KR101133025B1

KR101133025B1 - 겔 시트의 제조방법

Info

Publication number: KR101133025B1
Application number: KR1020117010668A
Authority: KR
Inventors: 강 피 이; 조지 엘 골드; 윌리엄 그로네메이어; 크리스토퍼 존 스테파니안
Original assignee: 아스펜 에어로겔, 인코퍼레이티드
Priority date: 2003-06-24
Filing date: 2004-06-23
Publication date: 2012-04-24
Also published as: US20080093016A1; HUE028074T2; PT2813338T; JP2007524528A; ES2549034T3; US20050167891A1; SI1638750T1; DK1638750T3; EP3120983B1; EP3623131A1; PL3120983T5; EP1638750B1; CN101653975B; KR20120012836A; PL2813338T3; EP1638750A4; US7399439B2; ES2392255T3; US6989123B2; WO2005003476A2

Abstract

본 발명은 연속적인 방식으로 겔 시트를 제조하기 위한 다양한 방법을 제공한다. 본 발명의 실시예들은 산업상 제조에 적절한 겔시트를 제조하는 시간을 단축시킨다. 이러한 겔 시트는 열 및 음파 절연을 포함하는 다양한 활용에 사용되는 에어로겔 단열재를 제조하는데 사용된다.

Description

겔 시트의 제조방법{METHODS TO PRODUCE GEL SHEETS}

본 발명은 연속적으로 용매 충전된 겔 시트의 제조에 관한 것이다. 이러한 겔 시트는 에어로겔 단열재, 에어로겔 복합물, 에어로겔 모노리스(monoliths) 및 다른 에어로겔 관련 제품의 제조에 사용된다.

에어로겔(aerogel)은, 그들의 구조, 즉, 낮은 밀도, 개방 셀 구조, 큰 표면적(주로 900m²/g 이상) 및 서브 나노미터 스케일의 기공 사이즈에 기초하여 한 종류의 물질을 설명한다. 일반적으로 임계 초과 및 임계 이하의 유체 추출 기술은 상기 물질의 부서지기 쉬운 셀로부터 유체를 추출하는데 사용된다. 많은 상이한 에어로졸 조성물이 알려져 있고, 무기성(inorganic) 또는 유기성(organic)일 수도 있다. 일반적으로 무기 에어로겔은 금속 알콕시드를 기초로 하고, 실리카, 카바이드 및 알루미나와 같은 물질들을 포함한다. 유기 에어로겔은 우레탄 에어로겔, 레조르시놀 포름알데히드 에어로겔, 및 폴리이미드 에어로겔을 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다.

낮은 밀도의 에어로겔 물질(0.01g/cc 내지 0.3g/cc)는 100°F 및 대기압에서 10mW/mK 내지 15mW/mK 및 그 이하의 열전도율을 갖는 가장 단단한 발포체보다 더 좋은, 최상의 견고한 열 절연체로서 널리 알려져 있다. 에어로겔은 주로 전도(낮은 밀도, 고체 나노구조를 통해 전달하는 열을 위한 굽은 통로), 대류(매우 작은 기공 크기가 대류를 최소화) 및 방사(IR 흡수 또는 확산된 도펀트가 에어로겔 메트릭스를 통해 손쉽게 분산)를 최소화하여 열 절연체로서 작용한다. 방식에 따라, 그들은 550℃ 및 그 이상의 극저온에서 잘 작용할 수 있다. 또한, 에어로겔 물질은 매우 유용하게 하는 많은 다른 흥미로운 음향, 광학, 기계 및 화학 특성을 표시한다.

낮은 밀도의 절연 물질은 중요 절연체가 매우 큰 압축력을 겪는 적용에서 많은 열 절연 문제를 해결하기 위해 발전해 왔다. 예를 들어, 중합체 물질은 일반적으로 매우 딱딱하고 압축 저항 물질인 신택틱 폼(syntactic foams)을 생성하기 위해 공동 유리 마이크로스피어(microspheres)와 혼합되어 왔다. 신택틱 물질은 수중 오일, 가스 파이프라인 및 지지 장비를 위한 절연체로서 잘 알려져 있다. 신택틱 물질은 유연한 에어로겔 복합물(섬유에 의해 강화된 에어로겔 메트릭스)에 비해 비교적 구부러지지 않고 열전도율이 높다. 에어로겔은 유연한 젤 전구체로부터 형성될 수 있다. 유연한 섬유 강화 에어로겔을 포함하는 다양한 유연층들은 하나 이상의 축을 따라 기계적으로 압축될 때 모재를 제공하고, 어떠한 축에서도 압축력에 강한 바디를 제공하기 위해 쉽게 결합되고 형성될 수 있다. 이 방법으로 압축된 에어로겔 바디(aerogel body)는 신택틱 폼보다 더 좋은 열 절연값을 나타낸다. 이 물질들을 빨리 제조하는 방법은 외부 절연체로 수중 오일 및 가스 파이프라인에서 이 물질의 대규모 사용이 용이할 것이다.

특허 및 과학 문헌에 기술된 졸-겔의 화학적 성질을 거쳐 형성된 섬유 강화 복합 겔 시트 및/또는 겔 시트 제조를 위한 종래의 방법은 항상 배치 캐스팅(batch casting)을 포함한다. 배치 캐스팅은 여기서 겔화를 유도하기 위해 졸의 전체 용적에 걸쳐서 동시에 촉매 작용이 미치는 것으로 정의된다. 겔 형성 기술은 당업계의 당업자들에게 잘 알려진다: 예(example)들은 겔화가 일어나는 지점에서 희석된 금속 산화물 졸의 pH 및/또는 온도를 조절하는 것을 포함한다(알. 케이. 일러의 1954년 실리카 및 규산염의 콜로이드 화학의 제 6 장; 알. 케이. 일러의 1979년 실리카의 화학의 제 5 장, 씨. 제이. 브링커 및 쥐. 더블유. 셰러의 1990년 졸-겔 과학의 제 2 및 제 3 장).

미국 특허 제6,068,882호(루)에는 본 발명의 실시예들과 함께 실행할 수 있는 섬유 강화 에어로겔 복합 물질의 예가 개시된다. 본 발명에서 사용된 바람직한 에어로겔 복합 전구체 물질은 아스펜 에어로겔사에서 상업적으로 판매하는 크리요젤^？(Cryogel), 페이로젤^？(Pyrogel), 스페이스로프트^TM(Spaceloft)와 같은 것들이다. 미국 특허 제5,306,555호(라마뮤티 등)에는 벌크 에어로겔의 내부에 분산된 섬유을 갖는 벌크 에어로겔의 에어로겔 메트릭스 복합물 및 에어로겔 메트릭스 복합물을 제조하기 위한 방법이 개시된다.

본 발명은 겔 시트, 섬유 강화된 유연한 겔 시트, 및 복합 겔 물질의 롤을 위한 종래의 배치 졸-겔 캐스팅 방법보다 크게 향상된 연속적 및 반연속적 졸-겔 캐스팅 방법을 기술한다.

