JP6592597B2 - エアロゲルシートの製造方法および装置 - Google Patents

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Description

本出願は、２０１６年１月１９日付けの韓国特許出願第１０‐２０１６‐０００６３４２号および２０１６年１０月１８日付けの韓国特許出願第１０‐２０１６‐０１３４９３９号に基づく優先権の利益を主張し、該当韓国特許出願の文献に開示された全ての内容は、本明細書の一部として組み込まれる。
本発明は、エアロゲルシートの製造方法および装置に関し、特に、断熱性および耐久性に優れるとともに、均一な厚さと形態を有するエアロゲルシートの製造方法および装置に関する。
通常、エアロゲルは、現在まで知られた固体の中でも、９０％以上、最大９９％程度の高い気孔率を有する高多孔性物質であって、シリカ前駆体溶液をゾル−ゲル重合反応させてゲルを形成した後、超臨界条件若しくは常圧条件の下で乾燥することで得ることができる。すなわち、エアロゲルは、空気が満ちている気孔構造を有している。
かかるエアロゲルは、内部空間の９０〜９９％が空いている独特の気孔構造により、軽いながらも断熱性、吸音性などの物性を有し、中でも最も大きい利点は、従来のスタイロフォームなどの有機断熱材の熱伝導度である３６ｍＷ／ｍ．ｋよりも著しく低い３０ｍＷ／ｍ．ｋ以下の熱伝導率を示す高断熱性を有するということである。
従来のエアロゲルは、断熱性および耐久性に劣り、特に、シートの厚さと形態が均一ではないという問題があった。
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであって、本発明の目的は、断熱性および耐久性に優れ、特に、均一な厚さと形態を有するエアロゲルシートの製造方法および装置を提供することにある。
上記のような目的を達成するための本発明の第１実施形態によるエアロゲルシートの製造方法は、（ａ）シリカゾルを準備するステップと、（ｂ）ゲル化用触媒を準備するステップと、（ｃ）ブランケット（ｂｌａｎｋｅｔ）の表面に、（ａ）ステップで準備したシリカゾルを噴射して含浸させるステップと、（ｄ）シリカゾルが含浸されたブランケットの表面に、（ｂ）ステップで準備したゲル化用触媒を噴射してシリカゾルをゲル化させるステップと、（ｅ）シリカゾルがゲル化したブランケットを切断することで、シリカゾルがゲル化したシートを製造するステップと、を含むことができる。
前記（ａ）ステップにおいて、ＴＥＯＳ（ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌ ｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ）とエタノールを混合してシリカゾルを準備することができる。
前記ＴＥＯＳ（ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌ ｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ）として、加水分解されたものを含んでもよい。
前記（ｂ）ステップにおいて、エタノールとアンモニア水（ＮＨ4ＯＨ）を混合してゲル化用触媒を準備することができる。
前記（ｃ）ステップおよび前記（ｄ）ステップは、前記ブランケットを一側から他側に搬送するコンベアベルト上で行うことができる。
前記コンベアベルトには、前記ブランケットの表面に噴射されたシリカゾルの厚さを調節する第１スクレーパと、前記ブランケットの表面に噴射されたゲル化用触媒の厚さを調節する第２スクレーパと、からなるスクレーパが含まれることができる。
前記（ｄ）ステップにおいて、前記ブランケットの表面に前記ゲル化用触媒を０．０３５〜０．０１２Ｌ／ｍｉｎの速度で噴射し、８〜１２分間放置することでシリカゾルをゲル化させることができる。
前記（ｅ）ステップにおいて、上下に往復運動する切断刃が備えられた切断装置を用いて、シリカゾルがゲル化したブランケットを同一のサイズに連続切断することで、シリカゾルがゲル化したシートを製造することができる。
前記（ｅ）ステップの後に、（ｆ）シリカゾルがゲル化したシートをエージングするステップをさらに含むことができる。
前記（ｆ）ステップにおいて、シリカゾルがゲル化したシートを７０℃の高温で５０分間エージングすることができる。
前記（ｆ）ステップにおいて、シリカゾルがゲル化したシートを常温で１０分間放置してからエージングを行うことができる。
前記（ｆ）ステップの後に、（ｇ）エージングされたシートにコーティング液を注入して表面を改質するステップをさらに含むことができる。
前記（ｇ）ステップにおいて、コーティング液は、エタノールとアンモニア水（ＮＨ4ＯＨ）を混合して製造することができる。
前記コーティング液は、前記（ｃ）ステップでブランケット（ｂｌａｎｋｅｔ）の表面に含浸されたシリカゾルの１．６倍の量で注入し、７０℃の高温で１時間エージングしてＨＭＤＳ（Ｈｅｘａｍｅｔｈｙｌｄｉｓｉｌａｚａｎｅ）を用いて表面を改質することができる。
前記（ｇ）ステップの後に、（ｈ）表面が改質されたシートを乾燥するステップを含むことができる。
