剤は、ファイヤークラスの添加剤が組み込まれるエアロゲル組成物（ファイヤークラスの添加剤なし）のＴｄよりおおよそ５０°Ｃ以下、おおよそ４０°Ｃ以下、おおよそ３０°Ｃ以下、おおよそ２０°Ｃ以下、おおよそ１０°Ｃ以下、おおよそ５°Ｃ以下、またはこれらの値のいずれか２つの間の範囲内で熱分解を開始する。
本開示のファイヤークラスの添加剤には、フィロケイ酸塩粘土（イライトなど）、カオリンまたはカオリナイト（ケイ酸アルミニウム；Ａｌ２Ｓｉ２Ｏ５（ＯＨ）４）、メタカオリン、ハロイサイト（ケイ酸アルミニウム；Ａｌ２Ｓｉ２Ｏ５（ＯＨ）４）、エンデライト（ケイ酸アルミニウム；Ａｌ２Ｓｉ２Ｏ５（ＯＨ）４）、雲母（シリカ鉱物）、ジアスポア（酸化アルミニウム水酸化物；α－ＡｌＯ（ＯＨ））、ギブサイト（水酸化アルミニウム）、ベーマイト（酸化アルミニウム水酸化物；γ－ＡｌＯ（ＯＨ））、モンモリロナイト、バイデライト、パイロフィライト（ケイ酸アルミニウム；Ａｌ２Ｓｉ４Ｏ１０（ＯＨ）２）、ノントロナイト、ブラバイサイト、スメクタイト、レブリエライト、レトライト、セラドナイト、アタパルジャイト、クロロパール、ボルコンスコイト、アロファン、ラセビナイト、ジルナイト、セベライト、ミロシライト、コレライト、シモライトおよびニュートナイト、重炭酸ナトリウム（ＮａＨＣＯ３）、水酸化マグネシウム（または二水酸化マグネシウム、「ＭＤＨ」）、アルミナ三水和物（「ＡＴＨ」）、石膏（硫酸カルシウム二水和物；ＣａＳＯ４・２Ｈ２Ｏ）、バリングトナイト（ＭｇＣＯ３・２Ｈ２Ｏ）、ネスケホナイト（ＭｇＣＯ３・３Ｈ２Ｏ）、ランスフォーダイト（ＭｇＣＯ３・５Ｈ２Ｏ）、ハイドロマグネサイト（水和炭酸マグネシウム；Ｍｇ５（ＣＯ３）４（ＯＨ）２・４Ｈ２Ｏ）、ドロマイトおよび炭酸リチウムなどであるがこれらに限定されない他の炭酸塩、などの粘土材料が含まれるがこれらに限定されない。粘土材料の中でも、本開示の特定の実施形態は、少なくとも部分的な層状構造を有する粘土材料を使用する。本開示の特定の実施形態では、エアロゲル組成物中のファイヤークラスの添加剤としての粘土材料は、水和形態などの少なくともいくらかの水を有する。添加剤は、水和結晶形態であってもよく、または本開示の組成物の製造／加工において水和されてもよい。特定の実施形態では、ファイヤークラスの添加剤はまた、化学組成を変化させることなく熱を吸収する低融点添加剤を含む。このクラスの一例は、不活性ガラスビーズなどの低融点ガラスである。本開示の組成物に有用であり得る他の添加剤には、ウォラストナイト（ケイ酸カルシウム）、および二酸化チタン（ＴｉＯ２）が含まれるが、これらに限定されない。特定の実施形態では、他の添加剤としては、限定されないが、二酸化チタンまたは炭化ケイ素などの赤外線乳白剤、限定されないが、低融点ガラスフリットなどのセラミック化剤、ケイ酸カルシウムまたは限定されないが、リン酸塩および硫酸塩などの炭化物が挙げられ得る。特定の実施形態では、添加剤は、添加剤が均一に分布し、生成物の性能の変動を引き起こすために大きく凝集しないことを確実にする技術などの特別な処理上の考慮事項を必要とする場合がある。処理技術は、追加の静的および動的ミキサー、安定剤、プロセス条件の調整、および当技術分野で公知の他のものを含み得る。
本明細書に開示されるエアロゲル組成物中の添加剤の量は、組成物の所望の特性に依存し得る。ゾルゲル組成物の調製および加工中に使用される添加剤の量は、典型的には、ゾルのシリカ含有量に対する重量パーセントと呼ばれる。ゾルの添加剤の量は、シリカ含有量に対して約５重量％から約７０重量％で変化し得る。特定の実施形態では、ゾル中の添加剤の量は、シリカ含有量に対して１０重量％から６０重量％であり、特定の好ましい実施形態では、シリカ含有量に対して２０重量％から４０重量％である。例示的な実施形態では、シリカ含有量に対するゾルの添加剤の量は、シリカ含有量に対して約５％から約２０％、約１０％から約２０％、約１０％から約３０％、約１０％から約２０％、約３０重量％から約５０重量％、約３５重量％から約４５重量％、または約３５重量％から約４０重量％の範囲である。いくつかの実施形態では、ゾルの添加剤の量は、シリカ含有量に対して少なくとも約１０重量％またはシリカ含有量に対して約１０重量％である。いくつかの実施形態では、添加剤の量は、シリカ含有量に対して約５重量％から約１５重量％の範囲である。特定の実施形態では、添加剤は２種類以上であってもよい。１つ以上のファイヤークラスの添加剤も、最終的なエアロゲル組成物に存在し得る。ケイ酸アルミニウムのファイヤークラスの添加剤を含むいくつかの好ましい実施形態では、添加剤は、エアロゲル組成物にシリカ含有量に対して約６０から７０重量％で存在する。例えば、ケイ酸アルミニウムのファイヤークラスの添加剤、例えば、カオリン、またはケイ酸アルミニウムのファイヤークラスの添加剤、例えば、カオリンとアルミナ三水和物（「ＡＴＨ」）の組み合わせを含むいくつかの好ましい実施形態では、エアロゲル組成物中に存在する添加剤の総量は、シリカ含有量に対して約３０から４０重量％である。別の例として、添加剤が炭化ケイ素を含むいくつかの好ましい実施形態では、エアロゲル組成物に存在する添加剤の総量は、シリカ含有量に対して約３０から４０重量％、例えば３５重量％である。別の例として、添加剤が炭化ケイ素を含むいくつかの好ましい実施形態では、エアロゲル組成物に存在する添加剤の総量は、シリカ含有量に対して約５から１５重量％、例えば１０重量％である。