더욱 상세하게는, 본 발명은 졸의 낮은 점도 용액과 겔 형성을 유도하는 작용제(열 촉매 또는 화학 촉매)를 연속적으로 배합하고, 이동 요소 예컨대 겔화가 이동 요소 상에서 효과적으로 일어나도록 미리 설정된 비율로 촉매 배합된 졸을 분배시킴으로 인해 형성된 겔 시트의 용적을 한정하는 단부를 갖는 컨베이어 벨트 상에서 겔 시트를 형성하기 위한 방법을 기술한다. 졸은 무기, 유기, 무기/유기 혼성 물질의 조합을 포함한다. 무기 물질은 지르코니아, 산화이트륨, 하프니아, 알루미나, 티타니아, 세리아, 실리카, 산화 마그네슘, 산화칼슘, 플루오르화 마그네슘, 플루오르화 칼슘 및 이들의 조합물을 포함한다. 유기 물질은 폴리아크릴레이트, 폴리올레핀, 폴리스틸렌, 폴리아크릴로니트릴, 폴리우레탄, 폴리이미드, 폴리푸르푸랄 알콜, 페놀 푸르푸릴 알콜, 멜라민 포름알데히드, 레조르시놀 포름알데히드, 크레졸 포름알데히드, 페놀 포름알데히드, 폴리비닐 알콜 디알데히드, 폴리시아누레이트, 폴리아크릴아미드, 다양한 에폭시, 한천, 아가로스 및 이들의 조합물을 포함한다. 더욱 상세하게는, 본 방법들은 모노리스 겔 시트, 또는 두 부분, 즉, 강화 섬유 및 겔 매트릭스을 가지는 섬유-강화 겔 복합물의 형성을 기술하되, 강화 섬유는 고급 섬유 구조(즉, 배팅(batting)), 바람직하게는 열가소성의 폴리에스테스 또는 실리카 섬유에 기초하고, 더욱 바람직하게는 연속적이거나 반연속적으로 각각 임의로 분포된 짧은 섬유(마이크로섬유)에 결합된다. 섬유상 배팅(fibrous batting) 또는 매트 물질은 겔화 전에 촉매 배합된 졸의 결합을 위해 이동 요소 위에 도입된다.

더욱이, 겔 메트릭스가 고급 배팅(batting) 물질, 특히 매우 낮은 데니어 섬유로 구성된 연속적 부직포 배팅(batting)에 의해 강화될 때, 최종 복합 물질은, 용매 추출에 의해 에어로겔 또는 크세로겔 제품 안에서 건조될 때, 더욱 강하고 더욱 내구성 있는 형태로 모노리스 에어로겔 또는 크세로겔에 대해 유사한 열적 특성을 유지한다. 사용된 섬유의 직경은 0.1 미크론 내지 10,000 미크론 범위 내이다. 어떤 경우에는 0.001 미크론 내지 100 미크론 범위 내의 나노섬유가 겔 강화에 사용된다. 섬유상 배팅(fibrous batting)에 더하여, 주름진 섬유가 겔 구조에 걸쳐 분포할 수 있다.

더욱 상세하게는, 본 방법은 이동 컨베이어 장치상에 에너지 분해 존의 도입에 의해 연속적으로 또는 반연속적으로 겔 복합물을 형성하기 위한 방법을 기술한다. 촉매 배합된 졸의 겔화는 화학적 또는 에너지 분해 공정에 의해 강화될 수 있다. 예를 들어, 전자기(자외선, 가시광선, 적외선, 마이크로파), 음파(초음파) 또는 미립자 방사의 제어된 플럭스는 겔 포인트를 얻기 위해 졸에 포함된 중합체의 충분한 교차결합을 유도하기 위한 컨베이어 벨트에 의해 포함된 이동 졸 용적의 폭에 걸쳐 도입될 수 있다. 방사의 플럭스, 포인트 및 영역은, 컨베이어의 종단이 겔의 주어진 부분에 도달할 때까지 최적화된 캐스팅 비율 및 바람직한 겔 특성을 얻기 위해 운송장치를 따라 제어될 수 있다. 이런 방법으로, 겔 특성은 배치 캐스팅 방법으로 불가능했던 정도에서 새로운 방식으로 제어될 수 있다. 게다가, 제 1 이동 요소와 반대 방향으로 회전하는 다른 이동 요소는 겔 시트의 상부의 형상을 제공하기 위해 사용될 수 있다.

더욱더 상세하게는, 초임계유체(supercritical fluid) 처리 방법들을 사용하여 용매 추출을 용이하게 하는 다공성의 유동층과 함께 감기거나 함께 롤링되는 겔 복합 물질의 롤은 본 발명의 방법을 사용하여 매우 작은 풋프린트(footprint)로 형성될 수 있다. 이것은 유체 불투과성 스페이서층과 함께 감긴 롤링된 섬유 모재(fiber preform)에 미리 설정된 양의 촉매화 졸을 주입하고, 주입된 롤을 겔링(gel)하는 것에 의해, 이어서 겔 복합 물품을 언-롤링하고, 유체 불투과층을 제거시키고, 다공성 스페이서층과 함께 불완전하게 경화된 바디(body) 유연한 겔 복합물을 다시 롤링시킴으로써 달성된다. 본 발명에서 설명된 방법은 가능한 한 작은 영역에서 겔 복합 물질의 제조 비율을 증가시키는 큰 장점을 제공한다.

더욱더 상세하게는, 연속적인 방식으로 겔 시트를 제조하기 위한 방법은 겔 시트가 상기 언급한 방법 중 어느 것으로도 제조되고 복수의 층들로 롤링되는 것으로 기술된다. 이것은 효과적인 건조 공정을 위해 겔 시트를 제조하는 새롭고 효과적인 방법이다. 다른 특성에서, 선택적인 스페이서 물질은 겔 시트와 함께 롤링된다. 이러한 스페이서 물질은 사실상 유체 투과성 또는 유체 불투과성일 수 있다. 스페이서 물질의 유체 투과 정도에 따라, 이어지는 건조에서 적절한 흐름 패턴을 얻을 수 있다. 또한 스페이서 물질은 손쉽게 통과하기 위한 적절한 실레이션(에이징) 유체에 흐름 경로를 제공한다. 건조에서, 이들은 반경 방향으로 추출되는 겔 시트의 두께를 효과적으로 줄이는 흐름 경로를 제공하도록 함으로써 추가적으로 돕는다.

이들 및 본 발명의 또 다른 실시예들은 이하 상세히 설명된다. 이전에 설명한 방법들에 대하여 연속적 또는 반연속적으로 모노리스 및 섬유 강화 복합 시트의 공정을 위해 본 발명에서 설명한 방법들의 장점은 많다. 예를 들어, 겔 물품은 모든 구성요소가 적절한 비율로 장치에 공급되도록 제공되어 연속적 또는 반연속적으로 형성될 수 있다. 따라서, 큰 부피의 물질은 에어로겔 또는 크세로겔 물질을 만들기 위해 용매를 추출하기 전에 에이징을 위해 충전되고 배치되어야 하는 몰드가 필요한 일반적인 배치 캐스팅보다 작은 제조 공간에서 형성될 수 있다. 섬유 강화된, 유연한 겔 물질의 매우 긴 연속적인 시트들은 캐스팅과 감김 과정의 결합이 단일 몰딩 표면이 작은 제조 공간 안에서 연속적으로 재이용될 수 있도록 하기 때문에 본 발명의 방법들을 사용하여 손쉽게 형성된다. 겔의 롤들이 겔 물질의 층들 사이에 다공성 흐름층을 발생시키기 위한 롤 대 롤 과정에 이어 캐스트 배치와이즈될 때, 제품 풋프린트(production footprint)는 더욱더 감소되고, 평평한 시트 배치 캐스팅에 비해 생산 능력을 증가시키고 잠재적으로 생산 비용을 낮춘다.