前記（ｈ）ステップは、表面が改質されたシートを、２８℃および７０ｂａｒの環境で二酸化炭素を１０分間７０Ｌ／ｍｉｎの速度で注入して乾燥する一次乾燥ステップと、さらに１時間２０分間５０℃に昇温させて乾燥する二次乾燥ステップと、さらに５０℃および１５０ｂａｒの環境で二酸化炭素を２０分間０．７Ｌ／ｍｉｎの速度で注入して乾燥する三次乾燥ステップと、２０分間休止した後、二酸化炭素を２０分間０．７Ｌ／ｍｉｎの速度で注入して乾燥する四次乾燥ステップと、を含むことができる。
前記（ｈ）ステップにおける三次乾燥では、二酸化炭素を注入する間に、表面改質されたシートから発生したエタノールを回収することができる。
前記（ｈ）ステップは、四次乾燥の後に、二酸化炭素を２時間排出する排出ステップをさらに含むことができる。
前記（ｆ）、（ｇ）、および（ｈ）ステップは、シートを収容する反応容器内で行うことができる。
一方、本発明の第２実施形態によるエアロゲルシートの製造方法は、（Ａ）連続的にシリカゾルとゲル化用触媒を配合することで、触媒化されたゾルを形成するステップと、（Ｂ）少なくとも１つの繊維物質を供給するステップと、（Ｃ）前記触媒化されたゾルを移動要素上に分配し、前記移動要素上で前記触媒化されたゾルをゲル化させてゲルシートを形成するステップと、（Ｄ）前記触媒化されたゾルがゲル化した前記ゲルシートを切断することで、触媒化されたゾルがゲル化したシートを製造するステップと、を含み、前記繊維物質は、ゲル化前に前記触媒化されたゾルに配合されることができる。
前記（Ｄ）ステップにおいて、上下に往復運動する切断刃が備えられた切断装置を用いて前記ゲルシートを同一のサイズに連続切断することで、触媒化されたゾルがゲル化したシートを製造することができる。
前記シリカゾルは、無機物質、有機物質、および前記無機物質と前記有機物質の組み合わせ物からなる群から選択される物質を含むことができる。
前記移動要素は、触媒化されたゾルを支持するための端部を含むことができる。
前記無機物質は、ジルコニア、酸化イットリウム、ハフニア、アルミナ、チタニア、セリア、シリカ、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、およびこれらの組み合わせ物からなる群から選択されることができる。
前記有機物質は、ポリアクリレート、ポリオレフィン、ポリスチレン、ポリアクリロニトリル、ポリウレタン、ポリイミド、ポリフルフラールアルコール、フェノールフルフリルアルコール、メラミンホルムアルデヒド、レゾルシノールホルムアルデヒド、クレゾールホルムアルデヒド、フェノールホルムアルデヒド、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、およびこれらの組み合わせ物からなる群から選択されることができる。
前記繊維物質は、無機物質、有機物質、および前記無機物質と前記有機物質の組み合わせ物からなる群から選択される繊維を含むことができる。
前記繊維物質は、０．１μｍ〜１０，０００μｍの範囲の直径を有する繊維を含むことができる。
前記繊維物質は、０．００１μｍ〜１００μｍの範囲の直径を有する繊維を含むことができる。
本発明によるエアロゲルシートの製造方法は、前記ゲルシートにわたって縮れ状の繊維を分布させるステップをさらに含むことができる。
一方、上記のような本発明の第１実施形態によるエアロゲルシートの製造方法を行うための製造装置は、ブランケットがロール状に巻回された供給ローラと、前記供給ローラに巻回されたブランケットを一側から他側に搬送するコンベアベルトと、前記コンベアベルトに位置した前記ブランケットの表面にシリカゾルを噴射して含浸させるシリカゾル供給部材と、前記コンベアベルトに位置した前記ブランケットの表面にゲル化用触媒を噴射してシリカゾルをゲル化させる触媒供給部材と、前記コンベアベルトによって他側まで搬送された前記ブランケットを切断してシートを得る、切断刃が備えられた切断部材と、前記シートを収容し、収容したシートをエージングするか、コーティング液を注入して改質するか、高温で乾燥する反応容器と、を含むことができる。
本発明は、下記のような効果を奏する。
第一に、本発明は、エアロゲルシートの製造方法を用いることで、同一のサイズ、厚さ、および形態のエアロゲルシートを得ることができ、特に、断熱性および耐久性に優れたエアロゲルシートを得ることができる。
第二に、本発明によるエアロゲルシートの製造方法では、ＴＥＯＳ（ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌ ｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ）とエタノールを混合することで、高品質のシリカゾルを製造することができる。
第三に、本発明によるエアロゲルシートの製造方法では、加水分解されたＴＥＯＳを用いることで、高品質のシリカゾルを得ることができる。
第四に、本発明によるエアロゲルシートの製造方法では、エタノールとアンモニア水（ＮＨ4ＯＨ）を混合することで、高品質のゲル化用触媒を製造することができる。
第五に、本発明によるエアロゲルシートの製造方法では、ブランケットを一側から他側に搬送するコンベアベルトを用いることで、作業の連続性と工程の単純化を得ることができる。
第六に、本発明によるエアロゲルシートの製造方法では、コンベアベルトにスクレーパを含むことで、シリカゾルまたはゲル化用触媒の厚さを均一に調節することができる。
