JP6224071B2 - ジオポリマー前駆体エアロゲル組成物 - Google Patents

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Description

本開示は、一般に、組成物および複合体に関し、より詳細には、ジオポリマー前駆体エアロゲル組成物およびジオポリマーエアロゲル複合体に関する。
ジオポリマーは、無機ポリマーである。ジオポリマーは、アルミノケイ酸酸化物およびアルカリケイ酸塩などのジオポリマー前駆体を反応させることによって形成することができる。フライアッシュ、鉱くずおよび/またはボーキサイト残渣などの産業副産物を利用して、いくつかのジオポリマーを形成することが可能である。
ジオポリマーは、種々の用途に使用されてきた。他の材料と比較して、ジオポリマーは、現在、廃棄物として処理される副産物を利用して、有用で役立つ製品を提供することができ、および/またはジオポリマーは建築材市場の全域で製品特性を向上させることができる点でジオポリマーは有利であり得る。ジオポリマーのさらなる使用が望まれる。
本開示は、アルミノケイ酸塩反応物、アルカリ活性剤、エアロゲル添加剤および分散媒を有するジオポリマー前駆体エアロゲル組成物を提供する。
本開示は、第1の表面材と第2の表面材との間に位置する発泡材料と、発泡材料と第1の表面材との間にジオポリマーエアロゲル複合層とを有する耐火構造を提供する。ジオポリマーエアロゲル複合層は、アルミノケイ酸塩反応物、アルカリ活性剤、エアロゲル添加剤および分散媒を有するジオポリマー前駆体エアロゲル組成物を硬化することによって形成される。
上記本開示の概要は、本開示の各開示された実施形態またはすべての実施を記述することを意図するものではない。以下の説明は、実施形態をより具体的に示す。本出願全体にわたりいくつかの個所では、例のリストを介してガイダンスを提供し、それらの例は種々組み合わせて用いることが可能である。それぞれの例において、引用したリストは代表的な群としてのみ役立つものであり、排他的なリストと解釈されてはならない。
本開示のいくつかの実施形態による耐火構造の一部を示す。 図1Aの切断線1A−1A線に沿って描かれた図1Aの横断面図を示す。 本開示のいくつかの実施形態による耐火複合体構造の横断面図を示す。
ジオポリマー前駆体エアロゲル組成物を本明細書に記述する。一例として、ジオポリマー前駆体エアロゲル組成物は、アルミノケイ酸塩反応物、アルカリ活性剤、エアロゲル添加剤および分散媒を含むことができる。これらのジオポリマー前駆体エアロゲル組成物を硬化して、ジオポリマーエアロゲル複合体を形成することができる。
本明細書に開示するジオポリマー前駆体エアロゲル組成物から形成されるジオポリマーエアロゲル複合体は、種々の用途で有用になり得る。例えば、ジオポリマーエアロゲル複合体は、ジオポリマーエアロゲル複合体を持たないパネルなどの他のパネル方法と比較して、本明細書に開示する耐火性が改善された構造用断熱パネルを提供することができる。
構造用断熱パネルは、建築材料として用いることができる。構造用断熱パネルは、発泡材料、例えば構造用ボードの2つの層間に挟まれた硬質発泡体層を含むことができる。構造用ボードは有機ボードおよび/または無機ボードであり得る。例えば、構造用ボードは、他の種類のボードの中で、金属ボード、金属合金ボード、石膏ボード、合板ボードおよびそれらの組み合わせであり得る。
構造用断熱パネルは、壁材、屋根ふき材および/または床張り材などの種々の異なる用途で使用することができる。構造用断熱パネルは、例えば、商業ビル、居住用建物および/または貨物用コンテナで利用することができる。構造用断熱パネルは、構造用断熱パネルを使用しない他の建物またはコンテナと比較して、断熱パネルを使用する建物および/またはコンテナのエネルギー効率を上げるのに役立つことができる。
構造用断熱パネルは、必要な安定性および耐久性を備えている。例えば、構造用断熱パネルは、そのパネルを使用している建物またはコンテナの耐用寿命にわたり使用することができる。その後、断熱パネルは再使用または再生利用することができる。
本明細書に開示するジオポリマー前駆体エアロゲル組成物から形成されるジオポリマーエアロゲル複合体を使用することができる別の用途としては、断熱充填材が挙げられるがこれに限定されない。例えば、ジオポリマーエアロゲル複合体を使用して、耐熱性が要求される、例えば導管、湯沸器または他の装置の間隙を充填することができる。本明細書に開示するジオポリマー前駆体エアロゲル組成物から形成されるジオポリマーエアロゲル複合体を使用することができる別の用途としては、外壁断熱システムの構成部品としての用途である。例えば、外壁断熱システムとしては、断熱層および仕上げ層を挙げることができる。ジオポリマーエアロゲル複合体は、仕上げ層として使用してもよい。仕上げ層は、例えば、熱保護および/または屋外気候への曝露からの保護等の保護を断熱層にもたらすことができる。さらに、本明細書に開示するジオポリマー前駆体エアロゲル組成物から形成されるジオポリマーエアロゲル複合体は、充填材および/または断熱材を含むがこれらに限定されない種々の他の用途でも使用してよい。
本開示の以下の詳細な説明では、その一部を形成する添付の図面を参照し、説明において本開示の一または複数の実施形態を実施することができる方法を例として示す。これらの実施形態は、当業者が本開示の実施形態を実施することができる程度に十分に詳細に記述されており、他の実施形態を利用することもでき、および本開示の範囲から逸脱することなくプロセスの変更、電気的な変更および/または構造上の変更を行うことができることを理解されたい。
本明細書の図面は、1桁目の数字または最初の複数桁の数字が図面番号に対応し、残りの桁の数字が図面中の成分または構成部品を識別する番号付け規約に従っている。異なる図面間の同様の要素または構成部品は、同様の数字を使用することにより識別されることができる。例えば、104は図1Aの要素「4」に言及し、同様の要素は図2の204として言及されることができる。付随する数字を含む要素は、特定の図面を参照せずに言及されることもできる。例えば、「要素4は」特定の図面を参照せずに発明の詳細な説明で言及されることができる。
記述したように、ジオポリマー前駆体エアロゲル組成物を本明細書で説明する。ジオポリマー前駆体エアロゲル組成物は、アルミノケイ酸塩反応物を含むことができる。ジオポリマー前駆体と呼ばれることもあるアルミノケイ酸塩反応物は、本明細書で論じる他のジオポリマー前駆体と反応してジオポリマーを形成する。