여기에 기술된 본 발명은 용매 충전된, 나노구조화된 겔 모노리스 및 유연한 단열 복합 시트 물질들을 생산하는 것에 관한 것이다. 모든 이동상(mobile phase) 용매들이 초임계 용매 추출(초임계의 유체 건조)을 사용하여 추출된 후, 이 물질들은 나노다공성 에어로겔 바디를 제공한다. 예를 들어, 본 발명에서 설명한 공정은 다음의 초임계 유체 추출 절차에서 용매의 제거를 용이하게 할 형성 요소에서 모노리스 겔 시트 또는 감긴 겔 복합물을 형성하기 위한 상당히 더 좋은 생산 능력을 제공할 것이다. 제 1 방법은, 일 종단에서의 낮은 점도의 촉매 배합된 졸 혼합물의 전달을 이용하는 컨베이어-기반 시스템, 및 추가 화학 처리를 위해 시스템 안으로 용매 충전된 겔 물질의 형성된 모노리스(여기에서 단지 중합체 또는 세라믹 고체 매트릭스로서 한정되고, 추가된 섬유는 없음) 시트를 절단 및 운반하는 시스템을 약술한다. 제 2 방법은 일 종단에서의 낮은 점도의 촉매 배합된 졸 혼합물의 전달을 이용하는 컨베이어-기반 시스템, 및 초임계 유체 추출 전에 추가 처리할 준비가 된 형성 인자를 생산하기 위한 롤링 시스템(다공성 분리기 흐름층 포함 및 비포함) 안으로 용매-충전되고 섬유 강화된 겔 복합 시트를 절단 및 운반시키는 시스템을 설명한다. 제 3 방법은 먼저 초임계 추출 전에 추가 처리를 위한 형성 인자를 제조하기 위한 다공성 분리기 흐름층과 함께 겔의 풀림 및 재감김에 이어 직접적인 "롤 안의 겔" 반응이 주가 되는 두 통 사이의 직접적인 롤 대 롤 전송 과정을 설명한다. 제 3 방법은 겔화의 타이밍 및 형성된 그린 바디의 강도를 용이하게 하기 위한 제어된 에너지 전달 방법과 관련하여 사용될 것이다. 초음파, 열 및 다양한 방사 형태의 에너지는 화학적 촉매(안정적인 졸 pH에서 겔화에 용이한 것으로 pH가 변화되는 것과 같음)의 전통적인 방법에 더하여 마련된 졸 혼합물로부터 겔화를 유도하기 위해 사용될 수 있다.

본 발명에서 설명된 매트릭스 물질은 졸-겔 과정으로부터 파생된 것이 가장 좋고, 바람직하게는, 매우 작은 기공(대략 십억분의 일 미터)을 가지는 구조로 정의되는 중합체들(무기, 유기 또는 무기/유기의 혼성물)로 구성된 것이 바람직하다. 중합체 겔화의 포인트 전에 부가된 섬유 물질은 본 발명에서 설명된 매트릭스 물질을 강화한다. 바람직하게는, 바람직한 섬유 강화는 고급 섬유 구조(배팅(batting) 또는 직물)이나, 또한 각각 임의적으로 배향된 짧은 마이크로섬유, 및 직물 또는 부직포를 포함할 수도 있다. 더욱 상세하게는, 바람직한 섬유 강화는 유기(예를 들어, 열가소성 폴리에스테르, 고강도의 탄소, 아라미드, 고강도 배향된 폴리에틸렌), 낮은 온도의 무기(E 유리와 같은 다양한 금속 산화물 유리) 또는 내화성(예를 들어, 실리카, 알루미나, 알루미늄 인산염, 알루미노규산염 등) 섬유 중 어느 하나에 기초한다. 본 발명의 실시예들에 사용된 섬유의 두께 또는 직경은 0.1 미크론 내지 10,000 미크론의 범위이고, 바람직하게는 0.1 미크론 내지 100 미크론의 범위이다. 다른 바람직한 실시예에서, 0.001 미크론만큼 작은 나노구조 섬유가 겔을 강화시키기 위해 사용된다. 일반적인 실험예들은 0.001 미크론만큼 직경이 작은 탄소 나노섬유 및 탄소 나노튜브를 포함한다. 세라믹 고체(예를 들어, 실리카)와 이동성 용매 상(예를 들어, 에탄올)이 결합한 용매 충전된 겔 시트는 졸 상에 촉매 상의 연속적인 주입 및 이동 컨베이어 위에 촉매화된 혼합물을 분배하여 컨베이어 상에서 형성될 수 있다. 이러한 물질은 건물의 이중창과 같이, 절연 투명도에서의 사용이 발견될 것이다. 왜냐하면 이 겔 물질들은 일반적으로 세라믹 또는 섬유 강화가 없이 삽입된 용매(겔 용매)와 함께 교차 결합된 중합체 매트릭스 물질로 구성될 때 딱딱하고 구부러지지 않으므로, 이 물질들은 연속적인 캐스트일 경우 몰드로 처리되는 것이 필요하다. 컨베이어가 용적을 보유하는 몰딩된 단부를 가지면, 겔은 컨베이어의 표면 위에 직접 캐스트될 수 있다. 컨베이어가 그 위에 위치한 몰드를 가지면, 몰드 용적은 새로운 촉매화 졸로 계속 채워질 수 있다.

무기 에어로겔을 형성하기 위해 적절한 물질은 실리콘, 알루미늄, 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 이트륨, 바나듐 및 이와 유사한 것과 같은 산화물을 형성할 수 있는 대부분의 금속의 산화물이다. 용이한 입수 가능성(availability) 및 낮은 비용(알코겔) 때문에 가수분해된 규산염 에스테르의 알콜 용액으로부터 주로 형성된 겔이 더욱 바람직하다. 유기 에어로겔은 폴리아크릴레이트, 폴리스틸렌, 폴리아크릴로니트릴, 폴리우레탄, 폴리이미드, 폴리푸르푸랄 알콜, 페놀 푸르푸릴 알콜, 멜라민 포름알데히드, 리조시놀 포름알데히드, 크레졸 포름알데히드, 페놀 포름알데히드, 폴리비닐 알콜 디알데히드, 폴리시아누레이트, 폴리아크릴아미드, 다양한 에폭시, 한천, 아가로스 등으로부터 만들 수 있다(예를 들어 씨. 에스. 애슐리, 씨. 제이. 브링커 및 디. 엠. 스미스의 비결정질 고체의 저널 2001년, 285권 참조).

본 발명의 방법의 바람직한 일 실시예에서, 졸 부피의 일정 부분을 통한 에너지 소실은 겔 캐스팅을 위해 사용되는 컨베이어 장치의 특정 위치에서 사용된다. 열 또는 특정한 방사 흐름(예를 들어, 초음파, 엑스레이, 전자빔, 자외선, 가시광선, 적외선, 마이크로파, 감마선)에 노출된 촉매화 졸의 영역을 제어함으로써, 겔화 현상은 컨베이어 장치의 주어진 포인트에서 유도될 수 있다. 그것은 컨베이어 속도에 대해서 겔화 포인트의 타이밍을 제어하기 위한 장점이어서, 물질은 컨베이어 장치의 종단에서 어떠한 기계적인 조작 전에 에이징 및 강화를 위한 적절한 시간을 갖는다. 비록 중합체 체인의 확산과 이어지는 고체 네트워크 성장이 겔화 포인트 후의 점착성 겔 구조 안에서 상당히 느리더라도, 겔화 후의 기간 동안 본래의 겔 액체(모액체)의 유지는 가장 좋은 열 및 기계적 특성을 갖는 에어로겔을 얻기 위해 필수적이다. 장애가 없는 겔 "에이징"의 이 기간을 "시네레시스"라고 부른다. 시네레시스 조건(시간, 온도, pH, 고체 농도)은 에어로겔 제품 질에 중요하다.