最終的な強化エアロゲル組成物に言及すると、添加剤の量は、典型的には、最終的な強化エアロゲル組成物の重量パーセントと言及される。最終的な強化エアロゲル組成物の添加剤の量は、強化エアロゲル組成物の重量の約１％から約５０％、約１％から約２５％、または約１０％から約２５％で変化し得る。例示的な実施形態において、最終的な強化エアロゲル組成物の添加剤の量は、強化エアロゲル組成物の約１０％から約２０重量％の範囲である。例示的な実施形態では、組成物の重量百分率としての最終的な強化エアロゲル組成物中の添加剤の量は、約１％、約２％、約３％、約４％、約５％、約６％、約７％、約８％、約９％、約１０％、約１１％、約１２％、約１３％、約１４％、約１５％、約１６％、約１７％、約１８％、約１９％、約２０％、または前述の百分率のいずれかの間の範囲である。特定の実施形態では、最終的な強化エアロゲル組成物の添加剤の量は、強化エアロゲル組成物の約１５重量％である。特定の実施形態では、最終的な強化エアロゲル組成物の添加剤の量は、強化エアロゲル組成物の約１３重量％である。例えば、炭化ケイ素などの添加剤を含むいくつかの好ましい実施形態では、エアロゲル組成物に存在する添加剤の総量は、強化エアロゲル組成物の約１０から２０重量％、例えば約１５％である。別の例として、添加剤が炭化ケイ素を含むいくつかの好ましい実施形態では、エアロゲル組成物に存在する添加剤の総量は、強化エアロゲル組成物の約３から５重量％、例えば約４％である。
特定の実施形態では、ファイヤークラスの添加剤は、熱分解の開始温度に基づいて分類またはグループ化することができる。例えば、ファイヤークラスの添加剤は、約２００°Ｃ未満、約４００°Ｃ未満、または約４００°Ｃ超の熱分解開始温度であるものとして分類またはグループ化することができる。例えば、約２００°Ｃ未満の熱分解開始温度の添加剤には、重炭酸ナトリウム（ＮａＨＣＯ３）、ネスケホナイト（ＭｇＣＯ３・３Ｈ２Ｏ）、および石膏（硫酸カルシウム二水和物ＣａＳＯ４・２Ｈ２Ｏ）が含まれる。別の例では、約４００°Ｃ未満の熱分解開始温度の添加剤には、アルミナ三水和物（「ＡＴＨ」）、ハイドロマグネサイト（水和炭酸マグネシウムＭｇ５（ＣＯ３）４（ＯＨ）２・４Ｈ２Ｏ）、および水酸化マグネシウム（または二水酸化マグネシウム、「ＭＤＨ」）が含まれる。別の例では、約４００°Ｃ未満の熱分解開始温度の添加剤には、ハロイサイト（ケイ酸アルミニウム；Ａｌ２Ｓｉ２Ｏ５（ＯＨ）４）、カオリンもしくはカオリナイト（ケイ酸アルミニウムＡｌ２Ｓｉ２Ｏ５（ＯＨ）４）、ベーマイト（酸化アルミニウム水酸化物；γ－ＡｌＯ（ＯＨ））または高温相変化材料（ＰＣＭ）が含まれる。
本開示の特定の実施形態では、エアロゲル組成物の添加剤としての粘土材料、例えば、ハロイサイトまたはカオリナイトなどのアルミノケイ酸塩粘土は、脱水された形態、例えばメタハロイサイトまたはメタカオリンである。本開示の組成物に有用であり得る他の添加剤には、ウォラストナイト（ケイ酸カルシウム）、および二酸化チタン（ＴｉＯ２）が含まれるが、これらに限定されない。特定の実施形態では、他の添加剤としては、限定されないが、二酸化チタンまたは炭化ケイ素などの赤外線乳白剤、限定されないが、低融点ガラスフリットなどのセラミック化剤、ケイ酸カルシウムまたは限定されないが、リン酸塩および硫酸塩などの炭化物が挙げられ得る。特定の実施形態では、添加剤は、添加剤が均一に分布し、生成物の性能の変動を引き起こすために大きく凝集しないことを確実にする技術などの特別な処理上の考慮事項を必要とする場合がある。処理技術は、追加の静的および動的ミキサー、安定剤、プロセス条件の調整、および当技術分野で公知の他のものを含み得る。１つ以上のファイヤークラスの添加剤も、最終的なエアロゲル組成物に存在し得る。
特定の実施形態では、本開示のエアロゲル材料および組成物に添加剤、例えば、ハロイサイトまたはカオリンなどのアルミノケイ酸塩粘土系材料を含めることにより、改善された高温収縮特性を付与することができる。高温収縮性の試験方法としては、例えば、「Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｌｉｎｅａｒ Ｓｈｒｉｎｋａｇｅ ｏｆ Ｐｒｅｆｏｒｍｅｄ Ｈｉｇｈ－Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ Ｓｕｂｊｅｃｔｅｄ ｔｏ Ｓｏａｋｉｎｇ Ｈｅａｔ」（ＡＳＴＭ Ｃ３５６、ＡＳＴＭ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，Ｗｅｓｔ Ｃｏｎｓｈｏｈｏｃｋｅｎ、ペンシルベニア州）が挙げられる。「サーマルソーク」と呼ばれるこのような試験では、材料を１０００°Ｃを超える温度に最大６０分間曝す。特定の例示的な実施形態では、本開示のエアロゲル材料または組成物は、約２０％以下、約１５％以下、約１０％以下、約６％以下、約５％以下、４％以下、３％以下、２％以下、１％以下、またはこれらの値の任意の２つの間の範囲の高温収縮、すなわち、線収縮、幅収縮、厚さ収縮、または寸法収縮の任意の組み合わせを有することができる。
いくつかの例示的な実施形態では、前駆体反応を触媒するために使用される特定の塩基性触媒は、エアロゲル組成物に微量のアルカリ金属をもたらし得る。エアロゲル材料の微量のレベル、例えば１００から５００ｐｐｍのアルカリ、例えばナトリウムまたはカリウムは、高温収縮および熱の耐久性に悪影響を及ぼす可能性がある。しかしながら、いかなる特定の機構または理論にも束縛されることなく、ハロイサイトまたはカオリンなどのアルミノケイ酸塩粘土系材料は、一時的なアルカリ、例えばナトリウムまたはカリウムを捕捉することができ、それによって収縮および熱耐久性に対するアカリの効果を低減または排除する。本開示の特定の実施形態では、アルミノケイ酸塩粘土材料は、脱水された形態、例えばメタハロイサイトまたはメタカオリンである。例えば、シリカ含有量に対して約０．５重量％を超える量のメタカオリンまたはメタハロイサイトを含むエアロゲル材料または組成物は、熱収縮および熱耐久性を著しく低下させ得る。例示的な実施形態では、エアロゲル材料または組成物は、シリカ含有量に対して約０．５重量％から約３．０重量％の範囲の量のメタカオリンまたはメタハロイサイトを含むことができる。