アルミノケイ酸塩反応物は、アルミノケイ酸塩である。アルミノケイ酸塩は、アルミニウム原子、ケイ素原子および酸素原子を含む化合物である。アルミノケイ酸塩反応物は、フライアッシュ、焼成クレー、冶金スラグおよびそれらの組み合わせからなる群から選択されることができる。
フライアッシュは、石炭の燃焼から形成される副産物である。例えば、発電所ユーティリティ炉は、微粉炭を燃焼させて、フライアッシュを生成することができる。フライアッシュの構造、組成および他の特性は、石炭の組成およびフライアッシュが形成される燃焼プロセスに依存し得る。アメリカ材料試験協会(ASTM)C618標準は、フライアッシュC種およびフライアッシュF種などの異なる種のフライアッシュを承認している。フライアッシュC種は、褐炭または亜瀝青炭を燃焼して生成することができる。フライアッシュF種は、無煙炭または瀝青炭を燃焼して生成することができる。一または複数の実施形態の場合には、フライアッシュはフライアッシュF種、フライアッシュC種およびそれらの組み合わせからなる群から選択されることができる。
本明細書で用いる場合、「クレー」とは含水アルミニウムフィロケイ酸塩をいう。クレーは、種々の量の鉄、マグネシウム、アルカリ金属および/またはアルカリ土類金属を含むことができる。クレーの例としては、アンチゴライト、クリソタイル、リザルダイト、ハロイサイト、カオリナイト、イライト、モンモリロナイト、バーミキュライト、タルク、パリゴルスカイト、パイロフィライト、黒雲母、白雲母、金雲母、レピドライト、マーガライト、海緑石およびそれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。クレーをか焼することにより、焼成クレーを形成することができる。か焼は、クレーを500℃〜1000℃の温度に1時間から24時間の時間間隔で曝すことを含み得る。
冶金スラグは、溶鉱炉を使用するいくつかのプロセスを含む多数のプロセスで形成されることができる。例えば、冶金スラグは、鉄鉱石から銑鉄を取り出すプロセス中に形成されることができる。一部の冶金スラグは、27重量パーセント〜38重量パーセントのSiOと、7重量パーセント〜12重量パーセントのAlとを含み得る。冶金スラグは、例えば、CaO、MgO、FeおよびMnOも含み得る。
ジオポリマー前駆体エアロゲル組成物は、アルカリ活性剤を含み得る。ジオポリマー前駆体と呼ばれることもあるアルカリ活性剤は、本明細書で論じる他のジオポリマー前駆体と反応してジオポリマーを形成する。アルカリ活性化は、苛性環境下でケイ酸アルミニウム間、および/またはケイ酸アルミニウムと、アルカリおよび/もしくはアルカリ土類元素を含む化合物との間の反応を含む。一または複数の実施形態の場合には、アルカリ活性剤はケイ酸ナトリウムを含む。本明細書で用いる場合、ケイ酸ナトリウムとは、酸化ナトリウム(NaO)およびシリカ(SiO)を含む化合物をいう。ケイ酸ナトリウムは、重量比をSiOの重量をNaOの重量で割った商として表す場合、SiO/NaOの重量比を1.30〜5.00で有することができる。1.30を含む1.30〜5.00のすべての個々の値および部分範囲は、本明細書に含まれ、かつ本明細書に開示される。例えば、重量比をSiOの重量をNaOの重量で割った商として表す場合、ケイ酸ナトリウムは、SiO/NaOの重量比を1.30、1.40または1.50の下限から5.00、4.50または4.00の上限までの範囲で有することができる。例えば、重量比をSiOの重量をNaOの重量で割った商として表す場合、ケイ酸ナトリウムは、SiO/NaOの重量比を1.30〜5.00、1.40〜4.50、または1.50〜4.00の範囲で有することができる。ケイ酸ナトリウムの例としては、オルトケイ酸塩(NaSiO)、メタケイ酸塩(NaSiO)、二ケイ酸塩(NaSi)、四ケイ酸塩(NaSi)およびそれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。ケイ酸ナトリウムは、固体、溶液またはそれらの組み合わせとして使用されることができる。ケイ酸ナトリウム溶液は、水を含むことができる。ケイ酸ナトリウム溶液の水は、ケイ酸ナトリウム溶液の水酸化ナトリウムの重量パーセント、シリカの重量パーセント、および水の重量パーセントが合計してケイ酸ナトリウム溶液の100重量パーセントになるように、ケイ酸ナトリウム溶液の40重量パーセント〜75重量パーセントの値を有する量で使用することができる。40重量パーセント〜75重量パーセントを含むすべての個々の値および部分範囲は、本明細書に含まれ、かつ本明細書に開示される。例えば、ケイ酸ナトリウム溶液の水は、ケイ酸ナトリウム溶液の酸化ナトリウムの重量パーセント、シリカの重量パーセント、および水の重量パーセントが合計してケイ酸ナトリウム溶液の100重量パーセントになるように、40重量パーセント、43重量パーセントまたは45重量パーセントの下限から75重量パーセント、70重量パーセントまたは65重量パーセントの上限までの範囲であり得る。例えば、ケイ酸ナトリウム溶液の水は、ケイ酸ナトリウム溶液の酸化ナトリウムの重量パーセント、シリカの重量パーセント、および水の重量パーセントが合計してケイ酸ナトリウム溶液の100重量パーセントになるように、40重量パーセント〜75重量パーセント、43重量パーセント〜70重量パーセントまたは45重量パーセント〜70重量パーセントの範囲であり得る。
アルカリ活性剤は、アルカリ性水酸化物を含むことができる。アルカリ性水酸化物の例としては、水酸化ナトリウムおよび水酸化カリウムが挙げられるが、これらに限定されない。アルカリ活性剤は、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムおよびそれらの組み合わせからなる群から選択されることができる。アルカリ性水酸化物を含む実施形態の場合には、アルカリ性水酸化物は、ケイ酸ナトリウム溶液の酸化ナトリウムの重量パーセント、シリカの重量パーセント、水の重量パーセント、およびアルカリ性水酸化物の重量パーセントが合計してケイ酸ナトリウム溶液の100重量パーセントになるように、ケイ酸ナトリウム溶液の最高50重量パーセントまでの値を有する量で使用することができる。0重量パーセントを超えて、50重量パーセントを含むすべての個々の値および部分範囲は、本明細書に含まれ、かつ本明細書に開示される。例えば、アルカリ性水酸化物は、ケイ酸ナトリウム溶液の水酸化ナトリウムの重量パーセント、シリカの重量パーセント、水の重量パーセント、およびアルカリ性水酸化物の重量パーセントが合計してケイ酸ナトリウム溶液の100重量パーセントになるように、0重量パーセントを超える下限から50重量パーセント、45重量パーセントまたは40重量パーセントの上限までの範囲で使用することができる。例えば、アルカリ性水酸化物は、ケイ酸ナトリウム溶液の酸化ナトリウムの重量パーセント、シリカの重量パーセント、水の重量パーセント、およびアルカリ性水酸化物の重量パーセントが合計してケイ酸ナトリウム溶液の100重量パーセントになるように、0重量パーセント超えて50重量パーセントまで、0重量パーセント超えて45重量パーセントまで、0重量パーセント超えて40重量パーセントまでの範囲で値を有する量で使用することができる。