第七に、本発明によるエアロゲルシートの製造方法では、シリカゾルがゲル化したシートをエージングし、表面改質してから乾燥することで、高品質のエアロゲルシートを得ることができる。
本発明の第１実施形態によるエアロゲルシートの製造方法を示したフローチャートである。 本発明の第１実施形態によるエアロゲルシートの製造装置を示した図である。 本発明の第１実施形態によるエアロゲルシートの製造装置に含まれた反応容器を示した断面図である。 本発明の第２実施形態によるエアロゲルシートの製造方法を示した図である。
以下、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者が容易に実施できるように、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。しかし、本発明は様々な他の形態に実現可能であり、ここで説明する実施形態に限定されない。そして、図面において、本発明を明確に説明するために、説明と関係のない部分は省略しており、明細書全体にわたって類似の部分には類似の図面符号を付す。
［本発明の第１実施形態によるエアロゲルシートの製造方法］
本発明の第１実施形態によるエアロゲルシートの製造方法は、図１に示されているように、（ａ）シリカゾルを準備するシリカゾル準備ステップと、（ｂ）ゲル化用触媒を準備するゲル化用触媒準備ステップと、（ｃ）ブランケット（ｂｌａｎｋｅｔ）の表面にシリカゾルを噴射して含浸させるシリカゾル含浸ステップと、（ｄ）シリカゾルが含浸されたブランケットの表面にゲル化用触媒を噴射してシリカゾルをゲル化させるシリカゾルゲル化ステップと、（ｅ）シリカゾルがゲル化したブランケットを切断することでシートを得るブランケット切断ステップと、（ｆ）シリカゾルがゲル化したシートをエージングするシートエージングステップと、（ｇ）エージングされたシートにコーティング液を投入して表面を改質するシート表面改質ステップと、（ｈ）表面が改質されたシートを乾燥するシート乾燥ステップと、を含む。
以下、本発明の第１実施形態によるエアロゲルシートの製造方法をより詳細に説明する
（ａ）シリカゾル準備ステップ
（ａ）シリカゾル準備ステップは、シリカゾルを得るためのステップであって、ＴＥＯＳ（ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌ ｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ）とエタノールを混合してシリカゾルを製造する。すなわち、反応槽（不図示）にＴＥＯＳ１．２ｋｇとエタノール２．７ｋｇを含ませてシリカゾルを製造する。
一方、ＴＥＯＳは水との反応性に優れた溶媒であって、加水分解されたものを用いる。これにより、反応性をさらに高めることができる。すなわち、加水分解されたＴＥＯＳとエタノールを混合することで、反応性に優れたシリカゾルを得ることができる。
（ｂ）ゲル化用触媒準備ステップ
（ｂ）ゲル化用触媒準備ステップは、ゲル化用触媒を得るためのステップであって、エタノールとアンモニア水（ＮＨ4ＯＨ）を混合してゲル化用触媒を製造する。すなわち、反応槽（不図示）でエタノール０．５ｋｇとアンモニア水（ＮＨ4ＯＨ）３０ｍｌを混合してゲル化用触媒を製造する。
一方、図２は、本発明の（ｃ）シリカゾル噴射ステップ、（ｄ）シリカゾルゲル化ステップ、および（ｅ）ブランケット切断ステップを行うためのエアロゲルシート製造装置１００を示した図である。
すなわち、エアロゲルシート製造装置１００は、図２に示されているように、ブランケット１０がロール状に巻回された供給ローラ１１０と、供給ローラ１１０に巻回されたブランケット１０を一側から他側に搬送するコンベアベルト１２０と、コンベアベルト１２０に位置したブランケット１０の表面に、（ａ）ステップで製造したシリカゾル２０を噴射して含浸させるシリカゾル供給部材１３０と、コンベアベルト１２０に位置したブランケット１０の表面に、（ｂ）ステップで製造されたゲル化用触媒３０を噴射してシリカゾルをゲル化させる触媒供給部材１４０と、コンベアベルト１２０によって他側まで搬送されたブランケット１０を同一のサイズに連続して切断してシート１１を得る切断部材１５０と、を含み、切断されたシート１１は保管箱１７０に積載されることができる。
ここで、切断部材１５０はコンベアベルト１２０の他側の端部に備えられており、上下に連続して往復運動する切断刃１５１が設けられている。すなわち、切断刃１５１は、上下方向に往復運動しながら、コンベアベルト１２０の他側まで移動したブランケット１０を同一のサイズに連続して切断する。
一方、シリカゾル供給部材１３０または触媒供給部材１４０には、シリカゾルまたは触媒の噴射量を調節する調節弁１３１、１４１が備えられることができる。また、シリカゾル供給部材１３０または触媒供給部材１４０には、内部圧力を調節してシリカゾルまたは触媒の噴射速度を調節する圧力調節部１３２、１４２が備えられることができる。
このようなエアロゲルシート製造装置１００は、供給ローラ１１０によって巻回されたブランケット１０が供給されると、コンベアベルト１２０は、供給ローラ１１０によって供給されたブランケット１０を一側から他側まで搬送させる。この際、シリカゾル供給部材１３０は、コンベアベルト１２０によって搬送されるブランケット１０の表面に、（ａ）ステップで製造されたシリカゾル２０を噴射してシリカゾルを含浸させ、また、触媒供給部材１４０は、シリカゾルが含浸されたブランケット１０の表面にゲル化用触媒３０を噴射してシリカゾルをゲル化させる。シリカゾルがゲル化したブランケット１０が切断部材１５０によって所定のサイズに連続して切断されることで、シリカゾルがゲル化したシート１１が製造される。一方、シリカゾルがゲル化したシート１１は、保管箱１７０に積載して保管することができる。