겔은 고체 구조의 기공들 내에서 이동성 침입형 용매상(mobile interstitial solvent phase)을 비말 동반함으로써 형성된 일 종류의 물질이다. 고체 구조는, 겔화의 방법, 용매-중합체 상호작용, 중합 및 교차결합의 비율, 고형분, 촉매분, 온도 및 많은 다른 인자에 직접 관련하여 기공 모폴로지(pore morphology)를 개선시키는. 무기, 유기 또는 무기/유기 혼성 중합체 물질로 구성될 수 있다. 겔 물질은 전구체 물질로부터 형성되고, 연속적 또는 반연속적인 방법으로, 시트 또는 시트의 롤의 형태로, 형성된 복합물에 유연성을 주는 다양한 섬유-강화 물질을 포함하여, 침입형 용매상이 에어로겔 물질을 만들도록 초임계 유체 추출에 의해 용이하게 제거될 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 전체과정 동안, 또는 용매 추출 공정의 마지막의 최저치에서 임계 압력 및 온도를 넘어서 용매상을 유지함에 의해, 수축 및 기공 붕괴를 유발하는 매우 작은 기공으로부터 액체 증발에 의해 발생된 강한 모세관 힘은 발생되지 않는다. 일반적으로, 에어로겔은 낮은 용적 밀도(약 0.15g/cc 이하, 바람직하게는 약 0.03g/cc 내지 0.3g/cc), 매우 큰 표면적(일반적으로 약 300m²/g 내지 1000m²/g 및 그 이상, 바람직하게는 약 700m²/g 내지 1000m²/g), 높은 다공률(약 90% 이상, 바람직하게는 95% 이상) 및 상대적으로 큰 기공 부피(약 3mL/g, 바람직하게는 약 3.5mL/g 이상)를 갖는다. 비결정질 구조에서 이러한 특성들의 조합은 어떠한 응집성의 고체 물질에서도 가장 낮은 열전도율 값(37℃ 및 1 대기압에서 9mW/m-K 내지 16mW/m-K)을 제공한다.

본 발명에서 설명된 모노리스 및 복합 겔 물질 캐스팅 방법은 3개의 다른 상태를 포함한다. 첫번째는 연속적으로 분배될 수 있는 낮은 점도의 졸에 모든 구성 요소들(고체 전구체, 도펀트, 첨가제)을 혼합한다. 두번째는 몰딩된 상부 표면에 형성되기 위한 동기화된 카운터 회전 탑 벨트를 또한 가질 수도 있는 이동 컨베이어 몰드 위로 혼합된 졸을 분배하는 것을 포함한다. 또한 두번째 상태는 겔화를 유도하거나, 겔의 특성 예컨대 겔 계수, 인장 강도 또는 밀도를 변형하기 위한 이동 컨베이어 장치의 한정된 영역 안에서 열의 도입 또는 겔화되지 않은 졸에 방사를 포함할 수도 있다. 본 발명 공정의 세번째 상태는 겔 절단 및 모노리스 겔 시트의 후공정 영역으로의 운반 또는 물질의 더욱 바람직한 형성 인자를 생성하기 위한 유연하고 다공성 흐름층을 갖는 유연한 섬유 강화 겔 복합물을 함께 감는 것을 포함한다. 겔 복합 물질 및 흐름층의 형성된 롤은 특히 임계 초과 공정 방법들을 사용하여 침입형의 용매 제거를 받을 수 있다. 바람직한 겔 캐스팅 방법의 실험예가 도 1에 나타나며, 카운터 회전 몰딩 용량과 함께 이동 컨베이어 장치와 결합되어 종래의 화학적 촉매 배합된 졸-겔 공정에 이용한다. 섬유 강화된 나노 다공성의 겔 복합물은 도 1에 도시된 바와 같이, 다공성 흐름층과 함께 또는 다공성 흐름층이 없이 기계적으로 감길 수 있다. 도 2는 오직 하나의 몰딩 표면(몰딩된 측과 함께 연속적으로 회전하는 하부 벨트)을 갖는 이동 컨베이어 벨트를 사용하는 동일한 공정이 나타난다. 도 3은 (추가된 섬유 강화 구조 없이) 중합체 졸로부터 형성된 모노리스 겔 시트가 어떻게 이동 컨베이어 위에서 촉매 배합된 졸 용액의 증착에 의해 연속적으로 형성될 수 있는지를 나타난다. 그리고, 도 4는 카운터 회전 컨베이어 몰딩 방법이 나타난 것을 제외하고 동일한 절차를 도시한다. 본 발명에서 이용되는 졸은 도 5의 블록 다이어그램에 도시된 바와 같이 이동 컨베이어 위에 증착되기 전에 주로 화학적 촉매에 공동-혼합되어 혼합되고 제조된다. 관련하여, 그러나 발명 공정의 다른 실시예가 도 6에 도시되며, 섬유 및 분리기 층 모재 롤은 졸과 함께 스며들고, 초기 겔화가 발생된 후에 유체 불투과층으로부터 겔 복합물의 분리를 위해 풀리고, 이어서 추가적인 화학적 공정을 위해 마련된 유체 투과층과 함께 말린다.

본 발명의 바람직한 전구체 물질의 겔 매트릭스는 유기, 무기 또는 이들의 혼합물일 것이다. 졸은 당업계의 당업자들에게 알려진 방법들에 의해 겔화를 유도하기 위한 촉매 작용을 미칠 수 있다. 실험예는 겔화가 일어나는 지점에서 묽은 금속 산화물 졸의 pH 또는 온도의 조절을 포함한다(이하 알. 케이. 일러의 1954년 실리카 및 규산염의 콜로이드 화학의 제 6장, 알. 케이. 일러의 1979년 실리카의 화학의 제 5장, 씨. 제이. 브링커 및 쥐. 더블유. 셰러의 1990년 졸-겔 과학의 제 2장의 참고문헌에 의해 여기서 구체화된다). 무기 에어로겔을 형성하기 위한 적절한 물질은 산화물, 예컨대 실리콘, 알루미늄, 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 이리듐, 바나듐 등을 형성할 수 있는 대부분의 금속 산화물이다. 더욱 바람직한 것은 효용성 및 낮은 비용(알코겔)에 따라 주로 가수분해된 규산염 에스테르의 알콜 용액으로부터 형성된 겔이다.

또한 유기 에어로겔은 폴리아크릴레이트, 폴리스틸렌, 폴리아크릴로니트릴, 폴리우레탄, 폴리아미드, EPDM 및/또는 폴리부타디엔 고무 용액, 폴리이미드, 폴리푸르푸랄 알콜, 페놀 푸르푸릴 알콜, 멜라민 포름알데히드, 레조시놀 포름알데히드, 크레졸 포름알데히드, 페놀 포름알데히드, 폴리비닐 알콜 디알데히드, 폴리시아누레이트, 폴리아크릴아미드, 다양한 에폭시, 한천, 아가로스 등을 포함하는 유기 중합체 물질로부터 만들 수 있다는 것이 당업계의 당업자들에게 잘 알려져 있다(예를 들어 씨. 에스. 애슐리, 씨. 제이. 브링커 및 디. 엠. 스미스의 2001년 비결정질 고체의 저널 제 285권에 게시).

전자기, 음파 또는 미립자 방사 소스의 다양한 형태가 이동 컨베이어 장치 상에서 졸 전구체 물질의 겔화를 유도하기 위해 사용될 수 있다. 문헌은 열, 초음파 에너지, 자외선 빛, 감마 방사, 전자빔 방사 등이 겔화를 유도하기 위해 졸 물질에 노출될 수 있는 많은 실험예들을 포함한다. 컨베이어 장치의 고정된 구역에서 에너지 소실(열, 음파, 방사)의 사용에 따라, 움직이는 졸 풀이 고정된 기간 동안 제어된 에너지 흐름과 상호작용은 건조된 에어로겔 또는 크세로겔 물질뿐만 아니라 겔의 특성을 제어하는데 장점이 있다. 이러한 공정은 도 7에서 도시된다.

