KR102346130B1 - 에어로겔 복합재료의 생산 시스템 및 방법, 및 에어로겔 복합재료 - Google Patents

에어로겔 복합재료의 생산 시스템 및 방법, 및 에어로겔 복합재료 Download PDF

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Abstract

본 발명은 에어로겔 복합재료를 제조하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 상기 시스템은 복수의 섬유 매트를 수용하기 위한 이동가능한 캐리어 바스켓(85)을 구비하는 반응 용기(11)를 구비하고, 상기 섬유 매트를 서로 이격시키기 위해 복수의 플레이트가 제공되는 것을 특징으로 한다. 플레이트가 제거되면, 에어로겔 단열 보드 사이에 건조 공정 중 고온 건조 공기가 불어올 수 있는 틈이 생긴다. 상기 방법은 폐기될 용매 및 시약의 양이 최소화되고, 이외 복잡한 워크-업(work-up) 공정이 필요없다는 이점을 갖는다.

Description

에어로겔 복합재료의 생산 시스템 및 방법, 및 에어로겔 복합재료
본 발명은 청구항 제1항 및 제12항의 전제부에 따른 에어로겔 복합 재료의 생산을 위한 시스템 및 방법, 및 고성능 단열 재료로서 청구항 제33항에 따른 방법에 의해 얻을 수 있는 복합재료에 관한 것이다.
에어로겔은 낮은 밀도, 50nm 미만인 범위의 오픈 포어(open pore)를 갖는 큰 공극률, 및 큰 내부 표면을 가지고 있다. 그 결과 열 전도도가 낮아진다. 따라서, 에어로겔은 또한 단열재로 적합할 수 있다. 높은 공극률은 또한 에어로겔의 낮은 기계적 안정성으로 이어진다.
그러므로, 섬유 재료 및 에어로겔의 복합재료가 최근 몇 년간 제안되어 왔다. 이러한 복합재료는 예를 들어 단열재료로서 사용될 수 있다. WO93/06044에는, 예를 들어, 다음의 단계를 갖는 에어로겔 매트릭스 복합 재료를 생산하는 방법이 개시되어 있다:
- 에어로겔 전구체의 준비,
- 상기 에어로겔 전구체와 섬유의 혼합,
- 겔을 생산하기 위한 상기 섬유를 포함하는 에어로겔 전구체의 숙성(aging),
- 상기 겔을 초임계 건조에 적합한 용매에 침전, 및
- 상기 겔을 초임계 조건하에 건조.
에어로겔에 내장될 수있는 적합한 섬유는, 무엇보다도, 유리 섬유 또는 암면 섬유이다. 그러나, 상기 기재된 방법은 겔이 반드시 초임계 조건 하에서 건조되어야 하며, 오토클레이브(autoclave)가 요구되는 단점을 가지며, 이때 통상적으로 적어도 하나의 용매 교환이 수행된다. 이는 매우 복잡하고 시간이 많이 소요되는 공정이다. 상기 건조는 특수 장비를 필요로 한다(임계점 건조를 위한 압력 반응기; 예: >74 bar / >30 ℃에서의 CO2 건조). 따라서 에어로겔의 초임계 건조는 오직 작은 배치(batch) 및 실험실 규모에만 적합하다.
겔의 초임계 건조의 복잡성으로 인해, 순환 공기 흐름 및 정상 압력에서 150 ℃ 미만의 겔의 아임계(subcritical) 건조가 가능한 방법이 또한 개발되었다. 겔의 아임계 건조에서, 생성된 겔의 자유(free) Si-OH그룹은 먼저 추가적인 응축을 위해 비활성화되어야 한다. 이것은 예를 들어 트리메틸클로로실란을 겔에 첨가함으로써 발생한다(F. Schwertfeger, D. Frank, M. Schmidt, "Hydrophobic waterglass based aerogels without solvent exchange or supercritical drying" in Journal of Non-Crystalline Solids, 225 (1998), p. 24-29 참조). 트리메틸클로로실란은 겔의 실리케이트(silicate) 표면의 OH 그룹과 HCl의 분리와 함께 반응한다. 상기 실리케이트 표면을 소수성화함으로써, 물은 겔의 포어로부터 옮겨진다. 헥사메틸디실록산 및 과량의 트리메틸클로로실란은 유기 상을 형성하고 겔의 포어 내에 잔류한다. 생성된 염산은 초기에 수상을 포화시킨 다음, 고농도에서 기체 상으로 누출된다.