図１は、熱制御部材または電池熱管理部材の一方の表面、すなわち高温側に６５０°Ｃの温度を加え、熱制御部材または電池熱管理部材の他方の表面、すなわち低温側の温度を経時的に測定した、本明細書に開示の実施形態による熱制御部材または電池熱管理部材材料のサンプルの試験データを示す。対照サンプルは、以下により詳細に記載される実施例１の組成物に対応する。サンプルＡ、ＢおよびＣは、添加剤としてカオリンを含む本明細書に開示の熱制御部材または電池熱管理部材の実施形態である。サンプルＡは、以下により詳細に記載される実施例２の組成物に対応する。サンプルＢは、以下の実施例４の組成物に対応する。サンプルＣは、以下の実施例３の組成物に相当する。図１に示すように、カオリンを含む組成物は、約３０秒の低温面で７５°Ｃの温度に達する時間、約１分の低温面で１２０°Ｃの温度に達する時間、約９０秒の低温面で１５０°Ｃの温度に達する時間、および約４分の低温面で１８０°Ｃの温度に達する時間を提示している。２００°Ｃ未満の温度範囲で添加剤としてカオリン鉱物を用いた異常に良好な性能は、驚くべきものであり、予想外であった。
本開示の特定の実施形態では、ファイヤークラスの性能を有する強化エアロゲル組成物を調製する方法が提供される。これらの実施形態のファイヤークラスの組成物はまた、絶えず要求の厳しい省エネルギーのニーズを満たすことに対する一助のために、吸水率および低い熱伝導率によって測定されるように、工業環境における断熱としての使用に、十分な疎水性を有する。望ましい特性のこれらの組み合わせを得るためには、単に添加剤を添加してもファイヤークラスの添加剤を添加してさえも、うまくいかない。様々な置換および組み合わせまたは様々な添加剤を試して最適化された解決策に到達することができるが、そのような努力は常に成功しているとは限らず、これらの所望の特性に関する再現可能な品質管理を伴う実行可能な製造のリスクを提示する。これらの実施形態の重要な態様は、そうでなければ防火性能を除くすべての望ましい特性を提供するであろう組成物の熱の挙動（熱重量測定または示差走査熱量測定によって評価される）を評価し、下にある組成物の熱分解の開始、または代替的に、大部分の熱が熱分解のファイヤークラスの添加剤の開始と共に放出される温度、または大部分の熱が吸収される温度と厳密に一致するファイヤークラスの添加剤を考慮することである。
特定の実施形態では、最終的な組成物の所望の燃焼特性は、燃焼熱（ＩＳＯ １７１６）などの固有の特性だけでなく、ＩＳＯ １１８２による燃焼性能に対する反応などのシステム燃焼特性も含み得る。ＩＳＯ １１８２の場合、重量損失、炉内温度の上昇、および火炎時間は、約７５０°Ｃの温度の炉に曝されたときに、評価される。
繊維またはＯＣＭＦ強化エアロゲル組成物は、酸化可能な有機含有量（燃料）を系に添加する様々な成分を有し得る。さらに、燃料として寄与しないが、他の様々な構成要素を有してもよく、火に曝されると燃焼を妨げる可能性がある。そのため、このようなシステムの燃焼挙動を単純に構成要素に基づいて予測することはできない。多数の特性が望まれる状況では、特定の実施形態では、組成物は、その防火特性に関係なく到達されるべきであり、そのような到達された組成物の熱性能は、出発組成物が提供しようとした他の特性を損なうことなく防火特性を付与する適切なファイヤークラスの添加剤を見つけるために評価されるべきである。
特定の実施形態では、熱分解の開始は、組成物の重要な特性である。特定の他の実施形態では、ピーク熱放出の温度は、強化された防火性エアロゲル組成物を開発するための重要な特性であり得る。ＤＳＣ曲線の複数のピークによって識別される組成物に複数の燃料成分が存在する場合、そのような組成物は、強化エアロゲル組成物のピーク熱放出の温度を、１４０°Ｃ、１２０°Ｃ、１００°Ｃまたは８０°Ｃ以内の吸熱ピーク熱放出の温度を有するファイヤークラスの添加剤と一致させることによって、十分に機能する。多くの実施形態において、吸熱ピーク熱放出の温度は、５０°Ｃ以内である。
本開示のエアロゲル材料および組成物は、断熱材料として非常に効果的であることが示されている。しかしながら、本開示の方法および材料の適用は、絶縁に関連する用途に限定されることを意図しない。本開示の方法および材料は、本開示の材料および方法によって提供される特性または手順の固有の組み合わせから利益を得る任意のシステムまたは用途に適用することができる。
以下の実施例は、本開示の様々な非限定的な実施形態および特性を提供する。以下の実施例では、添加剤の重量％は、エアロゲル組成物の総重量である１００％基準で提供される。図１および図２は、以下の実施例の温間挙動を制御する熱制御部材または電池熱管理部材を示す図である。
上記に開示された方法に従って、ガラス繊維強化シリカエアロゲル組成物を製造した。強化シリカエアロゲル組成物は、約３ｍｍの厚さを有し、２１．７重量％の合成非晶質シリカ、１２．２重量％のメチルシリル化シリカ、６２．２７重量％の繊維状ガラス、および３．８重量％の酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）を含んでいた。この組成物の８インチの正方形のサンプルを、６５０°Ｃの高温表面での高温表面性能試験を用いて、評価した。サンプル組成物の低温面の温度を一定期間にわたって測定した。本実施例のサンプルの組成では、低温面で７５°Ｃに到達する時間は約１５秒、低温面で１２０°Ｃに到達する時間は約３０秒、低温面で１５０°Ｃに到達する時間は約４０秒、低温面で１８０°Ｃに到達する時間は、約１分であった。本例のサンプルの組成のデータは、図１の表中の「対照」に対応する。