일반적으로 무기 에어로겔의 형성을 위한 주요한 통합적인 루트는 적절한 금속 알콕시드의 가수분해 및 응축이다. 가장 적절한 금속 알콕시드는 각각의 알킬 그룹에서, 약 1 내지 6개의 탄소 원자, 바람직하게는 1 내지 4개의 탄소 원자를 갖는 것이다. 이러한 화합물의 상세한 실시예는 테트라에톡시실란(TEOS), 테트라메톡시실란(TMOS), 테트라-엔-프로폭시실란, 알루미늄 이소프로폭사이드, 알루미늄 섹-부톡사이드, 세리움 이소프로폭사이드, 하피늄 텍-부톡사이드, 마그네슘 알루미늄 이소프로폭사이드, 이리듐 이소프로폭사이드, 티타늄 이소프로폭사이드, 지르코늄 이소프로폭사이드 등을 포함한다. 실리카 전구체의 경우, 이 물질들은 폴리디에톡시실록세인과 같은 폴리규산 에스테르의 중합체로서 낮은 pH에서 부분적으로 가수분해되고 안정화될 수 있다. 이 물질들은 알콜 용액에 널리 이용된다. 먼저 중합된 실리카 전구체는 본 발명에서 설명된 겔 물질의 공정에 특히 바람직하다. 알콜 용액에서 금속 산화물 졸의 겔화 유도는 본 명세서에서 알코겔 공정으로서 언급된다.

졸-겔 공정을 사용하여 형성된 겔 물질은 매우 다양한 금속 산화물 또는 종을 형성한 다른 중합체로부터 유래될 수 있다는 것은 당업계의 당업자들에게 이해된다. 또한 졸이 겔 생성물의 물리적 및 기계적 특성에 영향을 주는 고체들(IR 유백제, 침전 억제제, 마이크로섬유)과 함께 도핑될 수 있다는 것은 잘 알려져 있다. 일반적으로, 이러한 도펀트의 적절한 양은 최종 복합물의 약 1 중량% 내지 40 중량%의 범위이고, 바람직하게는 본 발명의 캐스팅 방법을 사용하여 약 2% 내지 30%이다.

무기 에어로겔 형성 공정의 주요 변수는 알콕시드의 타입, 용액 pH 및 알콕시드/알콜/물의 비율을 포함한다. 변수의 제어는 "졸" 상태에서 "겔" 상태로의 전이에 걸쳐 매트릭스 종의 성장 및 집합의 제어를 허용할 수 있다. 최종 에어로겔의 특성이 전구체 용액의 pH 및 반응물의 몰 비율에 강하게 영향을 받는 반면, 겔의 형성을 허용하는 어떠한 pH 및 몰 비율이 본 발명에 사용될 수 있다.

일반적으로, 용매는, 비록 다른 액체가 당업계에 알려진 바와 같이 사용될 수 있더라도, 저급 알콜, 즉, 1 내지 6개의 탄소 원자를 갖는, 바람직하게는 2 내지 4개의 탄소 원자를 갖는 알콜일 것이다. 다른 유용한 액체의 실험예들은 에틸아세테이트, 에틸 아세토아세테이트, 아세톤, 및 디클로로메탄 등을 포함하나, 이에 제한되지 않는다.

편의상, 비록 이것이 본 발명을 겔의 어떤 특정 타입으로 제한하는 것으로 의도하는 것은 아니지만, 무기 실리카 겔을 형성하는 알코겔 루트 및 복합물은 발명에 의해 이용된 전구체가 어떻게 만들어지는지를 도시하기 위해 이하에서 사용된다. 발명은 다른 겔 복합물에도 적용될 수 있다.

대안적으로, 다른 졸 제조 및 겔 유도 방법은 본 발명의 처리 방법을 사용하여 전구체 겔 물품을 만들기 위해 이용할 수 있으나, 가장 낮은 밀도 및/또는 가장 좋은 열적 절연 물품을 얻기 위해 허용된 화학적 접근법이 바람직하다. 예를 들어, 수용성, 기초 금속 산화물 전구체는 연속적인 방법으로 수성산에 의해 중화될 수 있고, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 이동 컨베이어 벨트 위에 증착될 수 있으며, 이동 벨트 상에서 가수분해 되도록 유도할 수 있다. 규산 나트륨은 가수분해 전구체로서 널리 사용되어 왔다. 소금 부산물은 이온 교환 및/또는 세척에 의해 규산 전구체로부터 제거될 것이고, 이어서 겔의 형성 및 기계적 조정 후에 물과 함께 겔이 형성될 것이다.

본 발명의 방법을 사용하여 제조된 겔 물질의 확인 후에, 적절한 금속 알콕시드-알콜 용액이 제조된다. 에어로졸 형성 용액의 제조는 당업계에서 잘 알려져 있다. 예를 들어, 콜로이드 및 인터페이스 과학에서 나온 1976년 에스. 제이. 테치너 등의 무기 산화물 에어로겔 제 5판 제 245 내지 273 쪽, 및 엠알에스 보고서의 1990년 엘. 디. 레메이 등의 낮은 밀도 미세 발포체 물질 제 15판 제 19쪽에 나와있다. 실리카 에어로겔 물질의 제조에 유용한 섬유-강화 함유 실리카 겔 복합물 및 실리카 겔 모노리스를 생산하기 위하여, 일반적으로 바람직한 원료는 테트라에톡시실란(TEOS), 물 및 에탄올(EtOH)이다. TEOS 대 물의 바람직한 비율은 약 0.2~0.5 : 1이고, TEOS 대 EtOH의 바람직한 비율은 약 0.02~0.5 : 1이고, 바람직한 pH는 약 2 내지 9이다. 원료의 용액의 본래 pH는 약 5이다. 어떠한 산이 낮은 pH 용액을 얻기 위해 사용되는 반면, HCl, H₂SO₄ 또는 HF가 현재에는 바람직한 산이다. 높은 pH를 발생시키기 위해, NH₄OH가 바람직한 베이스이다.

본 발명의 목적을 위해, 고급 배팅(batting)은 부피 및 (최대 부피 복원이 있거나 없거나) 어떤 복원력(resilience)의 특성을 보이는 섬유 물질로 한정된다. 바람직한 형태는 이 물질의 부드러운 직물이다. 고급 배팅(batting) 강화 물질의 사용은 에어로겔의 열적 성능의 실질적인 저하(degradation)를 방지하는 동시에, 지지되지 않는 에어로겔의 부피를 최소화한다. 배팅(batting)은 안감 퀼트로 사용되거나, 채움 또는 포장에 사용되거나 열적 절연의 단열재로서 일반적으로 사용되는, 섬유 물질의 층 또는 시트로 나타내는 것이 바람직하다.

어떤 인장 강도를 갖는 배팅(batting) 물질은 컨베이어 캐스팅 시스템의 도입에 유리하나, 요구되는 것은 아니다. 로드 운송 매커니즘은 마련된 졸 흐름과 함께 투과하기 전에 컨베이어 영역에 섬세한 배팅(batting) 물질을 도입하기 위한 공정에서 이용될 수 있다.

고급 배팅(batting) 및 X-Y 방향의 인장 강도를 갖는 층의 형성을 위해 적절한 섬유 물질은 어떠한 섬유 형성 물질을 포함한다. 적절한 물질은, 유리섬유, 석영, 폴리에스테르(PET), 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리벤지미다졸(PBI), 폴리페닐렌벤조-비스옥사졸(PB0), 폴리에테르에테르 케톤(PEEK), 폴리아릴레이트, 폴리아크릴레이트, 폴리테트라프루오르에틸렌(PTEE), 폴리-메타페닐렌 디아민(노멕스), 폴리파라페닐렌 테레프탈아미드(Kevlar), 초고분자 폴리에틸렌(UHMWPE) 예를 들어, 스펙트라^TM, 노볼로이드 레진(Kynol), 폴리아크릴로니트릴(PAN), PAN/카본 및 탄소 섬유를 포함하는 것이 바람직하다.