ここで、コンベアベルト１２０には、ブランケット１０に噴射されたシリカゾル２０およびゲル化用触媒３０の厚さを均一に調節するスクレーパ１６０が含まれる。すなわち、スクレーパ１６０は、ブランケット１０の表面に噴射されたシリカゾル２０の厚さを均一に調節する第１スクレーパ１６１と、ブランケット１０の表面に噴射されたゲル化用触媒３０の厚さを均一に調節する第２スクレーパ１６２と、を含む。
すなわち、第１スクレーパ１６１と第２スクレーパ１６２は同一の形態を有し、コンベアベルト１２０の上面に上下方向に高さ調節可能に設けられて、シリカゾル２０およびゲル化用触媒３０の厚さを均一に調節する。ここで、第１スクレーパ１６１は、シリカゾル供給部材１３０と触媒供給部材１４０との間のコンベアベルト１２０の上面に備えられ、第２スクレーパ１６２は、触媒供給部材１４０と切断部材１５０との間のコンベアベルト１２０の上面に備えられる。
以下、エアロゲルシート製造装置１００を用いた（ｃ）シリカゾル含浸ステップ、（ｄ）シリカゾルゲル化ステップ、および（ｅ）ブランケット切断ステップを詳細に説明する。
（ｃ）シリカゾル噴射ステップ
（ｃ）シリカゾル噴射ステップでは、ブランケット（ｂｌａｎｋｅｔ）の表面に、（ａ）ステップで製造したシリカゾルを噴射して含浸させる。すなわち、（ａ）ステップで製造されたシリカゾル２０をシリカゾル供給部材１３０に注入して貯蔵する。次に、供給ローラ１１０に巻回されたブランケット１０がコンベアベルト１２０によってシリカゾル供給部材１３０の下部まで搬送されると、シリカゾル供給部材１３０を介してシリカゾル２０を噴射してブランケット１０の表面に含浸させる。
この際、ブランケット１０に噴射されたシリカゾル２０は、コンベアベルト１２０に設けられた第１スクレーパ１６１を通過しながら均一な厚さを有することになる。すなわち、第１スクレーパ１６１は、所定厚さ以上のシリカゾル２０は通過しないように遮断することで、シリカゾル２０の厚さを均一に調節することができる。
（ｄ）シリカゾルゲル化ステップ
（ｄ）シリカゾルゲル化ステップでは、（ｃ）ステップによりシリカゾルが含浸されたブランケット１０の表面にゲル化用触媒３０を噴射することで、シリカゾルをゲル化させる。すなわち、（ｂ）ステップで製造したゲル化用触媒３０を触媒供給部材１４０に注入して貯蔵する。次に、シリカゾルが含浸されたブランケット１０がコンベアベルト１２０によって触媒供給部材１４０の下部まで搬送されると、触媒供給部材１４０を介してゲル化用触媒３０をブランケット１０の表面に噴射することで、シリカゾルをゲル化させることができる。
ここで、触媒供給部材１４０は、貯蔵されたゲル化用触媒３０を設定された速度で噴射し、設定された時間放置することで、シリカゾルを安定してゲル化させる。すなわち、触媒供給部材１４０は、ブランケット１０の表面にゲル化用触媒３０を０．０３５〜０．０１２Ｌ／ｍｉｎの速度で噴射し、８〜１２分間放置することで、シリカゾルを徐々にゲル化させる。
特に、触媒供給部材１４０は、図４に示されているように、ブランケット１０に含浸されたシリカゾル２０の密度に応じて、ゲル化用触媒３０の噴射速度を異ならせてシリカゾルのゲル化を均一に調節することができる。
（ｅ）シリカゾルがゲル化したブランケットの切断ステップ
（ｅ）シリカゾルがゲル化したブランケットの切断ステップでは、触媒供給部材１４０によってシリカゾルがゲル化したブランケット１０が切断部材１５０を通過すると同時に、切断部材１５０の切断刃１５１が下降して切断部材１５０の下部に位置したブランケット１０の表面を切断する。これにより、シリカゾルがゲル化したシート１１を得ることができる。
一方、上記のように切断されたシリカゾルがゲル化したシート１１が（ｆ）シートエージングステップ、（ｇ）シート表面改質ステップ、および（ｈ）シート乾燥ステップを経ることで、エアロゲルシートが完成される。この際、反応容器１８０を用いる。
図３は本発明の第１実施形態による反応容器１８０を示した図である。
すなわち、反応容器１８０は、所定のサイズに切断された複数のシート１１を密閉されるように収容する収容空間１８１を有し、一端に収容空間１８１と連結される注入口１８２が形成され、他端に収容空間１８１と連結される排出口１８３が形成される。
以下、反応容器１８０を用いて、（ｆ）シートエージングステップ、（ｇ）シート表面改質ステップ、および（ｈ）シート乾燥ステップを説明する。
（ｆ）シートエージングステップ
（ｆ）シートエージングステップでは、シリカゾルがゲル化したシートをエージングする。すなわち、反応容器１８０の収容空間１８１に、（ｅ）ステップで切断されたシリカゾルがゲル化した複数のシート１１を収容した後、反応容器１８０の収容空間１８１を７０℃に加熱した状態で５０分間エージングすることで、シート１１の組織を均一化させる。
ここで、（ｆ）シートエージングステップでは、反応容器１８０でエージングする前に、常温（または２５℃）で１０分間放置してからエージングを行う。すなわち、シリカゾルの安定したゲル化を誘導してからエージングを行うことで、シート１１の組織をさらに均一化することができる。