그러나, 상기 기재된 방법은 암면 섬유와 함께 사용될 수 없다는 단점을 가지는데, 이는 상기 유리된 염산이 부분적으로 상기 암면 섬유를 용해시키기 때문이다. 암면(rockwool)은 52 wt.-% 이상의 산-용해성 분율(Al2O3, CaO, MgO 및 Fe2O3와 같은 금속 산화물)로 구성된다. 이러한 이유로, 유리솜 기반의 에어로겔이 현재 사용되는데, 한편으로는 산성 pH에서 충분히 안정하지만 다른 한편으로는 화재시에는 내열성이 충분하지 않다.
WO 94/25149는 건조 전 겔의 포어에서 모세관 압력을 감소시키기 위하여 겔의 표면을 표면 개질 화합물로 소수성화시켜 상기 겔이 최종 건조 단계에서 붕괴되지 않도록 한, 높은 다공성 크세로겔(xerogel)을 생산하는 방법을 기재한다. 상기 방법은 일련의 숙성(aging), 세척 및 건조 단계로 구성된다. 상기 기재된 방법은 매우 복잡한데, 이는 트리메틸클로로실란으로 소수성화하기 전과 후에 상기 겔을 반드시 비양성자성 용매로 세척해야 하기 때문이다. 또 다른 단점은 소수성 처리 중 방출된 염산이, 예를 들어 암면 섬유를 공격하는 것이다.
DE-OS-196 48 798은 (사전 용매 교환없이) 수성 겔의 표면 개질 및 후속 건조에 의해 유기적으로 변형된 에어로겔의 제조방법을 기재한다. 실릴화제는 바람직하게는 헥사메틸디실록산(HMDSO)이다. 또한, 소수성화 반응을 위한 촉매로서 염기 또는 산을 사용하는 것도 가능하다. 바람직한 산은 염산, 황산, 인산, 불화 수소산, 옥살산, 아세트산 또는 포름산이지만, 염산이 바람직하다. 건조 전, 실릴화된 겔을 양성자성 또는 비양성자성 용매로 선택적으로 세척할 수 있다. DE-OS-196 48 798의 교시에 따르면, 형성된 겔은 아임계 조건에서 건조시키는 것이 바람직하다. DE-OS 19648798의 교시에 따르면 유기용매의 사용이 완전히 없기 때문에, 사용된 실릴화제에 대해 얻을 수 있는 모든 SiOH 그룹이 실릴화제와 반응할 수 있다. 결과적으로, DE-OS-196 48 798에 따르면 하이드로겔의 내부 표면의 매우 높은 점유도가 달성될 수있다.
WO 2013/053951은 열전도도가 5 내지 25 mW/mK인 크세로겔을 제조하는 방법을 개시하며, 제 1단계에서 섬유상 보강재가 미리 배치된 반응기에 졸을 부어 넣는다. 그 후, 졸은 겔화되고 숙성되며 소수성이 된다. 그 다음, 소수성화된 알코겔을 먼저 80 ℃ 이하의 온도에서 예비 건조한 다음 알코올 함량이 3% 초과가 될 때까지 아임계 조건 및 100 ℃ 초과, 바람직하게는 120 ℃ 내지 140 ℃의 온도에서 건조시킨다. 실험(실시예 3)에 따르면, 예비 건조가 25 mW/mK 미만의 열전도도를 갖는 재료를 얻는데 절대적으로 필요하다. 상기 기재된 방법에서, 마지막으로 언급된 단계를 제외한 모든 단계는 동일한 반응기에서 수행될 수있다. 중요한 것은 내벽의 거리가 서로 70mm 이하라는 점이다. 더 큰 벽 간격을 선택하면, 생산된 섬유 강화 크세로겔은 25 mW/km 초과의 열전도도를 갖는다.
제 2단계에서 형성된 알코겔은 최초 졸의 중량에 대하여 15 중량% 내지 90 중량%의 알코올 함량을 갖는다. 바람직하게는 HMDSO(헥사메틸디실록산)에 의한 소수성화는 1 내지 3의 pH에서 염산의 존재 하에 수행된다. 염산의 사용에 대한 대안으로, 포름산이 제안된다.