上記に開示された方法に従って、ガラス繊維強化シリカエアロゲル組成物を製造した。強化シリカエアロゲル組成物は、約３ｍｍの厚さを有し、１５．３重量％の合成非晶質シリカ、８．６重量％のメチルシリル化シリカ、３７．８重量％の繊維状ガラス、および３８．３重量％のカオリンを含んでいた。目標シリカ密度は０．０７ｇ／ｃｃであった。この組成物の８インチの正方形のサンプルを、６５０°Ｃの高温表面での高温表面性能試験を用いて、評価した。サンプル組成物の低温面の温度を一定期間にわたって測定した。本実施例のサンプルの組成では、低温面で７５°Ｃに到達する時間は約３２秒、低温面で１２０°Ｃに到達する時間は約１分、低温面で１５０°Ｃに到達する時間は約９０秒、低温面で１８０°Ｃに到達する時間は、約４分であった。本例のサンプルの組成のデータは、図１の表中の「Ａ」に対応する。
上記に開示された方法に従って、ガラス繊維強化シリカエアロゲル組成物を製造した。強化シリカエアロゲル組成物は、約３ｍｍの厚さを有し、１５．３重量％の合成非晶質シリカ、８．６重量％のメチルシリル化シリカ、３７．８重量％の繊維状ガラス、および３８．３重量％のカオリンを含んでいた。目標シリカ密度は０．０９ｇ／ｃｃであった。この組成物の８インチの正方形のサンプルを、６５０°Ｃの高温表面での高温表面性能試験を用いて、評価した。サンプル組成物の低温面の温度を一定期間にわたって測定した。本実施例のサンプルの組成では、低温面で７５°Ｃに到達する時間は約３８秒、低温面で１２０°Ｃに到達する時間は約６８秒、低温面で１５０°Ｃに到達する時間は約１０２秒、低温面で１８０°Ｃに到達する時間は、約４分であった。本例のサンプルの組成のデータは、図１の表中の「Ｃ」に対応する。
上記に開示された方法に従って、ガラス繊維強化シリカエアロゲル組成物を製造した。強化シリカエアロゲル組成物は、約３ｍｍの厚さを有し、１５．３重量％の合成非晶質シリカ、８．６重量％のメチルシリル化シリカ、３７．８重量％の繊維状ガラス、および３８．３重量％のカオリンとＡＴＨの組み合わせを含んでいた。目標シリカ密度は０．０７ｇ／ｃｃであった。この組成物の８インチの正方形のサンプルを、６５０°Ｃの高温表面での高温表面性能試験を用いて、評価した。サンプル組成物の低温面の温度を一定期間にわたって測定した。本実施例のサンプルの組成では、低温面で７５°Ｃに到達する時間は約３６秒、低温面で１２０°Ｃに到達する時間は約１分、低温面で１５０°Ｃに到達する時間は約９６秒、低温面で１８０°Ｃに到達する時間は、約３分２１秒であった。本例のサンプルの組成のデータは、図１の表中の「Ｂ」に対応する。
上記に開示された方法に従って、ガラス繊維強化シリカエアロゲル組成物を製造した。強化シリカエアロゲル組成物は、約３．５ｍｍの厚さを有し、２１．７重量％の合成非晶質シリカ、１２．２重量％のメチルシリル化シリカ、６２．２７重量％の繊維状ガラス、および３．８重量％の酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）を含んでいた。この組成物の８インチの正方形のサンプルを、６５０°Ｃの高温表面での高温表面性能試験を用いて、評価した。サンプル組成物の低温面の温度を一定期間にわたって測定した。本実施例のサンプルの組成では、低温面で７５°Ｃに到達する時間は約１３秒、低温面で１２０°Ｃに到達する時間は約２２秒、低温面で１５０°Ｃに到達する時間は約２９秒、低温面で１８０°Ｃに到達する時間は、約３６秒であった。本例のサンプルの組成のデータは、図２の表中の「対照」に対応する。
メチルトリエトキシシラン（ＭＴＥＳ）およびテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）またはポリエチルシリケート（Ｓｉｌｂｏｎｄ ４０）の両方のゾルを、エタノール中酸性条件下で加水分解によって個別に調製した。ゾル材料の比率および濃度を調整して、約３６重量％のＭＴＥＳから疎水性物質含有量を得て、エアロゲル材料内に約８．０重量％の有機含有量を有するエアロゲルを得た。炭化ケイ素（ＳｉＣ）を、シリカ含有量に対して少なくとも３５重量％の重量パーセントで合わせたゾルに組み込んだ。次いで、合わせたゾルを１時間以上撹拌した。
水酸化グアニジン（２Ｍ）を、約０．０７から０．０８５ｇ／ｃｃのエアロゲル密度を目標とするのに十分な濃度で合わせたゾルに添加した。触媒化されたＳｉＣ含有ゾルを繊維強化相にキャストし、ゲル化させた。ゲル化の直前および直後に、繊維強化湿潤ゲルを、重量のあるステンレス鋼ローラーを使用して一連の成形工程に供した。湿潤ゲルの端部に配置された剛性の非圧縮性ゲージブロックを使用して、３．０ｍｍの制御された厚さで、湿潤ゲルの反復圧延を４回以下行った。室温で１時間以下の硬化後、エアロゲル材料を、およそ流体ゲル比３：１のエタノール熟成流体中、６８°Ｃで約１２時間熟成させた。熟成したゲルを、超臨界ＣＯ２で溶媒抽出し、次いで１１０°Ｃで、２時間乾燥させた。
繊維強化相は、約２５０ｇ／ｍ２の密度を有する約５．６ｍｍ厚のテキスタイルグレードのガラス繊維（Ｅ－ガラス組成物）で構成された均一な不織布材料であった。得られた強化シリカエアロゲル組成物は、約２．５ｍｍの厚さであり、強化シリカエアロゲル組成物の約４４％のエアロゲル（約２８％の合成非晶質シリカおよび約１６％のメチルシリル化シリカを含む）、４１％の繊維状ガラス、および１５％の炭化ケイ素であり、（０．０８５ｇ／ｃｃのエアロゲル密度が与えられ）約０．２０ｇ／ｃｃの予想材料密度が得られた。