（ｇ）シート表面改質ステップ
（ｇ）シート表面改質ステップでは、エージングされたシート１１にコーティング液を噴射して表面を改質する。すなわち、（ｇ）シート表面改質ステップでは、エタノールとアンモニア水（ＮＨ4ＯＨ）を混合してコーティング液を製造する。次に、シート１１が挿入されている反応容器１８０の注入口１８２を介してコーティング液を収容空間１８１に注入してシート１１の表面を改質する。この際、コーティング液は、（ｃ）ステップでブランケット（ｂｌａｎｋｅｔ）の表面に含浸されたシリカゾルの１．６倍の量で噴射し、反応容器１８０は７０℃の高温で１時間エージングしてＨＭＤＳ（Ｈｅｘａｍｅｔｈｙｌｄｉｓｉｌａｚａｎｅ）を用いてシート１１の表面を改質する。
一方、ＨＭＤＳ（Ｈｅｘａｍｅｔｈｙｌｄｉｓｉｌａｚａｎｅ）は、シートの表面を疎水性に変化させるために用いる。
（ｈ）シート乾燥ステップ
（ｈ）シート乾燥ステップでは、表面が改質されたシート１１を乾燥してシリカゲルシートを完成する。この際、（ｈ）シート乾燥ステップでは、反応容器１８０にシート１１が収容された状態で、超臨界乾燥を行う。すなわち、（ｈ）シート乾燥ステップは、表面改質されたシート１１を、２８℃および７０ｂａｒの環境で二酸化炭素を１０分間７０Ｌ／ｍｉｎの速度で注入して乾燥する一次乾燥ステップと、１時間２０分間 ５０℃に昇温させて乾燥する二次乾燥ステップと、さらに５０℃および１５０ｂａｒの環境で二酸化炭素を２０分間０．７Ｌ／ｍｉｎの速度で注入して乾燥する三次乾燥ステップと、２０分間休止した後、二酸化炭素を２０分間０．７Ｌ／ｍｉｎの速度で注入して乾燥する四次乾燥ステップと、を含む。このような乾燥ステップを行うことで、シート１１の乾燥率を高めることができる。
一方、（ｈ）シート乾燥ステップの三次乾燥では、二酸化炭素とシート１１の化学反応によって反応容器１８０内にエタノールが発生し、この反応容器１８０に発生したエタノールは、排出口１８３を介して排出させて回収する。
そして、（ｈ）シート乾燥ステップは、四次乾燥の後、二酸化炭素を２時間排出する排出ステップを含み、これにより、シート１１に緩やかな環境変化を誘導してシート１１の組織を均一化する。
このような本発明の第１実施形態によるエアロゲルシートの製造方法が完了されると、均一なサイズ、厚さ、および形態を有し、断熱性および耐久性の高いエアロゲルシートを得ることができる。
以下、本発明による他の実施形態を説明するにあたり、同一の機能を有する構成には同一の符号を用い、重複される説明は省略する。
［本発明の第２実施形態によるエアロゲルシートの製造方法］
本発明の第２実施形態によるエアロゲルシートの製造方法は、（Ａ）連続的にシリカゾルとゲル化用触媒を配合することで、触媒化されたゾルを形成するステップと、（Ｂ）少なくとも１つの繊維物質を供給するステップと、（Ｃ）前記触媒化されたゾルを移動要素上に分配し、前記移動要素上で前記触媒化されたゾルをゲル化させてゲルシートを形成するステップと、（Ｄ）前記触媒化されたゾルがゲル化した前記ゲルシートを切断することで、触媒化されたゾルがゲル化したシートを製造するステップと、を含み、前記繊維物質は、ゲル化前に前記触媒化されたゾルに配合されることができる。
一方、図４に示された図面番号は、次のとおりである。１１は、安定したシリカゾル、１２は、制御された条件で適切な量が添加される際に、ゾルのゲル化を誘導するゲル化用触媒、１３は、流量制御位置を示し、１４は、固定されたミキサ、１５は、シリカゾルとゲル化用触媒とが完全に混合される流体混合システムでの位置、１６は、スクレーパ／潤滑素子（選択的）、１７は、繊維物質である繊維中綿物質（アセンブリーに供給される分離シートまたはロールであってもよい）、１８は、触媒化されたゾルがゲル化したゲルシートを切断する前に、ゲル化が起こる長さに沿ってモールディング表面を形成する２つの移動要素である、カウンター回転コンベアベルトを示す。
このような本発明の第２実施形態によるエアロゲルシートの製造方法は、シリカゾルの低い粘度の溶液と、ゲル形成を誘導するゲル化用触媒（熱触媒または化学触媒）を連続して配合し、移動要素、例えば、ゲル化が移動要素上で効果的に起こるように予め設定された速度で、触媒化されたゾルを分配させる。すなわち、ゲルシートの容積を制限する端部を有するコンベアベルト上でゲルシートを形成するための方法を述べる。
前記シリカゾルは、無機、有機、無機／有機混成物質の組み合わせを含む。前記無機物質は、ジルコニア、酸化イットリウム、ハフニア、アルミナ、チタニア、セリア、シリカ、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、およびこれらの組み合わせ物を含む。
前記有機物質は、ポリアクリレート、ポリオレフィン、ポリスチレン、ポリアクリロニトリル、ポリウレタン、ポリイミド、ポリフルフラールアルコール、フェノールフルフリルアルコール、メラミンホルムアルデヒド、レゾルシノールホルムアルデヒド、クレゾールホルムアルデヒド、フェノールホルムアルデヒド、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、およびこれらの組み合わせ物を含む。