미국등록특허 제 5,746,992 호는 실리콘 에어로겔의 생산에 관한 것이다. 제조 공정에서 알코겔로부터 알코올은 아임계 조건에서 제거된다. 일 실시예에 따르면, 테트라-에톡시실란의 가수분해는 2 단계로 일어난다. 제 1단계에서, 테트라에톡시실란, 메탄올, 약간의 물 및 질산이 유리 용기에서 함께 혼합되고, 상기 유리 용기가 밀봉되고 60℃에서 24시간 동안 유지된다. 이 시간 동안, 테트라에톡시실란은 산성 조건 하에서 부분적으로 가수 분해된다. 그 후, 상기 혼합물은 수성/알코올성 암모니아 용액의 첨가에 의해 염기성화되고 60℃에서 24시간 동안 유지되어 염기성 조건 하에서 2차 가수 분해를 달성한다. 이러한 조건 하에서, 투명한 실리카 겔이 얻어지며, 노(furnace)에서의 건조 후 74 %의 내부 입자 공극률을 갖는다. 미국등록특허 제 5,746,992 호에 따르면, 겔의 소수성화는 제공되지 않는다.
WO 2015/014813은 에어로겔 물질의 생산방법을 개시하며, 이는 WO 2013/053951의 것과 유사하다. WO2013/053951에 이미 기재된 바와 같이, 알코올 매질은 먼저 알코올성 매질에서 제조되며, 이는 산-촉매적으로 활성화가능한 소수성화제,이 경우에는 HMDSO와 반응될 수있다. WO 2012/053951에 관한 신규성은 소수성화된 HMDSO가 이미 제 1단계에서 실리카 졸에 첨가된다는 것이다. 상기 졸의 소수성화제의 부피 분율은 3 내지 80%이다. 이는 소수성화제와 상호작용하는 하나 이상의 소수성화 촉매의 방출 또는 첨가에 의해 선택적으로 숙성될 수있는 겔의 형성 후에만 활성화된다.
WO 2015/014813은 과립(granulate)을 생산하기 위한 실시예를 기재하며, 이는 형성되고 숙성된 겔을 기계적으로 분쇄한 후 밀폐된 압력 용기로 옮기고 HMDSO의 존재 하에 HCl에 의해 소수성화시킨 다음, 초기에 컨베이어 벨트를 50 ℃에서 예비 건조한 다음 150℃에서 완전히 건조시키는 것을 특징으로 한다.
다른 실시예에서, 폴리에톡시디실록산 졸 및 HMDS의 22% SiO2 함량을 포함하는 알코올성 용액에 10 % HCl로 도핑된 서방제를 첨가함으로써 에어로겔 단열 보드가 제조된다. 암모니아 용액을 첨가한 후, 혼합된 졸은 폴리에스테르 부직포 섬유 매트로 미리 배열한 피트(fit) 형태로 놓여진다. 5시간 숙성 후, 겔 플레이트는 몰드에서 들어올려지고, 밀폐 용기에 65℃에서 24시간 동안 보관되고 소수성화된다. 이 온도에서, HCl은 마이크로캡슐화를 빠져나와 존재하는 HMDSO를 활성화시킨다. 그 다음 상기 용기가 열리고 겔 플레이트가 먼저 50 ℃에서 건조된 다음 130 ℃에서 건조된다.
WO 2013/05395는 고체 촉매 입자를 수용할 수 있는 용기를 개시하고, 증류탑 영역에 배열된다. 상기 용기는 용기의 내부 공간에서 고체 촉매 입자를 수용하고 상기 용기의 바닥을 통과하는 액체의 이동을 허용하기 위한 주변 측벽에 연결된 천공된 바닥 플레이트를 갖는다. 또한, 상기 용기는 액체를 축적하기 위한 용기 커버를 가지며, 상기 용기 커버는 주변 측벽에 연결되고 내부 공간을 덮는다. 상기 용기 커버는 용기 커버로부터 촉매 반응 구역으로의 액체의 통과를 방지하기 위해 다 공판을 갖는다.