この組成物の８インチの正方形のサンプルを、６５０°Ｃの高温表面での高温表面性能試験を用いて、評価した。サンプル組成物の低温面の温度を一定期間にわたって測定した。本実施例のサンプルの組成では、低温面で７５°Ｃに到達する時間は約１３秒、低温面で１２０°Ｃに到達する時間は約２４秒、低温面で１５０°Ｃに到達する時間は約３１秒、低温面で１８０°Ｃに到達する時間は、約４２秒であった。本例のサンプルの組成のデータは、図２の表中の「Ｅ」に対応する。
メチルトリエトキシシラン（ＭＴＥＳ）およびテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）またはポリエチルシリケート（Ｓｉｌｂｏｎｄ ４０）の両方のゾルを、エタノール中酸性条件下で加水分解によって個別に調製した。ゾル材料の比率および濃度を調整して、約３６重量％のＭＴＥＳから疎水性物質含有量を得て、エアロゲル材料内に約８．０重量％の有機含有量を有するエアロゲルを得た。炭化ケイ素（ＳｉＣ）を、シリカ含有量に対して少なくとも３５重量％の重量パーセントで合わせたゾルに組み込んだ。次いで、合わせたゾルを１時間以上撹拌した。
水酸化グアニジン（２Ｍ）を、約０．０７から０．０８５ｇ／ｃｃのエアロゲル密度を目標とするのに十分な濃度で合わせたゾルに添加した。触媒化されたＳｉＣ含有ゾルを繊維強化相にキャストし、ゲル化させた。ゲル化の直前および直後に、繊維強化湿潤ゲルを、重量のあるステンレス鋼ローラーを使用して一連の成形工程に供した。湿潤ゲルの端部に配置された剛性の非圧縮性ゲージブロックを使用して、２．０ｍｍの制御された厚さで、湿潤ゲルの反復圧延を４回以下行った。室温で１時間以下の硬化後、エアロゲル材料を、およそ流体ゲル比３：１のエタノール熟成流体中、６８°Ｃで約１２時間熟成させた。熟成したゲルを、超臨界ＣＯ２で溶媒抽出し、次いで１１０°Ｃで２時間乾燥させた。
繊維強化相は、約２５０ｇ／ｍ２の密度を有する約５．６ｍｍ厚のテキスタイルグレードのガラス繊維（Ｅ－ガラス組成物）で構成された均一な不織布材料であった。得られた強化シリカエアロゲル組成物は、約２．０ｍｍの厚さであり、強化シリカエアロゲル組成物の約３６％のエアロゲル（約２３％の合成非晶質シリカおよび約１３％のメチルシリル化シリカを含む）、５１％の繊維、および１３％の炭化ケイ素であり、（０．０８５ｇ／ｃｃのエアロゲル密度が与えられ）約０．２０ｇ／ｃｃの予想材料密度が得られた。
この組成物の８インチの正方形のサンプルを、６５０°Ｃの高温表面での高温表面性能試験を用いて、評価した。サンプル組成物の低温面の温度を一定期間にわたって測定した。本実施例のサンプルの組成では、低温面で７５°Ｃに到達する時間は約１１秒、低温面で１２０°Ｃに到達する時間は約２１秒、低温面で１５０°Ｃに到達する時間は約３１秒、低温面で１８０°Ｃに到達する時間は、約３９秒であった。本例のサンプルの組成のデータは、図２の表中の「Ｄ」に対応する。
この組成物のサンプルを圧縮で評価した。サンプルの変形は、サンプルの応力－歪みの関係を得るべく、測定した。この分析のためのデータを図３に示す。
メチルトリエトキシシラン（ＭＴＥＳ）およびテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）またはポリエチルシリケート（Ｓｉｌｂｏｎｄ ４０）の両方のゾルを、エタノール中酸性条件下で加水分解によって個別に調製した。ゾル材料の比率および濃度を調整して、約３６重量％のＭＴＥＳから疎水性物質含有量を得て、エアロゲル材料内に約８．０重量％の有機含有量を有するエアロゲルを得た。炭化ケイ素（ＳｉＣ）を、シリカ含有量に対して少なくとも約１０重量％の重量パーセントで合わせたゾルに組み込んだ。次いで、合わせたゾルを１時間以上撹拌した。
水酸化グアニジン（２Ｍ）を、約０．０７から０．０８５ｇ／ｃｃのエアロゲル密度を目標とするのに十分な濃度で合わせたゾルに添加した。触媒化されたＳｉＣ含有ゾルを繊維強化相にキャストし、ゲル化させた。ゲル化の直前および直後に、繊維強化湿潤ゲルを、重量のあるステンレス鋼ローラーを使用して一連の成形工程に供した。湿潤ゲルの端部に配置された剛性の非圧縮性ゲージブロックを使用して、３．０ｍｍの制御された厚さで、湿潤ゲルの反復圧延を４回以下行った。室温で１時間以下の硬化後、エアロゲル材料を、およそ流体ゲル比３：１のエタノール熟成流体中、６８°Ｃで約１２時間熟成させた。熟成したゲルを、超臨界ＣＯ２で溶媒抽出し、次いで１１０°Ｃで、２時間乾燥させた。
繊維強化相は、約２２５ｇ／ｍ２の密度を有する約４ｍｍ厚のテキスタイルグレードのガラス繊維（Ｅ－ガラス組成物）で構成された均一な不織布材料であった。得られた強化シリカエアロゲル組成物は、約２．２５ｍｍの厚さであり、強化シリカエアロゲル組成物の約３９％のエアロゲル（約２５％の合成非晶質シリカおよび約１４％のメチルシリル化シリカを含む）、５７％の繊維状ガラス、および４％の炭化ケイ素であり、（０．０７５ｇ／ｃｃのエアロゲル密度が与えられ）約０．１６ｇ／ｃｃの予想材料密度が得られた。
この組成物の８インチの正方形のサンプルを、６５０°Ｃの高温表面での高温表面性能試験を用いて、評価した。サンプル組成物の低温面の温度を一定期間にわたって測定した。本実施例のサンプルの組成では、低温面で７５°Ｃに到達する時間は約９秒、低温面で１２０°Ｃに到達する時間は約１９秒、低温面で１５０°Ｃに到達する時間は約２５秒、低温面で１８０°Ｃに到達する時間は、約３４秒であった。本例のサンプルの組成のデータを図４のチャートに示す。
上記の利点、および上記の説明から明らかになる利点は、効率的に達成される。本発明の範囲から逸脱することなく上記の構成に特定の変更を加えることができるので、上記の説明に含まれるかまたは添付の図面に示されるすべての事項は、例示的なものとして解釈されるべきであり、限定的な意味で解釈されるべきではないことが意図される。