ジオポリマー前駆体エアロゲル組成物は、エアロゲル添加剤を含むことができる。エアロゲル添加剤は、アルミノケイ酸塩反応物およびアルカリ活性剤と対照的に、ジオポリマー前駆体ではない。一または複数の実施形態において、エアロゲル添加剤は、ジオポリマー前駆体エアロゲル組成物のジオポリマー前駆体と実質的に反応せず、例えば、エアロゲルはジオポリマー化反応の前、反応時、および反応後、微細多孔構造を維持する。エアロゲル添加剤は、ジオポリマー化反応時に未変化のままである。驚くべきことに、エアロゲル添加剤は、エアロゲル添加剤がシリカを含む場合でも、ジオポリマー用シリカの重要な供給源ではない。
ゲルは、流体によってゲル体積全体にわたり広がる非流体コロイド状ネットワークまたはポリマーネットワークである。エアロゲル、例えばエアロゲル添加剤は、その流体がガスである微細多孔質固体を含むゲルである。したがって、エアロゲルは、大量の粒子内細孔容積を有する低密度の多孔質固体と呼ばれることがある。エアロゲルは、例えば、湿潤ゲル材料から孔中の液体を除去することによって形成することができる。
異なる用途の場合、エアロゲル添加剤は、種々の材料から形成されることができる。一または複数の実施形態の場合には、エアロゲル添加剤は、シリカエアロゲル、アルミナエアロゲル、カーボンエアロゲ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。しかし、諸実施形態はそのように限定されることはない。例えば、ケイ素またはアルミニウム以外の、例えば、ジルコニウム、チタン、ハフニウム、バナジウム、イットリウム、他の金属類またはそれらの組み合わせの金属酸化物に基づくエアロゲル添加剤を使用してよい。カーボンエアロゲルは、有機エアロゲルと呼ばれることもある。カーボンエアロゲルの例としては、ホルムアルデヒドと結合したレゾルシノールから形成されるエアロゲル、ホルムアルデヒドと結合したメラミンから形成されるエアロゲル、樹枝状ポリマーから形成されるエアロゲルおよびそれらの組み合わせから形成されるエアロゲルが挙げられるが、これらに限定されない。
エアロゲル添加剤は、密度、例えば、1立方センチメートル当たり0.02g(g/cm)から0.25g/cmのかさ密度を有し得る。0.02g/cmを含む0.02g/cm〜0.25g/cmのすべての個々の値および部分範囲は、本明細書に含まれ、かつ本明細書に開示される。例えば、エアロゲル添加剤は、0.02g/cm、0.03g/cmまたは0.04g/cmの下限から0.25g/cm、0.22g/cmまたは0.20g/cmの上限までの範囲で密度を有し得る。例えば、エアロゲル添加剤は、0.02g/cm〜0.25g/cm、0.03g/cm〜0.22g/cmまたは0.04g/cm〜0.20g/cmの範囲で密度を有し得る。
エアロゲル添加剤は、1ナノメートル(nm)〜70nmの平均孔径を有し得る。1nmを含む1nm〜70nmのすべての個々の値および部分範囲は、本明細書に含まれ、かつ本明細書に開示される。例えば、エアロゲル添加剤は、1nm、2nmまたは5nmの下限から70nm、68nmまたは65nmの上限までの範囲で平均孔径を有し得る。例えば、エアロゲル添加剤は、1nm〜70nm、2nm〜68nmまたは5nm〜65nmの範囲で平均孔径を有し得る。
エアロゲル添加剤は、1グラム当たり300平方メートル(m/g)から1500m/gの平均表面積を有し得る。300m/gを含む300m/g〜1500m/gのすべての個々の値および部分範囲は、本明細書に含まれ、かつ本明細書に開示される。例えば、エアロゲル添加剤は、300m/g、325m/gまたは350m/gの下限から1500m/g、1250m/gまたは1000m/gの上限までの範囲で平均表面積を有し得る。例えば、エアロゲル添加剤は、300m/g〜1500m/g、325m/g〜1250m/gまたは350m/g〜1000m/gの範囲で平均表面積を有し得る。
エアロゲル添加剤は、例えば、別々の粒子および異なった粒子の微粒子であり得る。エアロゲル添加剤は、種々の用途用の異なった大きさおよび/または形状であり得る。例えば、エアロゲル添加剤は、いずれか1つの寸法が0.1マイクロメートルから100ミリメートルまでの粒径を有し得る。0.1マイクロメートルを含む0.1マイクロメートル〜100ミリメートルのすべての個々の値および部分範囲は、本明細書に含まれ、かつ本明細書に開示される。例えば、エアロゲル添加剤は、いずれか1つの寸法が0.1マイクロメートル,0.2マイクロメートルまたは0.3マイクロメートルの下限から100ミリメートル、95ミリメートルまたは90ミリメートルの上限までの範囲で粒径を有し得る。例えば、エアロゲル添加剤は、0.1マイクロメトル〜100ミリメートル、0.2マイクロメトル〜95ミリメートルまたは0.3マイクロメトル〜90ミリメートルの範囲で平均粒径を有し得る。本開示のいくつかの実施形態によれば、エアロゲル添加剤は、略球状であり得る。しかし、諸実施形態はそのように限定されることはない。本開示のいくつかの実施形態によれば、エアロゲル添加剤は実質的に非球状であり得る。実質的に非球形の例としては、立方形、多角形、細長い形状、異形およびそれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。
ジオポリマー前駆体エアロゲル組成物は、分散媒を含むことができる。一または複数の実施形態の場合には、分散媒は水を含むことができる。一または複数の実施形態の場合には、分散媒は水であり得る。分散媒は、一または複数のジオポリマー前駆体の溶解および/または加水分解に用いられることができる。