도 1은 졸 분배 및 촉매 혼합 시스템 및 카운터 회전 컨베이어 벨트 몰드 장치를 이용하여 연속적 또는 반연속적인 방식으로 섬유 강화 겔 시트를 제조하는 방법을 도시한다. 벨트의 종단에서 기계적으로 감긴다면, 겔 복합 시트는 롤링(roll)된 형상으로 제조될 수 있다. 내부의 도면 번호는 다음에 따른다: 11은 안정적인 졸 전구체 용액, 12는 제어된 조건에서 적절한 양이 첨가될 때 졸의 겔화를 유도하는 촉매, 13은 흐름 제어 위치를 나타냄, 14는 고정된 믹서, 15는 졸이 촉매와 완전히 혼합되는 유체 혼합 시스템에서의 위치, 16은 스크레이퍼/윤활 소자(선택적), 17은 섬유상 배팅(fibrous batting) 물질(어셈블리로 공급되는 분리 시트 또는 롤이 될 것이다), 18은 19로 표시된 롤링 어셈블리 전에 겔화가 일어나는 길이에 따라 몰딩 표면을 형성하는 2개의 카운터 회전 벨트 어셈블리를 나타낸다.

도 2는 졸 분배 및 촉매 혼합 시스템 및 단일 컨베이어 벨트 몰드 장치를 이용하여 연속적 또는 반연속적인 방식으로 섬유 강화 겔 시트를 제조하는 방법을 도시한다. 벨트의 종단에서 기계적으로 감긴다면, 겔 복합 시트는 롤링된 형태로 제조될 수 있다. 내부의 도면 번호는 다음에 따른다: 21은 안정적인 졸 전구체 용액, 22는 제어된 조건에서 적절한 양이 첨가될 때 졸의 겔화를 유도하는 촉매, 23은 흐름 제어 위치를 나타냄, 24는 고정된 믹서, 25는 졸이 촉매와 완전히 혼합되는 유체 혼합 시스템에서의 위치, 26은 스크레이퍼/윤활 소자(선택적), 27은 섬유상 배팅(fibrous batting) 물질(어셈블리로 공급되는 분리 시트 또는 롤이 될 것이다), 28은 29로 표시된 롤링 어셈블리 전에 겔화가 일어나는 길이에 따라 몰딩 표면을 형성하는 컨베이어 벨트 어셈블리를 나타낸다.

도 3은 졸 분배 및 촉매 혼합 시스템 및 카운터 회전 컨베이어 벨트 몰드 장치를 이용하여 연속적 또는 반연속적인 방식으로 겔 시트를 제조하는 방법을 도시한다. 내부의 도면 번호는 다음에 따른다: 30은 안정적인 졸 전구체 용액, 31은 제어된 조건에서 적절한 양이 첨가될 때 졸의 겔화를 유도하는 촉매, 32는 흐름 제어 위치를 나타냄, 33은 고정된 믹서, 34 및 35는 36으로 표시된 겔 시트 커팅 어셈블리 전에 겔화가 일어나는 길이에 따라 몰딩 표면을 형성하는 2개의 카운터 회전 벨트 어셈블리이다. 따라서 분리된 겔 시트(37)가 다음 공정을 위해 마련된다.

도 4는 졸 분배 및 촉매 혼합 시스템 및 컨베이어 벨트 몰드 장치를 이용하여 연속적 또는 반연속적인 방식으로 겔 시트를 제조하는 방법을 도시한다. 내부의 도면 번호는 다음에 따른다: 40은 안정적인 졸 전구체 용액, 41은 제어된 조건에서 적절한 양이 첨가될 때 졸의 겔화를 유도하는 촉매, 42는 흐름 제어 부분을 나타냄, 43은 고정된 믹서, 44는 45로 표시된 겔 시트 커팅 어셈블리 전에 겔화가 일어나는 길이에 따라 몰딩되는 컨베이어 벨트이다. 따라서 분리된 겔 시트(46)가 다음 공정을 위해 마련된다.

도 5는 연속적인 방식으로 컨베이어 장치 위에서 제어된 비율로 캐스팅(증착)되기 전에 혼합 존에서 졸과 촉매를 혼합하기 위한 일반적인 흐름 다이어그램을 도시한다.

도 6은 대안적인 캐스팅 방법을 도시하고, 이것은 초기 겔화(63)가 일어난 후에, 유체 불투과층(65)으로부터 겔 복합물을 분리하기 위해 풀리고(64) 이어서 다음의 화학적 처리를 위해 마련된 겔 복합/흐름층 롤(67)을 형성하기 위해 유체 투과층(66)으로 재감긴 졸(62)이 침투된 컨테이너(61) 안에 섬유 및 분리기(separator) 층 모재 롤(60)을 포함한다. 대안적으로, 졸이 침투된 모재 롤은 바로 그 안에서 분리기 층과 함께 건조되고 풀릴 수 있다.

도 7은 졸 분배 시스템 및 단일 컨베이어 벨트 몰드 장치를 이용하여 연속적 또는 반연속적인 방식으로 섬유 강화 겔 시트를 제조하는 방법을 도시한다. 겔화는 열 또는 방사에 졸이 노출됨에 의해 컨베이어 장치의 설계 영역에서 유도된다. 내부의 도면 번호는 다음에 따른다: 70은 안정적인 졸 전구체 용액, 71은 제어된 조건에서 적절한 양이 첨가될 때 졸의 겔화를 유도하는 촉매, 72는 흐름 제어 위치를 나타냄, 73은 고정된 믹서, 74는 졸이 촉매와 완전히 혼합되는 유체 혼합 시스템에서의 위치, 75는 섬유상 배팅(fibrous batting) 물질(어셈블리로 공급되는 분리 시트 또는 롤이 될 것이다), 76은 특성을 바꾸기 위해(즉, 교차결합을 유도) 졸 또는 겔 내부에 에너지를 방사하는 장치, 77은 78로 표시된 롤링 어셈블리 전에 겔화가 일어나는 길이에 따라 몰딩 표면을 형성하는 컨베이어 벨트 어셈블리를 나타낸다.

도 8은 본 발명의 다른 실시예를 도시되며, 여기서 졸은 컨베이어 벨트 위에 분배되고 컨베이어 벨트가 특정 거리(특정된 잔여 시간에 따름) 이동함에 따라 겔이 되도록 하고 주축 위에 롤링된다. 겔 시트가 롤링되는 동안, 유체 투과 스페이서층이 겔 시트와 함께 롤링되어, 겔 시트의 어떤 두 층도 스페이서층에 의해 분리된다. 선택적으로 이 스페이서는 유체 불투과성일 수 있다. 롤링된 겔 시트 어셈블리는 초임계 건조기에서 더 건조된다. 스페이서층은 초임계의 추출/건조 동안 효과적인 흐름 경로를 제공한다. 만약 유체 불투과성 스페이서층이 사용된다면, 이것은 추출 유체의 흐름을 축 방향으로 유도한다. 유체 투과성 스페이서층이 사용된다면, 추가적인 방사 흐름 패턴이 또한 얻어진다. 겔 시트의 구조로부터 발생하는 요구에 따라, 유체 불투과성 또는 유체 투과성 스페이서층이 초임계 추출 장치/건조기 내에서 필요한 흐름 패턴을 제공하기 위해 사용된다.

본 발명의 더 자세한 설명은 본 발명에 따른 기계적으로 밀도를 높인 에어로겔 복합물의 제조 및 이로부터 얻어진 실험 결과를 기술한 이하의 구체적인 실험예에서 발견될 것이다. 다른 설명이 없으면 모든 부분 및 퍼센트는 무게에 의한다.

도 1은 카운터 회전 컨베이어 벨트를 사용한 섬유 강화된 겔 시트의 제조방법을 도시한다.
도 2는 단일 회전 컨베이어 벨트를 사용한 섬유 강화된 겔 시트의 제조방법을 도시한다.
도 3은 추가 절단과 함께 카운터 회전 컨베이어 벨트를 사용한 섬유 강화된 겔 시트의 제조방법을 도시한다.
도 4는 추가 절단과 함께 단일 회전 컨베이어 벨트를 사용한 섬유 강화된 겔 시트의 제조방법을 도시한다.
도 5는 캐스팅 전에 촉매 졸 혼합의 일반적인 흐름 다이어그램을 도시한다.
도 6은 촉매화 졸을 스페이서 층을 포함하는 모재 롤에 분배하는 추가적인 실시예를 도시한다.
도 7은 겔화 존을 유도하여 겔 시트를 제조하기 위한 추가적인 실시예를 도시한다.
도 8은 하나 이상의 스페이서층을 갖는 겔 시트를 제조하기 위한 추가적인 실시예를 도시한다.