미국등록특허 제5,679,312호는 복수의 재순환 파이프가 내부에 연결된 복수의 다공판 바닥을 갖는 반응기 컬럼에서 반응 생성물 중 적어도 하나로부터 반응물을 분리하기 위해 화학 반응을 연속적으로 수행하기 위한 반응성 스트리핑(stripping) 장치를 개시한다. 각각의 재순환 파이프의 일부, 반응기 컬럼의 측벽의 일부 및 다 공판 바닥 중 하나는 함께 챔버를 형성한다. 최하부 플레이트 트레이 위의 반응기 컬럼의 상부 및 측벽을 따르는 유입구는 액체 반응물을 공급하는 역할을 한다. 반응기 컬럼의 하부에 제공되는 유입구 및 유출구는 불활성 기체 흐름을 도입하거나 반응 혼합물을 배출시키는 역할을 한다. 반응기 컬럼의 상부에서, 반응 혼합물로부터의 적어도 하나의 저비등 반응 생성물로 불활성 기체의 흐름을 배출하기 위한 유출구가 제공된다.
미국특허출원 제2006/260927호는 반응 촉매 증류 장치를 사용한 고체 지지체 촉매의 연속 반응 촉매 증류 및 온-라인 재생 장치 및 방법을 개시한다. 이것은 제1 및 제2 기능부 내의 격벽으로 분리되는 증류 칼럼을 갖는다. 더 낮은 제1부에서, 증발기는 증발용 공급물을 가열하기 위해 공급물 및 재순환 라인을 통해 연결된다. 그러나, 상기 증발은 또한 신선한 증기(steam) 주입에 의해 수행될 수 있거나 적어도 부분적으로 기화된 공급물이 발생할 수 있다. 또한, 증기(vapour)/액체 접촉 장치가 제1부에 제공된다. 용도에 따라서, 생산물 공급 개구 및 생산물 유출 개구가 또한 제1부에 제공될 수 있다. 증류탑의 제2 기능부는 증기 라인을 통해 외부 응축기에 연결되어 증기를 제거하고, 여기서 상기 응축물은 라인을 통해 증류탑의 제2부로 다시 통과된다. 제1부와 마찬가지로, 제2부는 또한 증기(steam)/액체 접촉 장치를 가질 수 있다. 또한, 적어도 하나의 증기 포트 및 적어도 하나의 액체 포트는 제2 기능부와 연결된다.
촉매 증류 반응기는 제1 기능부의 하나 이상의 증기 포트 및 하나 이상의 액체 포트에 연결된다. 상기 하나 이상의 촉매 증류 반응기는 고체 지지체 촉매로 채워진다. 증류 칼럼의 제2 기능부의 하나 이상의 증기 포트 및 하나 이상의 액체 포트는 또한 하나 이상의 증류 반응기와 연결된다. 각각의 라인을 통해 촉매 증류 반응기에 연결된 촉매 재생기는 폐 촉매를 재생하는 역할을 한다.
EP-A-1 690 849는 반응성 증류를 갖는 카르복실산 에스테르의 제조 방법 및 장치를 기재하고 있다. 상기 시스템은 제1 증류탑을 포함하며, 상기 제1 증류탑은 예비 반응기가 선행되고, 이어서 제2 컬럼이 뒤따른다. 예비 반응기에서 물질 분리없이 에스테르화의 제1상이 수행된다. 예비 반응기의 투입물은 재순환 라인에 의해 제1 컬럼 및/또는 제2 컬럼에, 즉 제1 오버헤드 생성물의 유기상 재순환 라인 또는 제2 오버헤드 생성물의 증류 재순환 라인에 의해 연결된다.
본 발명의 목적
본 발명의 목적은 산업적 규모로 복합 재료의 가장 비용-효율적인 생산을 가능하게 하는 에어로겔-섬유 복합 재료의 제조 시스템 및 방법을 제공하는 것이다. 특히, 에어로겔 복합 플레이트를 제조하는데 필요한 시간은 가능한 짧아야 한다. 또한 취급은 가능한 간단해야 하며 시약 및 용매의 형태로 사용하는 것이 가능한 낮아야 한다. 상기 에어로겔 물질(섬유 매트릭스가 없는)은 >80%, 바람직하게는 >90%, 특히 바람직하게는 >92%의 공극률(porosity) 및 <0.2g/ml, 바람직하게는 <0.15g/ml 및 보다 바람직하게는 <0.12g/m의 밀도를 가져야 한다. 또다른 목적은 암면 섬유와 같은 산-민감성 섬유를 또한 포함할 수 있는 에어로겔 복합체를 제공하는 것이다. 상기 목적은 열 전도도 λ가 <20 mW/mK, 바람직하게는 <16 mW/mK인 섬유 에어로겔 복합체를 제공하는 것이며, 이는 산업적 규모로 생산될 수 있다.