また、本方法は、モノリスゲルシート、または２つの部分、すなわち、強化繊維およびゲルマトリックスを有する繊維-強化ゲルの複合物の形成について述べる。強化繊維物質は、高級繊維構造、すなわち、中綿の形態、好ましくは熱可塑性のポリエステルまたはシリカ繊維をベースとし、より好ましくは連続的または半連続的にそれぞれ任意に分布された短繊維（マイクロ繊維）に配合される。また、繊維の中綿（ｂａｔｔｉｎｇ）またはマット物質が、ゲル化前に触媒化されたゾルとの配合のために移動要素上に導入される。
さらに、ゲルマトリックスが、高級中綿物質、特に、非常に低いデニールの繊維で構成された連続的不織布中綿によって強化される場合、最終複合物質は、溶媒抽出によってエアロゲルまたはキセロゲル製品中で乾燥される時に、さらに強く、さらに耐久性のある形態で、モノリスエアロゲルまたはキセロゲルに類似した熱的特性を維持する。用いられた繊維の直径は、０．１ミクロン〜１０，０００ミクロンの範囲内である。ある場合には、０．００１ミクロン〜１００ミクロンの範囲内のナノ繊維がゲルの強化に用いられる。繊維中綿に加えて、縮れ状の繊維がゲル構造にわたって分布することができる。
一方、高級中綿は、嵩および（最大嵩復元があるかない）ある復元力（ｒｅｓｉｌｉｅｎｃｅ）の特性を示す繊維物質に限定される。好ましい形態は、この物質の柔らかい織物である。高級中綿強化物質の使用は、エアロゲルの熱的性能の実質的な低下（ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ）を防止するとともに、支持されないエアロゲルの嵩を最小化する。中綿は、好ましくは、裏地キルトとして用いられるか、詰め込みまたは包装に用いられるか、熱的絶縁の断熱材として一般に用いられる繊維物質の層またはシートを意味する。
また、高級中綿およびＸ‐Ｙ方向の引張強度を有する層の形成のために適した繊維物質は、無機物質、有機物質、および前記無機物質と前記有機物質の組み合わせ物からなる群から選択される何れかの繊維形成物質を含む。適した物質は、ガラス繊維、石英、ポリエステル（ＰＥＴ）、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）、ポリフェニレンベンゾ‐ビスオキサゾール（ＰＢ０）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリアリレート、ポリアクリレート、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＥＥ）、ポリ‐メタフェニレンジアミン（Ｎｏｍｅｘ）、ポリパラフェニレンテレフタルアミド（Ｋｅｖｌａｒ）、超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）、例えば、スペクトラＴＭ、ノボロイドレジン（Ｋｙｎｏｌ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ＰＡＮ／炭素、および炭素繊維を含む。
そして、本方法は、移動コンベア装置上にエネルギー分解ゾーンを導入することで、連続的または半連続的にゲル複合物を形成するための方法を述べる。触媒化されたゾルのゲル化は、化学的またはエネルギー分解工程によって強化されることができる。例えば、電磁気（紫外線、可視光線、赤外線、マイクロ波）、音波（超音波）、または微粒子放射の制御された流れは、ゲル化点を得るためにシリカゾルに含まれた重合体の十分な交差結合を誘導するために、コンベアベルトによって収容された移動するゾル容積の幅にわたって導入されることができる。放射の流れ、ポイント、および領域は、コンベアの終端がゲルの与えられた部分に到達するまで、最適化されたキャスティングの割合および好ましいゲル特性を得るために、搬送装置に沿って制御されることができる。このような方法により、ゲル特性が、バッチキャスティング方法で不可能であった非常に新しい方式により制御されることができる。さらに、第１移動要素と反対方向に回転する他の移動要素は、ゲルシートの上部の形状を提供するために用いられることができる。
すなわち、本発明の第２実施形態によるエアロゲルシートの製造方法は、図４を参照すると、シリカゾルの分配および触媒混合システム、ならびにカウンター回転コンベア装置を用いて、連続的または半連続的な方式により繊維強化ゲルシートを製造する。ここで、触媒化されたゾルがゲル化した前記ゲルシートをベルトの終端で連続して切断すると、同一のサイズを有する触媒化されたゾルがゲル化したシートを製造することができる。
ここで、（Ｄ）シリカゾルがゲル化したゲルシート切断ステップでは、シリカゾルがゲル化したゲルシートが切断部材２０を通過すると同時に、切断部材２０の切断刃２０ａが下降して切断部材２０の下部に位置したゲルシートの表面を切断することで、シリカゾルがゲル化したシート１を得ることができる。
一方、上記のように切断されたシリカゾルがゲル化したシート１が（Ｅ）シートエージングステップ、（Ｆ）シート表面改質ステップ、および（Ｇ）シート乾燥ステップを経ることで、エアロゲルシートが完成される。この際、図３に示された反応容器１８０を用いる。
（Ｅ）シートエージングステップでは、シリカゾルがゲル化したゲルシートをエージングする。すなわち、反応容器１８０の収容空間１８１に、（Ｄ）ステップで切断されたシリカゾルがゲル化した複数のシート１を収容した後、反応容器１８０の収容空間１８１を７０℃まで加熱した状態で５０分間エージングすることで、シート１の組織を均一化させる。