실험예 1

에탄올에 20%의 TEOS 용액의 가수분해에 의해 제조된 20 갤론의 실리카 졸(pH 2에서 실내온도에서 24 시간 동안)은 유체 펌프 및 흐름 미터와 연결된 바닥 드레인을 갖춘 스테인레스 스틸 용기 내에 유입된다. 또한 바닥 드레인, 펌프 및 흐름 미터를 갖춘 분리 컨테이너는 과량의 암모니아화 에탄올(1%)로 채워진다. 두 개의 분리된 유체는 고정된 믹서를 통해 흐름 미터를 사용하여 고정된 비율로 배합되고, 평평한 이동 컨베이어 표면 위에 분배 헤드를 통해 증착된다. 컨베이어 벨트는 표면(38" 간격(spacing)이 본 실험예에서 사용되었으나, 거의 어떠한 실질적인 폭도 가능하다)에 용접된 유연한 종단을 가져, 분배된 졸이 용적에 포함된다. 이동 컨베이어 벨트의 전면과 접촉하는 핀치 롤러는 낮은 점성의 졸의 역확산을 방지한다. 벨트 속도는 조절되어 혼합된 졸(졸이 탄력성이 있어 더 이상 임의로 흐르지 않는 컨베이어 테이블을 따라 고정된 위치로 정의됨) 안에 겔화 프론트가 테이블의 길이에 따라 중간에 나타난다. 겔화 시간 대 시네레시스 시간의 비율은 1 : 1인 것이 바람직하나, 2 : 1 과 1 : 5 사이에서 문제없이 변할 수 있다. 겔이 된 졸이 테이블의 종단에 도달함에 따라, 각 실리카겔 플레이트는 폭을 가로지르는 크기로 잘리고, 로드-베어링 플레이트 상에서 추가적인 처리를 위해 알콜 베쓰(alcohol bath)로 전달된다.

실험예 2

에탄올에 20%의 TEOS 용액의 가수분해에 의해 제조된 20 갤론의 실리카 졸(pH 2에서 실내온도에서 24 시간 동안)이 유체 펌프 및 흐름 미터와 연결된 바닥 드레인을 갖춘 스테인레스 스틸 용기 내에 유입된다. 또한 바닥 드레인, 펌프 및 흐름 미터를 갖춘 분리 컨테이너는 과량의 암모니아화 에탄올(1%)로 채워진다. 두 개의 분리된 유체는 고정된 믹서를 통해 흐름 미터를 사용하여 고정된 비율로 배합되고, 평평한 이동 컨베이어 표면(유연한 단부들 사이에서의 38" 폭) 위에 분배 헤드를 통해 증착된다. 대략 0.5" 두께의 폴리에스테르 배팅(batting)(38인치의 폭)의 롤은 벨트와 동일한 선속도로 컨베이어 시스템으로 공급된다. 이동 컨베이어 벨트의 전면과 접촉하는 핀치 롤러는 낮은 점성의 졸의 역확산을 방지하고, 졸이 증착된 지점 앞의 다른 핀치 롤러는 배팅(batting) 물질 내로 졸의 투과를 돕기 위해 이용된다. 벨트 속도는 조절되어 혼합된 졸(졸이 탄력성이 있어 더 이상 임의로 흐르지 않는 컨베이어 테이블을 따라 고정된 위치로 정의됨) 안에 겔화 프론트가 테이블의 길이에 따라 중간에 나타난다. 겔화 시간 대 시네레시스 시간의 비율은 유연한 겔 물질을 위해 1 : 1인 것이 바람직하나, 2 : 1 과 1 : 2 사이에서 문제없이 변할 수 있다. 겔이 된 졸이 테이블의 종단에 도달함에 따라, 유연한 겔 복합물이 원통 형상의 축 상에 롤링된다. 이것이 형성됨에 따라, 관통된 폴리에틸렌 메쉬가 롤의 장력을 유지하는데 사용된다. 따라서 롤은 추가적인 화학적 처리를 위해 준비되고, 로드-베어링 기구로서 축을 사용하여 전달될 수 있다.

실험예 3

에탄올에 20%의 TEOS 용액의 가수분해에 의해 제조된 20 갤론의 실리카 졸(pH 2에서 실내온도에서 24 시간 동안)이 유체 펌프 및 흐름 미터와 연결된 바닥 드레인을 갖춘 스테인레스 스틸 용기 내에 유입된다. 실리카 졸은 평평한 이동 컨베이어 표면(유연한 단부들 사이에서의 38" 폭) 위에 분배 헤드를 통해 고정된 비율로 펌핑된다. 대략 0.5" 두께의 폴리에스테르 배팅(batting)(38인치의 폭)의 롤은 졸 증착 포인트 전에, 벨트와 동일한 선속도로 컨베이어 시스템으로 공급된다. 이동 컨베이어 벨트의 전면과 접촉하는 핀치 롤러는 낮은 점성의 졸의 역확산을 방지하고, 졸이 증착 포인트 앞의 다른 핀치 롤러는 배팅(batting) 물질 내로 졸의 투과를 돕기 위해 이용된다. 윤활용 겔을 통해 벨트의 바닥과 연결된 초음파 변환기의 배열은 컨베이어 장치의 중간 지점에 배치된다. 벨트 속도, 초음파 파워 및 주파수가 조절되어, 혼합된 졸 안의 겔화 프론트가 대략 테이블의 길이를 따라 중간에 나타난다. 겔이 된 졸이 테이블의 종단에 도달함에 따라, 유연한 겔 복합물이 원통 형상의 축 상에 롤링된다. 이것이 형성됨에 따라 관통된 폴리에틸렌 메쉬는 롤의 장력을 유지하는데 사용된다. 따라서 롤은 추가적인 화학적 처리를 위해 준비되고, 로드-베어링 기구로서 축을 사용하여 전달될 수 있다.

실험예 4

메탄올에 20%의 테트라메틸오소실리케이트(TMOS) 용액(pH 2에서 실내 온도에서 4시간 동안)의 가수분해에 의해 제조된 20 갤론의 실리카 졸이 유체 펌프 및 흐름 미터와 연결된 바닥 드레인을 갖춘 스테인레스 스틸 용기 내에 유입된다. 또한 바닥 드레인, 펌프 및 흐름 미터를 갖춘 분리 컨테이너는 과량의 암모니아화 메탄올(1%)로 채워진다. 두 개의 분리된 유체는 고정된 믹서를 통해 흐름 미터를 사용하여 고정된 비율로 배합되고, 평평한 이동 컨베이어 표면 위에 분배 헤드를 통해 증착된다. 실리카 졸은 평평한 이동 컨베이어 표면(유연한 단부들 사이에서의 38" 폭) 위에 분배 헤드를 통해 놓여 고정된 비율로 펌핑된다. 이동 컨베이어 벨트의 전면과 접촉하는 핀치 롤러는 낮은 점성의 졸의 역확산을 방지한다. 컨베이어 벨트 속도 및 졸 증착 흐름의 비율은 매칭되어 (모노리스) 실리카 겔 시트를 위한 겔화 프론트가 대략 컨베이어의 길이를 따라 중간에서 발생한다. 벨트 속도는 시네레시스 시간 및 겔 시간의 비율이 대략 1:1로 유지하기 위하여 공정 중 일정하게 유지된다. 에이징된 실리카 겔 시트가 컨베이어 벨트(섬세한 겔 구조의 균열을 방지하기 위한 지지 표면상)의 종단을 넘어 바람직한 길이에 도달함에 따라, 절단 장치는 연속적인 유동 겔로부터 각각의 조각을 분리하는 것을 보증한다. 새로운 겔 시트는 로드 베어링 플레이트 상에서 움직이고 추가적인 처리를 위해 다른 영역으로 재이동된다. 이 작동은 모든 졸이 테이블에 증착될 때까지 반복된다. 본 공정은 적정하게 계산된 양의 졸이 증착 장치 내에 공급되는 한 연속적으로 수행될 수 있다.