ジオポリマー前駆体エアロゲル組成物は、異なる用途用に種々の量の構成成分を含むことができる。アルミノケイ酸塩反応物は、アルミノケイ酸塩反応物の重量パーセント、アルカリ活性剤の重量パーセント、エアロゲル添加剤の重量パーセントおよび分散媒の重量パーセントが合計して組成物重量の100重量パーセントになるように、その組成物重量の10重量パーセント〜90重量パーセントであり得る。10重量パーセントを含む10重量パーセント〜90重量パーセントのすべての個々の値および部分範囲は、本明細書に含まれ、かつ本明細書に開示される。例えば、アルミノケイ酸塩反応物は、10重量パーセント、15重量パーセントまたは20重量パーセントの下限から90重量パーセント、85重量パーセントまたは80重量パーセントの上限までの範囲であり得る。アルカリ活性剤は、アルミノケイ酸塩反応物の重量パーセント、アルカリ活性剤の重量パーセント、エアロゲル添加剤の重量パーセントおよび分散媒の重量パーセントが合計して組成物重量の100重量パーセントになるように、その組成物重量の10重量パーセント〜90重量パーセントであり得る。10重量パーセントを含む10重量パーセント〜90重量パーセントのすべての個々の値および部分範囲は、本明細書に含まれ、かつ本明細書に開示される。例えば、アルカリ活性剤は、10重量パーセント、15重量パーセントまたは20重量パーセントの下限から90重量パーセント、85重量パーセントまたは80重量パーセントの上限までの範囲であり得る。エアロゲル添加剤は、アルミノケイ酸塩反応物の重量パーセント、アルカリ活性剤の重量パーセント、エアロゲル添加剤の重量パーセントおよび分散媒の重量パーセントが合計して組成物重量の100重量パーセントになるように、その組成物重量の0.25重量パーセント〜50重量パーセントであり得る。0.25重量パーセントを含む0.25重量パーセント〜50重量パーセントのすべての個々の値および部分範囲は、本明細書に含まれ、かつ本明細書に開示される。例えば、エアロゲル添加剤は、0.25重量パーセント、0.50重量パーセントまたは1.0重量パーセントの下限から50重量パーセント、45重量パーセントまたは40重量パーセントの上限までの範囲であり得る。分散媒は、アルミノケイ酸塩反応物の重量パーセント、アルカリ活性剤の重量パーセント、エアロゲル添加剤の重量パーセントおよび分散媒の重量パーセントが合計して組成物重量の100重量パーセントになるように、その組成物重量の10重量パーセント〜90重量パーセントであり得る。10重量パーセントを含む10重量パーセント〜90重量パーセントのすべての個々の値および部分範囲は、本明細書に含まれ、かつ本明細書に開示される。例えば、分散媒は、10重量パーセント、15重量パーセントまたは20重量パーセントの下限から90重量パーセント、85重量パーセントまたは80重量パーセントの上限までの範囲であり得る。
ジオポリマー前駆体エアロゲル組成物は、界面活性剤を含むことができる。界面活性剤は、親水性頭部と疎水性尾部とを有する化合物である。一または複数の実施形態の場合には、界面活性剤は、非イオン界面活性剤、陽イオン界面活性剤、陰イオン界面活性剤、両性界面活性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ことができる。界面活性剤は、異なる用途用に種々の量で使用され得る。例えば、界面活性剤は、アルミノケイ酸塩反応物の重量パーセント、アルカリ活性剤の重量パーセント、エアロゲル添加剤の重量パーセント、水の重量パーセントおよび界面活性剤の重量パーセントが合計して活性剤を含む組成物重量の100重量パーセントになるように、活性剤を含むその組成物の重量の0.10重量パーセント〜5.00重量パーセントの値を有する量で使用され得る。0.10重量パーセントを含む0.10重量パーセント〜5.00重量パーセントのすべての個々の値および部分範囲は、本明細書に含まれ、かつ本明細書に開示される。例えば、界面活性剤は、アルミノケイ酸塩反応物の重量パーセント、アルカリ活性剤の重量パーセント、エアロゲル添加剤の重量パーセント、水の重量パーセントおよび界面活性剤の重量パーセントが合計して界面活性剤を含む組成物の重量の100重量パーセントになるように、界面活性剤を含む組成物の重量の0.10重量パーセント、0.25重量パーセントまたは0.40重量パーセントの下限から5.00重量パーセント、3.00重量パーセントまたは1.00重量パーセントの上限までの範囲の値を有する量で使用され得る。界面活性剤を含む組成物重量の場合、アルミノケイ酸塩反応物の重量パーセント、アルカリ活性剤の重量パーセント、エアロゲル添加剤の重量パーセント、分散媒の重量パーセントおよび界面活性剤の重量パーセントが合計してその組成物重量の100重量パーセントになるように、アルミノケイ酸塩反応物は界面活性剤を含む組成物重量の10重量パーセント〜90重量パーセントであり得、アルカリ活性剤は界面活性剤を含む組成物重量の10重量パーセント〜90重量パーセントであり得、エアロゲル添加剤は界面活性剤を含む組成物重量の0.25重量パーセント〜50重量パーセントであり得、および分散媒は界面活性剤を含む組成物重量の10重量パーセント〜90重量パーセントであり得る。
非イオン界面活性剤は電荷を持たない。非イオン界面活性剤の例としては、アルキル多糖、アミンオキシド、ブロックコポリマー、ヒマシ油エトキシレート、セト−オレイルアルコールエトキシレート、セト−ステアリルアルコールエトキシレート、デシルアルコールエトキシレート、ジノニルフェノールエトキシレート、ドデシルフェノールエトキシレート、エンドキャップトエトキシレート、エーテルアミン誘導体、エトキシル化アルカノールアミド、エチレングリコールエステル、脂肪酸アルカノールアミド、脂肪アルコールアルコキシレート、ラウリルアルコールエトキシレート、単分岐アルコールエトキシレート、天然アルコールエトキシレート、ノニルフェノールエトキシレート、オクチルフェノールエトキシレート、オレイルアミンエトキシレート、ランダムコポリマーアルコキシレート、ソルビタンエステルエトキシレート、ステアリン酸エトキシレート、ステアリルアミンエトキシレート、合成アルコールエトキシレート、トール油脂肪酸エトキシレート、獣脂アミンエトキシレート、tridトリデカノールエトキシレートおよびそれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。
陽イオン界面活性剤は、溶液中で正の電荷を帯びる頭部を有する。陽イオン界面活性剤の例としては、アルキルジメチルアミン、アルキルアミドプロピルアミン、アルキルイミダゾリン誘導体、四級化アミンエトキシレート、第四級アンモニウム化合物およびそれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。
陰イオン界面活性剤は、溶液中で負の電荷を帯びる頭部を有する。陰イオン界面活性剤の例としては、アルキルエーテルリン酸塩、アルキルエーテルカルボン酸とその塩、アルキルエーテル硫酸塩、アルキルナフタレンスルホン酸塩、アルキルリン酸塩、アルキルベンゼンスルホン酸とその塩、アルキルフェノールエーテルリン酸塩、アルキルフェノールエーテル硫酸塩、αオレフィンスルホン酸塩、芳香族炭化水素スルホン酸、その塩と混合物、縮合ナフタレンスルホン酸塩、ジアルキルスルホコハク酸塩、脂肪アルコール硫酸塩、モノアルキルスルホコハク酸塩、アルキルスルホコハク酸塩、ナフタレンスルホン酸塩、およびそれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。