以下の特許請求の範囲は、本明細書に記載された本発明の一般的および特定の特徴のすべて、および、言語の問題としてそれらの間にあると言われるかもしれない本発明の範囲のすべての記述を網羅することを意図していることも理解されたい。

Claims (24)

  1. 電池熱管理部材であって、
    第１の熱保護層、および
    １つ以上の有機材料を含む少なくとも１つの弾性層を含み、
    前記第１の熱保護層は、約６５ｍＷ／ｍＫ未満の熱伝導率を有し、
    前記少なくとも１つの熱保護層は、前記弾性層の少なくとも１つの表面を前記有機材料の少なくとも１つの分解温度未満に維持する、電池熱管理部材。
  2. 前記第１の熱保護層は、前記少なくとも１つの弾性層に隣接して配置される、請求項１に記載の電池熱管理部材。
  3. 前記第１の熱保護層は、前記少なくとも１つの弾性層と接触して配置される、請求項１または２に記載の電池熱管理部材。
  4. 第２の熱保護層を含む、請求項１から３のいずれかに記載の電池熱管理部材。
  5. 前記第１の熱保護層および前記第２の熱保護層は、前記少なくとも１つの弾性層の両側に配置される、請求項４に記載の電池熱管理部材。
  6. 前記第１の熱保護層および前記第２の熱保護層の少なくとも一方は、前記少なくとも１つの弾性層と接触して配置される、４または請求項６に記載の電池熱管理部材。
  7. 前記弾性層は、圧縮性材料を含む、請求項１から６のいずれかに記載の電池熱管理部材。
  8. 前記圧縮性材料の化学分解の温度が、約２００°Ｃよりも高い、請求項７に記載の電池熱管理部材。
  9. 前記圧縮性材料の化学分解の前記温度が約２４０°Ｃよりも高い、請求項７または８に記載の電池熱管理部材。
  10. 前記圧縮性材料の化学分解の前記温度が、約２８０°Ｃよりも高い、請求項７から９のいずれかに記載の電池熱管理部材。
  11. 前記圧縮性材料の化学分解の前記温度が、約２００°Ｃから約３００°Ｃの範囲である、請求項７から１０のいずれかに記載の電池熱管理部材。
  12. 前記圧縮性材料の化学分解の前記温度が、約３００°Ｃよりも高い、請求項７から１１のいずれかに記載の電池熱管理部材。
  13. 前記圧縮性材料の化学分解の前記温度が、約３５０°Ｃよりも高い、請求項７から１２のいずれかに記載の電池熱管理部材。
  14. 前記圧縮性材料の化学分解の前記温度が、約３００°Ｃから約４００°Ｃの範囲である、請求項７から１３のいずれかに記載の電池熱管理部材。
  15. 前記圧縮性材料は、シロキサン、ポリオレフィン、ポリウレタン、フェノール、メラミン、酢酸セルロース、およびポリスチレンからなる群から選択される材料を含む、請求項７から１４のいずれかに記載の電池熱管理部材。
  16. 前記第１の熱保護層が、エアロゲル組成物を含む、請求項１から１５のいずれかに記載の電池熱管理部材。
  17. 前記第２の熱保護層がエアロゲル組成物を含む、請求項４に記載の電池熱管理部材。
  18. 前記エアロゲル組成物が補強材料を含む、請求項１６または請求項１７に記載の電池熱管理部材。
  19. 前記補強材料が前記エアロゲル組成物に存在する、請求項１８に記載の電池熱管理部材。
  20. 前記補強材料が繊維を含む、請求項１８または請求項１９に記載の電池熱管理部材。
  21. 前記繊維が、ディスクリート繊維、織布材料、不織布材料、ニードル不織布、バッティング、ウェブ、マット、フェルト、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項２０に記載の電池熱管理部材。
  22. 前記エアロゲル組成物の前記エアロゲルが、無機、有機、または無機／有機ハイブリッド材料を含む、請求項１から２１のいずれかに記載の電池熱管理部材。
  23. 前記エアロゲル組成物が、シリカエアロゲル組成物である、請求項１から２２のいずれかに記載の電池熱管理部材。
  24. 前記第１の熱保護層または前記第２の熱保護層が、雲母、微孔質シリカ、セラミック繊維、鉱物ウール、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される材料を含む、請求項１から２３のいずれかに記載の電池熱管理部材。

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US17/106,763 US20210167438A1 (en) 2019-12-02 2020-11-30 Components and systems to manage thermal runaway issues in electric vehicle batteries
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Families Citing this family (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020251825A1 (en) 2019-06-10 2020-12-17 Rogers Corporation An intumescent battery pad
KR20230118078A (ko) * 2020-12-04 2023-08-10 로저스코포레이션 열 폭주 방지용 다층 시트
CN112787020A (zh) * 2021-03-11 2021-05-11 蔚来汽车科技(安徽)有限公司 具有隔热组件的动力电池包
CN118234621A (zh) * 2021-12-16 2024-06-21 美国陶氏有机硅公司 具有限定含有吸热材料的空隙的有机硅泡沫层的层合阻隔物