본 발명은 에어로겔의 생산 방법에 관한 것으로, 상기 방법에서 초기에 실리카 졸이 테트라에톡시실란(TEOS)과 같은 유기실란 화합물이 산성 또는 염기성 조건 하에서 가수분해되어 제조된 다음, 겔이 염기를 상기 졸에 첨가하여 생산되고, 그 다음 상기 생산된 겔이 숙성된다. 숙성 후에, 상기 겔은 산 촉매의 존재 하에 실릴화제로 소수성화되고, 이어서 상기 겔은 건조, 바람직하게는 아임계 건조에 의해 건조된다.
본 발명의 내용에서, 용어 에어로겔(aerogel)은 높은 다공성 고체, 특히 실리카(silicate)를 기초로 하는 고체를 의미하며, 건조 방법과 무관한 것으로 이해되어야 한다. 이러한 의미에서, 크세로겔(xerogel) 및 리오겔(lyogel)은 또한 상기 용어 "에어로겔"의 하위 개념으로 포함되며, 본 발명에 따른 방법에 의해 생산된 상기 다공성 겔은 정확하게 크세로겔이라 칭하여야 한다.
본 발명에 따르면, 상기 목적은 청구항 제1항의 전제부에 따른 시스템에 의해 달성되며, 상기 시스템은 다음을 특징으로 한다:
h) 상기 반응 용기는 커버가 제공되고,
i) 복수의 섬유 매트를 수용하기 위한 제거 가능한 바스켓이 상기 반응 용기에 제공되며,
j) 상기 섬유 매트를 서로 이격시키는 공간에 복수의 플레이트가 제공된다.
본 발명에 따른 시스템은 에어로겔 섬유 매트의 산업적 생산에 적합하고, 필수 반응 단계가 하나의 동일한 반응기에서 수행될 수 있다는 장점을 갖는다. 복수의 섬유 매트가 반응 용기 내에 동시에 배치될 수 있다. 이들은 제조 공정에서 플레이트에 의해 서로 이격되어있다. 겔화 및 소수성화 후, 상기 플레이트를 제거하여 뜨거운 공기가 불어올 수 있는 에어로겔 단열 보드 사이에 보이드가 형성되도록 한다.
유리하게는, 열 교환기 장치는 반응기 또는 반응기 내용물을 특정 온도로 가열 또는 냉각시키기 위해 반응 용기 상에 제공된다. 이는 반응기 내용물이 특정 온도로 급속 가열될 수 있는 장점이 있다.
바람직한 실시예에 따르면, 건조 기체를 주입하기위한 연결 포트가 반응 용기에 제공되고, 상기 건조 기체의 공급 라인이 여기에 연결되어 가열 장치와 연통한다. 상기 반응 용기에는 열 교환기와 연통되어 있는 건조 기체의 배출이 또한 제공된다. 송풍기 또는 펌프는 상기 건조 기체를 반응 용기 내로 도입하거나 이로부터 끌어내기 위하여 제공될 수 있다.
바람직하게는, 상기 열 교환기는 재순환 라인을 통해 반응기에 연결된다. 이는 상기 건조 기체가 바람직하게는 순환되는 것을 의미하며, 고온 건조 기체 (용매 및 시약)와 배출된 휘발성 물질은 편리하게 응축된다. 응축 후, 상기 건조 기체는 원하는 온도로 재가열되고 반응기로 다시 공급된다.
취급을 용이하게 하기 위해, 제거가능한 캐리어 바스켓이 반응 용기 내에 제공되는 것이 바람직하며, 여기서 섬유 매트는 복합 플레이트의 제조를 위해 배열된다. 상기 캐리어 바스켓의 사용은 제2 바스켓에 섬유 매트를 로딩할 수 있고, 제1 바스켓이 여전히 반응 용기에 있는 동안 제조될 수 있다는 이점을 갖는다. 이러한 유형의 건조는 공지된 기술에서 필요하다고 여겨지는 예비 건조(predrying)가 생략될 수 있기 때문에 특히 유리한 것으로 밝혀졌다. 상기 건조는 진공 상태에서 일어나는 것도 가능하다.