両性界面活性剤は、水のpHにより溶液中で陰イオン(負の電荷を帯びる)、陽イオン(正の電荷を帯びる)または非イオン(電荷を帯びない)になり得る。両性界面活性剤の例としては、アルキルアンフォ(ジ)アセテート、アミドベタイン、アルキルベタインおよびそれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。
本明細書に開示するように、ジオポリマー前駆体エアロゲル組成物を硬化して、ジオポリマーエアロゲル複合体を形成することができる。複合体とは、ジオポリマーとエアロゲルなどの各々が異なる特性を有する2つ以上の成分から形成される物質である。記述したように、ジオポリマーエアロゲル複合体は、ジオポリマーアエアロゲル複合体を持たないパネルなどの他のパネル方法と比較して、本明細書に開示する、耐火性が改善された構造用断熱パネルを提供することができる。
ジオポリマー、例えばジオポリマーエアロゲル複合体のジオポリマーは、式I:
[化1]
(M)y[-(SiO2)z-AlO2]x ・ w H2O
によって表すことができる。
式中、各Mは互いに独立して元素周期表の1族の陽イオンであり;xは2以上の整数であって、ポリシアル酸塩の反復単位の数を表し;yは、y対xの比が0を超え(y/x>0)て、好ましくは0を超えて2以下までで(0<y/x≦2)あるように選択された有理数または無理数であり;zは1から35までの有理数または無理数であり;およびwは、w対xの比(w/x)がポリシアル酸塩反復単位当たりの水のモル比を表すように、有理数または無理数である。zは、ポリシアル酸塩中のケイ素原子のモル対アルミニウム原子のモル(Si/Al)に等しいモル比を表す。ジオポリマー中のSiO官能基の分布は、ランダムであると特徴付けられることができる。このように、zは有理数または無理数であり得る。特に明記しない限り、「元素周期表」という語句は、国際純正・応用化学連合(IUPAC)によって発表された2007年6月22日付版の公式周期表をいう。
ジオポリマーエアロゲル複合体は、ジオポリマー前駆体エアロゲル組成物を20℃〜150℃の温度で硬化することによって形成することができる。20℃を含む20℃〜150℃のすべての個々の値および部分範囲は、本明細書に含まれ、かつ本明細書に開示される。例えば、ジオポリマーエアロゲル複合体は、20℃、25℃、30℃の下限から150℃、140℃または130℃の上限までの範囲の温度でジオポリマー前駆体エアロゲル組成物を硬化することによって形成することができる。例えば、ジオポリマーエアロゲル複合体は、20℃〜150℃、25℃〜140℃または30℃〜130℃の範囲の温度でジオポリマー前駆体エアロゲル組成物を硬化することによって形成することができる。ジオポリマーエアロゲル複合体は、例えば、1分未満から最高28日の時間間隔でジオポリマー前駆体エアロゲル組成物を硬化することによって形成することができる。1分未満を含む1分未満〜28日のすべての個々の値および部分範囲は、本明細書に含まれ、かつ本明細書に開示される。例えば、ジオポリマーエアロゲル複合体は、1分未満、1分または5分の下限から28日、24日または20日の上限までの範囲の時間間隔でジオポリマー前駆体エアロゲル組成物を硬化することによって形成することができる。例えば、ジオポリマーエアロゲル複合体は、1分未満〜28日、1分〜24日または5分〜20日の範囲の時間間隔でジオポリマー前駆体エアロゲル組成物を硬化することによって形成することができる。一または複数の実施形態の場合には、ジオポリマー前駆体エアロゲル組成物は、例えば、モールドの鋳型に鋳造して硬化させることができる。一または複数の実施形態の場合には、ジオポリマー前駆体エアロゲル組成物は、例えば、本明細書で論じる発泡材料および/または表面材などの基層に塗布してその上を硬化することができる。ジオポリマー前駆体エアロゲル組成物は、浸漬、吹付け、ローリング、コテ塗装または別の手順などの種々の手順によって基層に塗布することができる。
一または複数の実施形態の場合には、エアロゲル添加剤は、エアロゲル添加剤およびジオポリマーの合計がジオポリマーエアロゲル複合層の100体積パーセントになるように、ジオポリマーエアロゲル複合層の5体積パーセント〜95体積パーセントであり得る。5体積パーセントを含む5体積パーセント〜95体積パーセントのすべての個々の値および部分範囲は、本明細書に含まれ、かつ本明細書に開示される。例えば、エアロゲル添加剤は、エアロゲル添加剤およびジオポリマーの合計がジオポリマーエアロゲル複合層の100体積パーセントになるように、5体積パーセント、10体積パーセント、15体積パーセントの下限から95体積パーセント、85体積パーセントまたは75体積パーセントの上限までの範囲であり得る。例えば、エアロゲル添加剤は、エアロゲル添加剤およびジオポリマーの合計がジオポリマーエアロゲル複合層の100体積パーセントになるように、5体積パーセント〜95体積パーセント、10体積パーセント〜85体積パーセントまたは15体積パーセント〜75体積パーセントの範囲であり得る。
図1Aは、本開示のいくつかの実施形態による耐火構造102の一部分を示す。種々の用途の場合、本明細書に開示するように、耐火構造とは他の言及の中でもサンドイッチパネル、構造用断熱パネルまたは自立断熱パネルとよぶことがある。
本明細書に開示するように、耐火構造は種々のプロセスによって形成することができる。例えば、耐火構造は、二重コンベヤー配置を用いる連続積層プロセスなどの連続プロセスによって形成されることができ、プロセスでは、ジオポリマー前駆体エアロゲル組成物の構成成分を例えば、注ぐまたは吹付けて、柔軟または硬質であり得る第1の表面材面に堆積させることができ;次いで、発泡材料を形成するための反応混合物を硬化するジオポリマー前駆体エアロゲル組成物上に注ぐまたは吹付けて堆積することができ;次いで、発泡材料を形成するために、第2の表面材面を反応混合物に接触させることができる。種々の用途の場合、他の形成プロセスが用いられてもよい。例えば、ジオポリマー前駆体エアロゲル組成物の構成成分を例えば、注ぐまたは吹付けて、第2の表面材面に堆積させることができる。さらに、本明細書に開示するように、耐火構造は、第1の表面材および/または第2の表面材上にジオポリマー前駆体エアロゲル組成物の構成成分を例えば注ぐまたは吹付ける等の堆積することを含む不連続プロセスによって形成されることもできる。次いで、その内面にジオポリマーエアロゲル熱保護層を有する第1および第2の表面材をプレス内に配置して、発泡材料を形成するための反応混合物を第1の表面材と第2の表面材との間に例えば注ぐまたは注入して堆積させることができる。