ここで、（Ｅ）シートエージングステップでは、反応容器１８０でエージングする前に、常温（または２５℃）で１０分間放置してからエージングを行う。すなわち、シリカゾルの安定したゲル化を誘導するエージングを行うことで、シート１の組織をさらに均一化することができる。
（Ｆ）シート表面改質ステップでは、エージングされたシート１にコーティング液を噴射して表面を改質する。すなわち、（Ｆ）シート表面改質ステップでは、エタノールとアンモニア水（ＮＨ4ＯＨ）を混合してコーティング液を製造する。次に、シート１が挿入されている反応容器１８０の注入口１８２を介してコーティング液を収容空間１８１に注入してシート１の表面を改質する。この際、コーティング液は、（Ｂ）ステップで繊維物質の表面に含浸されたシリカゾルの１．６倍の量で噴射し、反応容器１８０は７０℃の高温で１時間エージングしてＨＭＤＳ（Ｈｅｘａｍｅｔｈｙｌｄｉｓｉｌａｚａｎｅ）を用いてシート１の表面を改質する。
一方、ＨＭＤＳ（Ｈｅｘａｍｅｔｈｙｌｄｉｓｉｌａｚａｎｅ）は、ゲルシートの表面を疎水性に変化させるために用いる。
（Ｇ）シート乾燥ステップでは、表面が改質されたシート１を乾燥してシリカゲルシートを完成する。この際、（Ｇ）シート乾燥ステップでは、反応容器１８０にシート１が収容された状態で、超臨界乾燥を行う。すなわち、（Ｇ）シート乾燥ステップは、表面改質されたシート１を、２８℃および７０ｂａｒの環境で二酸化炭素を１０分間７０Ｌ／ｍｉｎの速度で注入して乾燥する一次乾燥ステップと、１時間２０分かけて５０℃に昇温させて乾燥する二次乾燥ステップと、さらに５０℃および１５０ｂａｒの環境で二酸化炭素を２０分間０．７Ｌ／ｍｉｎの速度で注入して乾燥する三次乾燥ステップと、２０分間休止した後、二酸化炭素を２０分間０．７Ｌ／ｍｉｎの速度で注入して乾燥する四次乾燥ステップと、を含む。このような乾燥ステップを行うことで、シート１の乾燥率を高めることができる。
一方、（Ｇ）シート乾燥ステップの三次乾燥では、二酸化炭素とシート１の化学反応によって反応容器１８０内にエタノールが発生し、この反応容器１８０に発生したエタノールは、排出口１８３を介して排出して回収する。
そして、（Ｇ）シート乾燥ステップは、四次乾燥の後、二酸化炭素を２時間排出する排出ステップを含み、これにより、シート１に緩やかな環境変化を誘導してシート１の組織を均一化する。
したがって、本発明の第２実施形態によるエアロゲルシートの製造方法が完了されると、均一なサイズ、厚さ、および形態を有し、断熱性および耐久性が高いシート１を得ることができる。
本発明の範囲は、上記の詳細な説明よりは、後述の特許請求の範囲により明らかになり、特許請求の範囲の意味および範囲、そしてその均等概念から導出される様々な実施形態が可能である。

Claims (21)

  1. （ａ）シリカゾルを準備するステップと、
    （ｂ）ゲル化用触媒を準備するステップと、
    （ｃ）ブランケット（ｂｌａｎｋｅｔ）の表面に、（ａ）ステップで準備したシリカゾルを噴射して前記シリカゾルを含浸させるステップと、
    （ｄ）前記シリカゾルが含浸された前記ブランケットの表面に、（ｂ）ステップで準備したゲル化用触媒を噴射して前記シリカゾルをゲル化させるステップと、
    （ｅ）前記シリカゾルがゲル化したブランケットを切断することで、シリカゾルがゲル化したシートを製造するステップと、を含む、エアロゲルシートの製造方法であって、
    前記（ｅ）ステップの後に、（ｆ）前記シリカゾルがゲル化したシートをエージングするステップをさらに含み、
    前記（ｆ）ステップの後に、（ｇ）エージングされたシートにコーティング液を注入して前記シートの表面を改質するステップをさらに含む
    エアロゲルシートの製造方法。
  2. 前記（ａ）ステップにおいて、ＴＥＯＳ（ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌ ｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ）とエタノールを混合してシリカゾルを準備する、請求項１に記載のエアロゲルシートの製造方法。
  3. 前記ＴＥＯＳ（ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌ ｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ）として、加水分解されたＴＥＯＳを含む、請求項２に記載のエアロゲルシートの製造方法。
  4. 前記（ｂ）ステップにおいて、エタノールとアンモニア水（ＮＨ4ＯＨ）を混合してゲル化用触媒を準備する、請求項１〜３のいずれか一項に記載のエアロゲルシートの製造方法。
  5. 前記（ｃ）ステップおよび前記（ｄ）ステップは、前記ブランケットを一側から他側に搬送するコンベアベルト内で行う、請求項１〜４のいずれか一項に記載のエアロゲルシートの製造方法。
  6. 前記コンベアベルトには、前記ブランケットの表面に噴射されたシリカゾルの厚さを調節する第１スクレーパと、前記ブランケットの表面に噴射されたゲル化用触媒の厚さを調節する第２スクレーパと、からなるスクレーパが含まれる、請求項５に記載のエアロゲルシートの製造方法。