CN118234620A (zh) * 2021-12-16 2024-06-21 美国陶氏有机硅公司 具有限定含有吸热材料的空隙的陶瓷或气凝胶层的层合阻隔物
EP4201665A1 (de) * 2021-12-21 2023-06-28 Nolax AG Verbundmaterial als hitze-, brand- und/oder rauchschutzmaterial
TW202404169A (zh) * 2022-03-04 2024-01-16 美商亞斯朋空氣凝膠公司 將絕緣層併入袋式電池的封裝層的材料、系統及方法
CN114605837B (zh) * 2022-03-10 2023-02-28 浙江葆润应用材料有限公司 一种用于电池包的一体成型防火pcm复合材料及其制备方法
CN114312604B (zh) * 2022-03-11 2022-06-17 浙江荣泰电工器材股份有限公司 一种新能源汽车用上盖热失控防护云母结构件及其制备方法
US20230299379A1 (en) * 2022-03-17 2023-09-21 GM Global Technology Operations LLC Immersion barrier for pouch battery cell thermal runaway mitigation
EP4265407A1 (en) * 2022-04-20 2023-10-25 Basf Se Thermal insulation composite
WO2023239306A1 (en) * 2022-06-10 2023-12-14 Aerogel R&D Pte. Ltd. Intumescent sheet used in an electric vehicle battery for thermal runaway management
WO2024055287A1 (en) * 2022-09-16 2024-03-21 Dow Silicones Corporation A silicone-based fire protection sheet, its production process, and battery package having the sheet
WO2024125962A1 (de) 2022-12-12 2024-06-20 Carl Freudenberg Kg Wärmeisolationsmaterial für elektrochemische zellen
DE202022106927U1 (de) 2022-12-12 2023-12-13 Carl Freudenberg KG Wärmeisolationsmaterial für elektrochemische Zellen
KR102660377B1 (ko) * 2023-02-05 2024-04-24 주식회사 보백씨엔에스 마이카를 이용한 절연시트의 제조방법 및 위 제조방법에 의해 제조되는 마이카 절연시트

Family Cites Families (42)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4454248A (en) 1982-09-29 1984-06-12 The Boeing Company Open cell rigid thermoset foams and method
US4532316A (en) 1984-05-29 1985-07-30 W. L. Gore & Assoc., Inc. Phase separating polyurethane prepolymers and elastomers prepared by reacting a polyol having a molecular weight of 600-3500 and isocyanate and a low molecular weight chain extender in which the ratios of reactants have a limited range
US4610863A (en) 1985-09-04 1986-09-09 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Process for forming transparent aerogel insulating arrays
DE3534738A1 (de) 1985-09-28 1987-04-09 Basf Ag Verfahren zur herstellung von elastischen melamin-schaumstoffen
DE3942813A1 (de) 1989-12-23 1991-06-27 Akzo Gmbh Laminat
WO1992003378A1 (en) 1990-08-23 1992-03-05 United States Department Of Energy A METHOD FOR PRODUCING METAL OXIDE AEROGELS HAVING DENSITIES LESS THAN 0.02 g/cm?3¿
DE4137405A1 (de) 1991-11-14 1993-05-19 Basf Ag Expandierbare styrolpolymerisate, enthaltend als treibmittel kohlendioxid
US5565142A (en) 1992-04-01 1996-10-15 Deshpande; Ravindra Preparation of high porosity xerogels by chemical surface modification.