耐火構造102は、種々の用途で利用されることができる。耐火性複合構造102は、第1の表面材106と第2の表面材108との間に位置する発泡材料104を含む。耐火性複合構造102は、発泡材料104と第1の表面材106との間にジオポリマーエアロゲル複合層110を含む。
発泡材料104は、例えば、不可逆反応によって硬化状態に形成されたポリマー発泡体等の熱硬化性発泡体であり得る。発泡材料104は、他の熱硬化性発泡体の中で、ポリイソシアヌレート発泡体、ポリウレタン発泡体、フェノール樹脂発泡体およびそれらの組み合わせであり得る。一例として、発泡材料104は硬質ポリウレタン/ポリイソシアヌレート(PU/PIR)発泡体であり得る。ポリイソシアヌレート発泡体は、ポリオール(例えばポリエステルグリコール)とイソシアネート(例えばメチレンジフェニルジイソシアネートおよび/またはポリ(メチレンジフェニルジイソシアネート))とを反応させることによって形成されることができる。反応では、イソシアネート基の当量はイソシアネート反応基のそれよりも大きく、化学量論過剰量はイソシアヌレート結合に変換され、例えばその比は1.8を超えることがある。ポリウレタン発泡体は、ポリオール(例えばポリエステルポリオールまたはポリエーテルポリオール)とイソシアネート(例えばメチレンジフェニルジイソシアネートおよび/またはポリ(メチレンジフェニルジイソシアネート))とを反応させることによって形成されることができる。反応では、イソシアネート基の当量対イソシアネート反応基の当量の比は、1.8未満である。フェノール樹脂発泡体は、フェノール(例えば石炭酸)とアルデヒド(例えばホルムアルデヒド)とを反応させることによって形成されることができる。発泡材料104を形成することは、膨張剤、界面活性剤および/または触媒を使用することも含み得る。
図1Bは、図1Aの切断線1A−1Aに沿って描いた図1Aの横断面図である。図1Bに示すように、発泡材料104は耐火構造102の第1の表面材と、第2の表面材との間に位置する。第1の表面材106および第2の表面材108は、種々の材料、例えば、複合建築材料に適した材料であり得る。例えば、本開示のいくつかの実施形態によれば、第1の表面材106および第2の表面材108は、互いに独立して、他の材料の中からアルミニウム、鋼鉄、ステンレス鋼、銅、ガラス繊維強化プラスチック、石膏またはそれらの組み合わせから形成されることができる。第1の表面材106および第2の表面材108は、互いに独立して、0.05ミリメートル〜25.00ミリメートルの厚さを有することができる。0.05ミリメートル〜25.00ミリメートルのすべての個々の値および部分範囲は、本明細書に含まれ、かつ本明細書に開示される。例えば、第1の表面材106および第2の表面材108は、互いに独立して、25.00ミリメートル、20.00ミリメートルまたは15.00ミリメートルの上限から0.05ミリメートル、0.10ミリメートルまたは0.20ミリメートルの下限までの厚さを有することができる。例えば、第1の表面材106および第2の表面材108は、互いに独立して、0.05ミリメートル〜25.00ミリメートル、0.10ミリメートル〜20.00ミリメートルまたは0.20ミリメートル〜15.00ミリメートルの厚さを有することができる。
発泡材料104は、3ミリメートル〜300ミリメートルの厚さ105を有することができる。3ミリメートル〜300ミリメートルのすべての個々の値および部分範囲は、本明細書に含まれ、かつ本明細書に開示される。例えば、発泡材料は、300ミリメートル、250ミリメートルまたは200ミリメートルの上限から3ミリメートル、5ミリメートルまたは7ミリメートルの下限までの厚さを有することができる。例えば、発泡材料は、3ミリメートル〜300ミリメートル、5ミリメートル〜250ミリメートルまたは7ミリメートル〜200ミリメートルの厚さを有することができる。
本開示のいくつかの実施形態によれば、耐火構造102は、発泡材料104と第1の表面材106との間にジオポリマーエアロゲル複合層110を含む。本明細書に論じるように、ジオポリマーエアロゲル複合層110は、ジオポリマー112およびエアロゲル114を含むことができる。
本明細書に論じるように、ジオポリマーエアロゲル複合体、例えばジオポリマーエアロゲル複合層110は、ジオポリマーアエアロゲル複合体を持たないパネルなどの他のパネル方法と比較して、本明細書に開示する耐火性が改善された構造用断熱パネルを提供することができる。ジオポリマーエアロゲル複合層110がもたらすことができるのは、同様の加熱作用に曝露される場合、ジオポリマーアエアロゲル複合層110を持たないパネルと比較して、発泡体材料104が少ない熱エネルギーを受けることである。―例として耐火性は、例えば耐火構造102の材料を炉からの加熱作用に曝露し、その後、炉と対向する材料の側で、および/または材料の厚さを超える特定の距離で、温度上昇を経時的に測定することによって決定することができる。同様の加熱条件下で、別の材料上での対応する温度と比較して、材料の一部分上でより低い温度を達成することによって、耐火性が改善したと考えられる。
図1Bに示すように、ジオポリマーエアロゲル複合層110は、例えば、発泡材料104上に隣接することができる。しかし、諸実施形態はそのように限定されることはない。例えば、ジオポリマーエアロゲル複合層110は、ジオポリマーエアロゲル複合層110を発泡材料104に接着する接着材によって部分的にまたは完全に発泡材料104から分離させることができる。接着材としては、熱硬化接着剤などの架橋性接着剤を挙げることができる。例えば、接着材としては、他の熱硬化接着剤の中でポリイソシアヌレート、ウレタン(例えばウレタン接着剤)、エポキシ系またはスルホン化ポリスチレンを挙げることができる。
ジオポリマーエアロゲル複合層110は、0.5ミリメートル〜100ミリメートルの厚さ111を有することができる。0.5ミリメートル〜100ミリメートルのすべての個々の値および部分範囲は、本明細書に含まれ、かつ本明細書に開示される。例えば、ジオポリマーエアロゲル複合層110は、100ミリメートル、80ミリメートルまたは60ミリメートルの上限から0.5ミリメートル、3ミリメートルまたは5ミリメートルの下限までの厚さ111を有することができる。例えば、ジオポリマーエアロゲル複合層110は、0.5ミリメートル〜100ミリメートル、3ミリメートル〜80ミリメートルまたは5ミリメートル〜60ミリメートルの厚さ111を有することができる。