에어로겔 단열 보드의 필요한 제조 시간을 추가로 감소시키기 위해, 교반기가 구비된 혼합기/침강기가 바람직하게 제공되고, 한편으로는 라인을 통해 반응 용기와 연통하고, 다른 한편으로는 다른 라인을 통해 용매 저장조와 연통한다. 상기 혼합기/침강기의 존재로 인해, 혼합기/침강기의 내용물이 처리되는 동안 동시에 다음 생산 단계가 상기 반응 용기에서 이미 이루어질 수 있다. 정제된 용매 또는 시약은 다음 생산 단계에서 재사용될 수 있다.
유리하게는, 상기 혼합기/침강기는 라인을 통해 증류 장치와 연결되어, 혼합기/침강기의 내용물을 증류를 통해 후속적으로 처리할 수 있다. 이어서, 정제된 용매를 동일한 저장조에 다시 도입할 수 있다.
바람직하게는, 상기 혼합기/침강기는 소수성화제 저장조와 또다른 라인을 통해 연결된다. 이는 다음 배치(batch) 공정에서 미사용 소수성화제를 재사용할 수 있게 한다.
본 발명의 과제는 또한 청구항 제 9 항의 전제부에 따른 시스템으로, 상기 반응 용기가 재순환 라인을 통해 한편으로 직접적 또는 간접적으로 용매 저장조 및 소수성화제 저장조와 연통되는 것을 특징으로 한다. 이 시스템은 모놀리식(monolithic) 에어로겔 단열 보드의 합리적이고 산업적인 생산을 가능하게하는 장점이 있다. 용매 및 시약의 소비를 최소화함으로써 제조 공정의 비용을 낮게 유지할 수 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 청구항 제 11 항의 전제부에 따른 섬유 강화 에어로겔 플레이트의 생산방법으로, 초기에 복수의 섬유 매트 및 상응하는 수의 중간 플레이트가 반응 용기 내에 교대로 배열되어 있는 것을 특징으로 하여, 두 개의 섬유 매트가 각각의 중간 플레이트에 의해 서로 분리되고, 실리카 졸이 반응 용기에 첨가되어 겔화가 시작되고 선택적으로 겔이 숙성되며; 상기 겔의 겔화 및 선택적인 숙성 후, 상기 반응 용액이 배출되고 중간 플레이트가 제거되고 형성된 섬유 강화 에어로겔 플레이트가 100 ℃ 초과의 온도에서 건조된다.
본 발명의 방법은 다수의 에어로겔 섬유보드가 한번에 제조될 수 있고 상기 에어로겔 섬유 매트가 상기 반응 용기에서 건조될 수 있다는 점에서 산업적 공정에 대한 중요한 이점을 갖는다.
유리하게는, 인접한 섬유 매트는 서로로부터 적어도 10 mm, 바람직하게는 적어도 20 mm, 및 보다 바람직하게는 적어도 30 mm의 거리에 배치된다. 이것은 고온의 공기 흐름이 불어오는 갭이 존재하고 에어로겔 단열 보드가 인 시츄(in situ)에서 건조될 수 있는 장점이 있다. 결과적으로 추가 처리 단계가 필요하지 않다.
편리하게, 상기 섬유 매트는 반응 용기에 맞는 캐리어 바스켓에 놓여진다. 상기 바스켓과 반응기 내벽 사이에는 가능한 매우 작은 죽은 공간이 남아있어야 한다. 상기 캐리어 바스켓은 가능한 완전히 용기 내부를 채워야 하므로 불필요한 죽은 공간이 없어야 한다. 따라서 최소량의 용매와 시약으로 많은 수의 에어로겔 섬유 보드가 생산될 수 있다.
상기 방법의 특히 바람직한 변형에 따르면, 상기 섬유 강화 에어로겔 플레이트의 건조는 직접적으로 반응 용기에서 일어난다. 이는 에어로겔 단열 보드의 추가적 취급이 필요없다는 장점이 있다. 유리하게는, 상기 건조는 반응 용기를 통해 뜨거운 공기를 송풍함으로써 수행된다. 이것은 특히 건조가 120℃ 초과, 바람직하게는 130 ℃ 초과 및 보다 바람직하게는 140 ℃ 내지 160 ℃의 온도에서 발생하는 경우 효율적인 방법이다. 선행 기술과 대조적으로, 예비 건조는 생략될 수 있어, 에어로겔 단열 보드의 배치(batch)의 준비 시간이 크게 단축될 수 있다. 섬유 강화 에어로겔 보드를 건조시키기 위해, 고온 건조 기체는 적어도 5 시간, 바람직하게는 적어도 10 시간 및 보다 바람직하게는 적어도 15 시간 동안 반응기를 통과한다. 상기 반응기에서의 건조 공정 초기의 건조 기체가 여전히 냉각되는 동안, 상기 반응기 및 그 내용물은 3 내지 5 시간 후에 고온 건조 기체의 온도까지 가온된다. 바람직하게는, 상기 건조 기체가 순환되고 고온 건조 기체에 포함된 휘발성 물질이 연속적으로 응축되므로 새로 첨가된 건조 기체는 용매 및 휘발성 반응 매질을 다시 흡수할 수 있다.