  7. 前記（ｄ）ステップにおいて、前記ブランケットの表面に前記ゲル化用触媒を０．０３５〜０．０１２Ｌ／ｍｉｎの速度で噴射し、８〜１２分間放置することでシリカゾルをゲル化させる、請求項１〜６のいずれか一項に記載のエアロゲルシートの製造方法。
  8. 前記（ｅ）ステップにおいて、上下に往復運動する切断刃が備えられた切断装置を用いて、前記シリカゾルがゲル化した前記ブランケットを同一のサイズに連続切断することで、前記シリカゾルがゲル化したシートを製造する、請求項１〜７のいずれか一項に記載のエアロゲルシートの製造方法。
  9. 前記（ｆ）ステップにおいて、前記シリカゾルがゲル化したシートを７０℃の高温で５０分間エージングする、請求項１〜８のいずれか一項に記載のエアロゲルシートの製造方法。
  10. 前記（ｆ）ステップにおいて、前記シリカゾルがゲル化したシートを常温で１０分間放置してからエージングを行う、請求項１〜９のいずれか一項に記載のエアロゲルシートの製造方法。
  11. 前記（ｇ）ステップにおいて、前記コーティング液は、エタノールとアンモニア水（ＮＨ4ＯＨ）を混合して製造する、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のエアロゲルシートの製造方法。
  12. 前記コーティング液は、前記（ｃ）ステップでブランケット（ｂｌａｎｋｅｔ）の表面に含浸されたシリカゾルの１．６倍の量で注入し、７０℃の高温で反応容器中で１時間エージングしてＨＭＤＳ（Ｈｅｘａｍｅｔｈｙｌｄｉｓｉｌａｚａｎｅ）を用いて前記ブランケットの表面を改質する、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のエアロゲルシートの製造方法。
  13. 前記（ｇ）ステップの後に、（ｈ）表面が改質されたシートを乾燥するステップをさらに含む、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のエアロゲルシートの製造方法。
  14. 前記（ｈ）ステップは、
    表面が改質されたシートを、２８℃および７０ｂａｒの環境で二酸化炭素を１０分間７０Ｌ／ｍｉｎの速度で注入して乾燥する一次乾燥ステップと、
    さらに１時間２０分間 ５０℃に昇温させて乾燥する二次乾燥ステップと、
    さらに５０℃および１５０ｂａｒの環境で二酸化炭素を２０分間０．７Ｌ／ｍｉｎの速度で注入して乾燥する三次乾燥ステップと、
    ２０分間休止した後、二酸化炭素を２０分間０．７Ｌ／ｍｉｎの速度で注入して乾燥する四次乾燥ステップと、
    を含む、請求項１３に記載のエアロゲルシートの製造方法。
  15. 前記（ｈ）ステップにおける三次乾燥では、二酸化炭素を注入する間に、表面改質されたシートから発生したエタノールを回収する、請求項１４に記載のエアロゲルシートの製造方法。
  16. 前記（ｈ）ステップは、四次乾燥の後に、二酸化炭素を２時間排出する排出ステップをさらに含む、請求項１４または１５に記載のエアロゲルシートの製造方法。
  17. 前記（ｆ）、（ｇ）、および（ｈ）ステップは、シートを収容する反応容器内で行う、請求項１３〜１６のいずれか一項に記載のエアロゲルシートの製造方法。
  18. （Ａ）連続的にシリカゾルとゲル化用触媒を配合することで、触媒化されたゾルを形成するステップと、
    （Ｂ）少なくとも１つの繊維物質を供給するステップと、
    （Ｃ）前記触媒化されたゾルを移動要素上に分配し、前記移動要素上で前記触媒化されたゾルをゲル化させてゲルシートを形成するステップと、
    （Ｄ）前記触媒化されたゾルがゲル化した前記ゲルシートを切断することで、前記触媒化されたゾルがゲル化したシートを製造するステップと、を含み、
    前記繊維物質は、ゲル化前に前記触媒化されたゾルに配合される、エアロゲルシートの製造方法であって、
    前記（Ｄ）ステップの後に、（Ｅ）前記シリカゾルがゲル化したシートをエージングするステップをさらに含み、
    前記（Ｅ）ステップの後に、（Ｆ）エージングされたシートにコーティング液を注入して前記シートの表面を改質するステップをさらに含む、
    エアロゲルシートの製造方法。
  19. 前記繊維物質は、０．１μｍ〜１０，０００μｍの範囲の直径を有する繊維を含む、請求項１８に記載のエアロゲルシートの製造方法。
  20. 前記ゲルシートにわたって縮れ状の繊維を分布させるステップをさらに含む、請求項１８または１９に記載のエアロゲルシートの製造方法。
  21. ブランケットがロール状に巻回された供給ローラと、
    前記供給ローラに巻回されたブランケットを一側から他側に搬送するコンベアベルトと、
    前記コンベアベルトに位置した前記ブランケットの表面にシリカゾルを噴射して含浸させるシリカゾル供給部材と、
    前記コンベアベルトに位置した前記ブランケットの表面にゲル化用触媒を噴射してシリカゾルをゲル化させる触媒供給部材と、
    前記コンベアベルトによって他側まで搬送された前記ブランケットを切断してシートを得る、切断刃が備えられた切断部材と、
    前記シートを収容し、収容したシートをエージングするか、コーティング液を注入して改質するか、高温で乾燥する反応容器と、を含む、エアロゲルシートの製造装置。
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