再び図1Bを参照して、本開示のいくつかの実施形態によれば、第1の表面材106は、他の熱源の中で、熱源120、例えば、火に立ち向かうように構成することができる。図1Bに示す例において、熱は熱源120から第1の表面材106およびジオポリマーエアロゲル複合層110を通って発泡材料104まで伝わり得る。熱源120に対して発泡材料104の前面にジオポリマーエアロゲル複合層110を位置づけることにより、発泡材料104を保護するようにジオポリマーエアロゲル複合層110に所望の有効性をもたらし、および/または耐火構造102に耐火性の改善をもたらすのに役立つことができる。
図2は、本開示のいくつかの実施形態による耐火構造202の横断面図である。図2に示すように、耐火構造202は、2層以上のジオポリマーエアロゲル複合層、例えばジオポリマーエアロゲル複合層210−1および第2のジオポリマーエアロゲル複合層210−2を含むことができる。本明細書に記述するように、第2のジオポリマーエアロゲル複合層210−2は、ジオポリマーエアロゲル複合層210−1と同様の特性を有することができる。図2に示すように、第2のジオポリマーエアロゲル複合層210−2は、発泡材料204と第2の表面材208との間に位置することができる。図2は2層のジオポリマーエアロゲル複合層、210−1、210−2を示しているが、諸実施形態はそのように限定されることはない。例えば、本明細書に開示する耐火構造は、3層のジオポリマーエアロゲル複合層、4層のジオポリマーエアロゲル複合層またはより多層のジオポリマーエアロゲル複合層を含むことができる。
上述の説明は具体的な方法で示したが、限定的なものではない。上記の説明を検討すると、本開示の種々の実施形態の範囲が他の用途および/または構成成分を含むことは、当業者にとって明らかとなろう。
実施例において、材料に関する種々の用語および名称は、例えば以下を含み使用した。
ケイ酸ナトリウム溶液(アルカリ活性剤、グレード52ケイ酸ナトリウム溶液、Occidental Chemical Corporationから入手可能);フライアッシュ(アルミノケイ酸塩反応物、フライアッシュF種、BORAL(登録商標)から入手可能);界面活性剤(Pluonic(登録商標)P84,ブロックコポリマー非イオン界面活性剤、BASFから入手可能);分散媒(脱イオン水、検査室で生成);エアロゲル添加剤(Enova IC3110、Cabot Corporationから入手可能);表面材(厚さ0.3ミリメートルのタイプ304ステンレス鋼板)。
実施例1
ジオポリマー前駆体エアロゲル組成物(実施例1)を以下の通りに調製した。水(19.5グラム)およびケイ酸ナトリウム溶液(35.5グラム)を容器に加えて、混合した。Pluonic P84(0.834グラム)を容器の内容物に溶解して、混合した。フライアッシュ(89.5グラム)を容器の内容物に加えて、700〜900の毎分回転数で、高せん断ミキサー(モデルL1U08ミキサー、LIGHTNIN(登録商標)から入手可能)で混合した。エアロゲル添加剤(3.186グラム)を容器の内容物に加えて、混合した。
実施例2
ジオポリマーエアロゲル複合体(実施例2)を以下の通りに形成した。実施例1を鋳型に鋳造して、60℃で12時間硬化した。鋳型は、長さ76.2ミリメートル、幅76.2ミリメートルおよび奥行き10ミリメートルであった。実施例2を30体積パーセントのエアロゲル添加剤および70体積パーセントのジオポリマーとして決定した。
実施例3
ジオポリマー前駆体エアロゲル組成物(実施例3)を以下の変更を用いて実施例1のように調製した。水(29.5グラム)、ケイ酸ナトリウム溶液(35.5グラム)、Pluonic P84(0.834グラム)、フライアッシュ(89.5グラム)およびエアロゲル添加剤(17.350グラム)を用いて、実施例3を形成した。
実施例4
ジオポリマーエアロゲル複合体(実施例4)を、実施例1の代わりに実施例3を用いた変更と共に、実施例2のように形成した。実施例4を70体積パーセントのエアロゲル添加剤および30体積パーセントのジオポリマーとして決定した。
比較例A
ジオポリマー前駆体組成物(比較例A)を以下の通りに調製した。水(3.0グラム)およびケイ酸ナトリウム溶液(71.0グラム)を容器に加えて、混合した。フライアッシュ(179.0グラム)を容器の内容物に加えて、700〜900の毎分回転数で、高せん断ミキサー(モデルL1U08ミキサー、LIGHTNIN(登録商標)から入手可能)で混合した。
比較例B
ジオポリマー(比較例B)を以下の通りに調製した。比較例Aを鋳型に鋳造して、60℃で12時間硬化して、ジオポリマーを形成した。鋳型は、長さ76.2ミリメートル、幅76.2ミリメートルおよび奥行き10ミリメートルであった。
実施例2、実施例4および比較例Bの密度を測定した。表1のデータは実施例2、実施例4の密度を示す。表2のデータは、比較例Bの密度を示す。
表1〜2のデータは、実施例2および実施例4の両密度が比較例Bの密度よりも小さかったことを示す。比較例Bの密度と比較すると、実施例2および実施例4の低い密度は、エアロゲル添加剤がジオポリマー化プロセス時に消費されず、かつエアロゲル添加剤がジオポリマー用シリカの重要な供給源ではなかったことを示す。比較例Bの密度と比較すると、実施例2および実施例4の低い密度は、エアロゲル添加剤がジオポリマー化プロセス時に未変化のままであり、実施例2および実施例4がそれぞれジオポリマーエアロゲル複合体であったことを示す。
実施例2、実施例4および比較例Bの熱伝導率をホットディスク法で測定した。表3のデータは、ワット毎メートル毎ケルビン(W/(mK))での実施例2および実施例4の熱伝導率を示す。表4のデータは、比較例Bの(W/(mK))での熱伝導率を示す。
表3〜4のデータは、実施例2および実施例4の両熱伝導率が各試験した温度に対して比較例Bの熱伝導率よりも小さかったことを示す。比較例Bの熱伝導率と比較すると、実施例2および実施例4の低い熱伝導率は、エアロゲル添加剤がジオポリマー化プロセス時に消費されず、かつエアロゲル添加剤がジオポリマー用シリカの重要な供給源ではなかったことを示す。比較例Bの熱伝導率と比較すると、実施例2および実施例4の低い熱伝導率は、エアロゲル添加剤がジオポリマー化プロセス時に未変化のままであり、および実施例2および実施例4がそれぞれジオポリマーエアロゲル複合体であったことを示す。
実施例5