실험예 5

에탄올에 20%의 TEOS 용액의 가수분해에 의해 제조된 20 갤론의 실리카 졸(pH 2에서 실내온도에서 24 시간 동안)이 유체 펌프 및 흐름 미터와 연결된 바닥 드레인을 갖춘 스테인레스 스틸 용기 내에 유입된다. 암모니아화 에탄올(1%)이 졸의 pH가 4 내지 7의 값에 도달할 때까지 거의 일정한 온도를 유지하는 비율로 섞으면서 추가된다. pH 조절된("촉매화 된") 졸은, 폴리에틸렌 분리기 층(separator layer)과 함께 스테인레스 스틸 축에 감긴 약 0.5" 두께의 폴리에스테르 배팅(batting)(38인치 폭)의 롤을 통해 컨테이너 안에 증착된다. 증착은 섬유 용적 내에 과도한 기포의 형성을 방지하고, 당업계의 당업자들에게 알려진 레진 전송 몰딩 기술 또는 진공 침투 기술의 사용으로부터 이득을 얻을 수 있는 식으로 수행된다. 겔화가 일어난 후에, 겔 롤은 과도하게 굳기(겔화 시간 대 시네레시스 시간의 비율은 1:1보다 큰 것이 바람직하다) 전에 풀리되, 유체 불투과성 플라스틱 층이 제거되고 유연한 겔이 분리통 안에서 적절한 장력으로 침투 흐름층에 다시 롤링된다(도 6). 따라서, 겔화된 롤이 초임계 건조 전에 추가적인 에이징 및 화학적 처리를 위해 마련된다.

발명의 실시예를 설명함에 있어, 특정 기술이 명확화를 위해 사용되었다. 명세서의 목적을 위해, 각 특정 용어는 적어도 유사한 목적을 달성하기 위해 유사한 방법으로 작동하는 모든 기술 및 동등한 기능을 포함하도록 하였다. 게다가, 발명의 특정 실시예가 복수의 시스템 요소 및 방법 단계를 포함하는 어떠한 예에서, 이 요소들 및 단계들은 단일 요소 또는 단계로 대체될 것이다; 마찬가지로, 단일 요소 또는 단계가 동일한 목적을 수행하는 복수의 요소들 또는 단계들로 대체될 것이다. 더욱더, 본 발명이 특정 실시예의 참조번호를 나타내고 기술하는 반면, 당업계의 당업자들은 상세한 설명에서 다양한 다른 변화가 발명의 범위를 벋어남이 없이 만들어질 것으로 이해할 것이다.

Claims

다량의 섬유상 배팅(batting) 물질을 제공하는 단계;
다량의 유체 불투과성 물질을 도입하여 상기 다량의 섬유상 배팅(batting) 물질을 복수의 섬유층을 갖는 섬유 롤 모재로 분리하는 단계;
상기 섬유 롤 모재에 다량의 촉매 배합된 졸을 주입하는 단계;
상기 섬유 롤 모재에 상기 촉매 배합된 졸을 겔링하는 단계;
상기 유체 불투과성 물질을 제거하여 잔존하는 겔 물질을 제거하는 단계; 및
다량의 유체 투과성 물질을 도입하여 상기 겔 물질을 복수의 층으로 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 겔 시트 캐스팅하는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 촉매 배합된 졸은 무기 물질, 유기 물질, 및 상기 무기 물질과 상기 유기 물질의 조합물로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 겔 시트 캐스팅하는 방법.
제 2 항에 있어서,
상기 무기 물질은 지르코니아, 산화 이트륨, 하프니아, 알루미나, 티타니아, 세리아, 실리카, 산화 마그네슘, 산화 칼슘, 플루오르화 마그네슘, 플루오르화 칼슘 및 이들의 조합물로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 겔 시트 캐스팅하는 방법.
제 2 항에 있어서,
상기 유기 물질은 폴리아크릴레이트, 폴리올레핀, 폴리스틸렌, 폴리아크릴로니트릴, 폴리우레탄, 폴리이미드, 폴리푸르푸랄 알콜, 페놀 푸르푸릴 알콜, 멜라민 포름알데히드, 레조시놀 포름알데히드, 크레졸 포름알데히드, 페놀 포름알데히드, 폴리비닐 알콜 디알데히드, 폴리시아누레이트, 폴리아크릴아미드, 에폭시, 한천, 아가로스 및 이들의 화합물로 구성된 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 겔 시트 캐스팅하는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 섬유상 배팅(batting) 물질은 무기 물질, 유기 물질, 및 상기 무기 물질과 상기 유기 물질의 조합물로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 겔 시트 캐스팅하는 방법.
제 5 항에 있어서,
상기 무기 물질은 지르코니아, 산화 이트륨, 하프니아, 알루미나, 티타니아, 세리아, 실리카, 산화 마그네슘, 산화 칼슘, 플루오르화 마그네슘, 플루오르화 칼슘 및 이들의 조합물로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 겔 시트 캐스팅하는 방법.
제 5 항에 있어서,
상기 유기 물질은 폴리아크릴레이트, 폴리올레핀, 폴리스틸렌, 폴리아크릴로니트릴, 폴리우레탄, 폴리이미드, 폴리푸르푸랄 알콜, 페놀 푸르푸릴 알콜, 멜라민 포름알데히드, 레조시놀 포름알데히드, 크레졸 포름알데히드, 페놀 포름알데히드, 폴리비닐 알콜 디알데히드, 폴리시아누레이트, 폴리아크릴아미드, 에폭시, 한천, 아가로스 및 이들의 화합물로 구성된 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 겔 시트 캐스팅하는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 섬유상 배팅(batting) 물질은 0.1μm 내지 10,000μm 범위의 직경을 갖는 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 겔 시트 캐스팅하는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 섬유상 배팅(batting) 물질은 0.001μm 내지 10μm 범위의 직경을 갖는 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 겔 시트 캐스팅하는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 겔 물질에 걸쳐 주름진 섬유를 분포하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 겔 시트 캐스팅하는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 촉매 배합된 졸의 겔화는 (a) 화학적 공정 및 (b) 에너지원으로부터 상기 졸의 횡단면 안으로 소정 양의 에너지를 방사하는 공정으로 구성된 그룹으로부터 선택된 공정에 의해 향상되는 것을 특징으로 하는 겔 시트 캐스팅하는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 유체 불투과성 물질은 유연한 시트를 포함하는 것을 특징으로 하는 겔 시트 캐스팅하는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 겔 물질은 메쉬, 시트, 천공 시트, 포일 및 천공 포일로 구성된 그룹으로부터 선택된 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 겔 시트 캐스팅하는 방법.
다량의 섬유상 배팅(batting) 물질을 제공하는 단계;
다량의 유체 불투과성 물질을 도입하여 상기 다량의 섬유상 배팅(batting) 물질을 복수의 섬유층을 갖는 섬유 롤 모재로 분리하는 단계;
상기 섬유 롤 모재에 다량의 촉매 배합된 졸을 주입하는 단계;
상기 섬유 롤 모재에 상기 촉매 배합된 졸을 겔링하여 겔 시트 롤을 형성하는 단계; 및
상기 겔 시트 롤을 건조하는 단계를 포함하는 에어로겔 단열재를 제조하는 방법.