US5395805A (en) 1993-03-25 1995-03-07 Regents Of The University Of California Method for making monolithic metal oxide aerogels
US5420168A (en) 1993-04-01 1995-05-30 The Regents Of The University Of California Method of low pressure and/or evaporative drying of aerogel
EP0793626B1 (de) 1994-11-23 1999-05-19 Cabot Corporation Aerogelhaltiges verbundmaterial, verfahren zu seiner herstellung sowie seine verwendung
US5814405A (en) 1995-08-04 1998-09-29 W. L. Gore & Associates, Inc. Strong, air permeable membranes of polytetrafluoroethylene
CN1077556C (zh) 1995-09-11 2002-01-09 卡伯特公司 含有气凝胶和粘合剂的复合材料,其制备方法及其应用
WO1998004607A1 (en) 1996-07-30 1998-02-05 Imperial Chemical Industries Plc Process for the preparation of polyurethane foams
AU731092B2 (en) 1996-11-08 2001-03-22 Huntsman International Llc Process for preparing rigid and flexible polyurethane foams
US6315971B1 (en) 1997-04-09 2001-11-13 Cabot Corporation Process for producing low density gel compositions
US5962539A (en) 1997-05-09 1999-10-05 Separex S.A. Process and equipment for drying a polymeric aerogel in the presence of a supercritical fluid
US6187831B1 (en) 1998-09-16 2001-02-13 Owens Corning Fiberglas Technology, Inc. Process for producing extruded foam products with higher levels of CO2 as a blowing agent
DE19932366B4 (de) * 1999-07-13 2005-06-16 Porextherm-Dämmstoffe Gmbh Isolierkörper mit zellartigem Gerüst und Verfahren zur Herstellung
EP1230008A1 (en) 1999-10-21 2002-08-14 Aspen Systems, Inc. Rapid aerogel production process
DE10027770A1 (de) 2000-06-07 2001-12-13 Basf Ag Verfahren zur Herstellung von Schaumstoffen aus Melamin/Formaldehyd-Kondensaten
JP2004517222A (ja) * 2000-12-22 2004-06-10 アスペン・エアロジエルズ・インコーポレーテツド エーロゲルと繊維バットの複合材料
BRPI0506437A (pt) 2004-01-06 2006-12-26 Aspen Aerogels Inc aerogéis de ormosil contendo polìmeros lineares ligados a silìcio
DE102004019708A1 (de) 2004-04-20 2005-11-17 Basf Ag Offenzellige Schaumstoffe und Verfahren zu ihrer Herstellung
US20070238008A1 (en) * 2004-08-24 2007-10-11 Hogan Edward J Aerogel-based vehicle thermal management systems and methods
US7635411B2 (en) 2004-12-15 2009-12-22 Cabot Corporation Aerogel containing blanket
US20070173157A1 (en) 2006-01-26 2007-07-26 Aspen Aerogels, Inc. Flexible coherent insulating structures
ES2358473T3 (es) 2007-05-11 2011-05-11 Decathlon Artículo de confección con efecto de contención heterogéneo para la práctica de un deporte.
US8937106B2 (en) 2010-12-07 2015-01-20 Basf Se Melamine resin foams with nanoporous fillers
US20130196137A1 (en) * 2012-01-27 2013-08-01 Aspen Aerogels, Inc. Composite Aerogel Thermal Insulation System
US9399864B2 (en) 2013-03-15 2016-07-26 Cabot Corporation Aerogel blanket and method of production
KR101485784B1 (ko) 2013-07-24 2015-01-26 주식회사 지오스에어로젤 단열 및 방음 기능 향상을 위한 에어로겔이 포함된 단열성 조성물 및 이를 이용한 단열원단의 제조방법
CN114804125A (zh) 2014-10-03 2022-07-29 斯攀气凝胶公司 改良的疏水性气凝胶材料
US10987910B2 (en) * 2015-07-27 2021-04-27 Basf Se Foam as adhesive for composites for thermal insulation
WO2017106524A1 (en) * 2015-12-15 2017-06-22 Crynamt Management Llc Microporous insulators
CN106410326A (zh) * 2016-10-31 2017-02-15 北京新能源汽车股份有限公司 用于车辆的电池模组
EP3627030A4 (en) * 2017-05-15 2020-04-15 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. THERMAL INSULATION MATERIAL AND THERMAL INSULATION STRUCTURE USING THE SAME
CN107181018B (zh) * 2017-05-15 2023-05-26 重庆南涪铝精密制造有限公司 一种具有隔热保护的冷热导管
CN109853226A (zh) 2017-11-30 2019-06-07 松下知识产权经营株式会社 绝热片和其制造方法以及电子设备和电池单元
MX2020008355A (es) * 2018-02-07 2020-09-25 Basf Se Elementos compuestos de material de aislamiento termico, adhesivo y capa externa.
CN208111504U (zh) * 2018-02-26 2018-11-16 苏州科尼普机电科技有限公司 电动汽车用铝镁合金轻量化电池箱体
WO2019167612A1 (ja) * 2018-02-27 2019-09-06 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 電池モジュール

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