耐火構造(実施例5)を以下の通りに作製した。実施例1のように調製したジオポリマー前駆体エアロゲル組成物を鋳型に鋳造し、次いで発泡材料を鋳造したジオポリマー前駆体エアロゲル組成物上に押圧した。鋳造したジオポリマー前駆体エアロゲル組成物を60℃で12時間硬化して、発泡材料に接着させた厚さ10ミリメートルのジオポリマーエアロゲル複合層を形成した。発泡材料は、The Dow Chemical Companyから入手可能な厚さ150ミリメートルのVORATHERM(商標)CN604ポリイソシアヌレート系で作製したポリイソシアヌレート発泡体であった。厚さ0.3ミリメートルのタイプ304ステンレス鋼板を、非発泡ポリウレタン(FoamFast 74、3M(商標)から入手可能)を用いてジオポリマーエアロゲル複合層に接着させた。
比較例C
比較例Cは、以下の通りに作製した。比較例Aのように調製したジオポリマー前駆体組成物を鋳型に鋳造し、次いで発泡材料を鋳造したジオポリマー前駆体エアロゲル組成物上に押圧した。鋳造したジオポリマー前駆体組成物を60℃で12時間硬化して、発泡材料に接着させた厚さ10ミリメートルのジオポリマー層を形成した。発泡材料は、The Dow Chemical Companyから入手可能な厚さ150ミリメートルのVORATHERM(商標)CN604ポリイソシアヌレート系で作製したポリイソシアヌレート発泡体であった。厚さ0.3ミリメートルのタイプ304ステンレス鋼板を、非発泡ポリウレタン(FoamFast 74、3M(商標)から入手可能)を用いてジオポリマー層に接着させた。
実施例5および比較例Cの耐火性を以下の通りに試験した。76.2ミリメートル×76.2ミリメートルの穴をTHERMO SCIENTIFIC(登録商標)Thermolyneモデル48000炉の扉に形成した。EN1361−1試験標準で用いられる温度対時間曲線(ISO−834−1の加熱曲線と同一)による温度対時間曲線に従ってこの炉を1000℃まで加熱した。実施例5および比較例Cのそれぞれのステンレス鋼板を、炉扉の穴にそれぞれ固定した。温度を記録して耐火性を決定するために、熱源に曝されるステンレス鋼板から測定して80ミリメートル、100ミリメートルおよび120ミリメートルのところで実施例5の発泡材料中に熱電対を設置した。実験目的のために、実施例5には第2表面材を含まなかった。表5は、1時間および2時間で測定した実施例5の各熱電対の位置の温度に対応するデータを示す。温度を記録して耐火性を決定するために、熱源に曝されるステンレス鋼板から測定して80ミリメートル、100ミリメートルおよび120ミリメートルのところで比較例Cの発泡材料中に熱電対を設置した。比較例Cには第2表面材を含まなかった。表6は、1時間および2時間で測定した比較例Cの各熱電対の位置の温度に対応するデータを示す。
表5〜6のデータは、各試験時間の各熱電対の位置での実施例5の温度が、同じ試験時間の各対応する熱電対での比較例Cの温度よりも低かったことを示す。比較例Cと比較して、実施例5の低い温度は、比較例Cの耐火性と比較して実施例5の耐火性が向上したことを示す。

Claims (10)

  1. 耐火構造であって、
    第1の表面材と第2の表面材との間に位置する発泡材料と、
    前記発泡材料に隣接し、前記発泡材料と前記第1の表面材との間のジオポリマーエアロゲル複合層とを含み、
    前記発泡材料は、ポリウレタン発泡体、ポリイソシアヌレート発泡体、フェノール樹脂発泡体、およびそれらの組み合わせから選択され、
    前記ジオポリマーエアロゲル複合層が、
    アルミノケイ酸塩反応物と、
    ジオポリマー前駆体アルカリ活性剤と、
    シリカエアロゲル添加剤と、
    分散媒と、
    を含
    前記アルミノケイ酸塩反応物と前記ジオポリマー前駆体アルカリ活性剤とは反応し、式:
    [式中、各Mは互いに独立して元素周期表の1族の陽イオンであり;xは2以上の整数であって、ポリシアル酸塩の反復単位の数を表し;yは、y対xの比が0を超える(y/x>0)ように選択された有理数または無理数であり;zは1から35までの有理数または無理数であり;およびwは、w対xの比(w/x)がポリシアル酸塩反復単位当たりの水のモル比を表すように、有理数または無理数である。]
    で示されるジオポリマーを形成する、ジオポリマー前駆体エアロゲル組成物を硬化することによって形成される、耐火構造
  2. 前記アルミノケイ酸塩反応物が、フライアッシュ、焼成クレー、冶金スラグ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1に記載の耐火構造
  3. 前記フライアッシュが、クラスFフライアッシュ、クラスCフライアッシュ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2に記載の耐火構造
  4. 前記アルカリ活性剤が、ケイ酸ナトリウムを含む、請求項1〜3のいずれか1項に記載の耐火構造
  5. 前記アルカリ活性剤が、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、およびそれらの組み合わせからなる群から選択されるアルカリ性水酸化物を含む、請求項1〜4のいずれか1項に記載の耐火構造
  6. 前記組成物が、アルミナエアロゲル、カーボンエアロゲルまたはそれらの組み合わせをさらに含む、請求項1〜5のいずれか1項に記載の耐火構造
  7. 前記シリカエアロゲル添加剤が、1立方センチメートル当たり0.02グラムから1立方センチメートル当たり0.25グラムまでの密度を有する、請求項1〜6のいずれか1項に記載の耐火構造
  8. 前記シリカエアロゲル添加剤が、1ナノメートル〜70ナノメートルの平均孔径を有する、請求項1〜7のいずれか1項に記載の耐火構造
  9. 前記アルミノケイ酸塩反応物の重量パーセント、前記アルカリ活性剤の重量パーセント、前記シリカエアロゲル添加剤の重量パーセントおよび前記分散媒の重量パーセントが合計して組成物の100重量パーセントになるように、前記アルミノケイ酸塩反応物が前記組成物重量の10重量パーセント〜90重量パーセントであり、前記アルカリ活性剤が前記組成物重量の10重量パーセント〜90重量パーセントであり、前記シリカエアロゲル添加剤が前記組成物重量の0.25重量パーセント〜50重量パーセントであり、および前記分散媒が前記組成物重量の10重量パーセント〜90重量パーセントである、請求項1〜8のいずれか1項に記載の耐火構造
  10. 前記ジオポリマー前駆体エアロゲル組成物がさらに界面活性剤を含む、請求項1〜9のいずれか1項に記載の耐火構造
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