바람직하게는, 겔화, 소수성화 및 건조 (b, c 및 d 단계)는 하나의 동일한 반응기에서 수행된다. 이는 개별 단계 간의 시간-소모적인 이동단계가 생략될 수 있기 때문에 특히 효율적이다. 또한 모든 단계가 동일한 용기에서 수행될 수 있다면 귀중한 공간이 절약될 수 있다.
유리하게는, 상기 소수성화는 질산의 존재 하에서 수행된다. 질산은 놀랍게도 암면 섬유와도 양립할 수 있다는 장점이 있으며, 이는 예측할 수 없었던 것이다. 바람직한 소수성화제는 헥사메틸디실록산(HMDSO)이다.
최종 건조 단계로 인해 수분 함량을 가능한 한 낮게 유지하도록 일반적으로 시도되어왔지만, 놀랍게도 본 발명자들은 물의 비율 (v/v)이 적어도 4%, 바람직하게는 적어도 7%가 특히 유리함을 밝혀내었다. 소수성화 반응에 물이 직접적으로 관여하지는 않지만, 생산된 에어로겔 단열 보드의 품질은 물이 존재할 때 더 좋다. 놀랍게도, 소수성화제의 중량%가 50% 이상이더라도 소수성화는 성공한다.
유리하게는, 상기 소수성화의 pH는 1 내지 7, 바람직하게는 1 내지 5 및 보다 바람직하게는 1 내지 3의 값으로 조정된다. 약 pH 2의 산성 범위에서, HMDSO는 여전히 존재하는 자유 Si-OH 그룹과 빠르게 반응한다.
유리하게는, 에탄올은 상기 생산 방법의 개별 단계에 사용된다. 에탄올은 비용-효율적으로 조달될 수 있으며, 상기 에어로겔로부터 쉽게 제거될 수 있다.
유리하게는, 상기 실리카 졸은 알콕시실란 또는 하이드록시알콕시실란의 가수분해, 바람직하게는 테트라에톡시실란(TEOS) 또는 트리메틸클로로실란의 가수분해에 의해 제조된다. TEOS의 사용은 EtOH와 같은 알코올 용해성을 갖는다는 장점이 있다. 따라서, 졸의 제조는 알코올, 알코올성 또는 알코올-함유 용매 혼합물에서 수행될 수 있으며, 이는 더 후에 형성된 겔의 포어 내에 물이 덜 존재하기 때문에 공정에 유리하다. 알코올성 용매 혼합물 하에서, 혼합물은 그 안의 알코올이 주성분이고, 바람직하게는 >90 부피%, 및 특히 바람직하게는 >95 부피%의 부피 분율을 갖는 것을 의미한다. 반대로, 알코올-함유 용매 혼합물은 상기 알코올 또는 알코올류의 부피%가 <50 부피%, 및 바람직하게는 <40부피%가 되는 것으로 고려된다.
상기 방법의 특히 바람직한 변형에 따라, 예비 가수분해된 졸이 사용된다. 이것은 겔 생산 공정의 지속 기간을 상당히 감소시킨다. 예비 가수분해된 졸은 안정하고 저장 가능하며 상업적으로 이용 가능하다. 그들은 또한 병렬 제조 공정에서 연속적으로 생산될 수 있다.
예비 가수 분해된 졸이 바람직하게 사용되며, 이는 알코올, 바람직하게는 ETOH에서 SiO2의 5% 내지 30% (m/m), 바람직하게는 SiO2의 10% 내지 25% (m/m), 및 특히 바람직하게는 15% 내지 20%의 양으로 존재한다.
상기 졸의 제조는 초기에 용매, 바람직하게는 EtOH에 충전된, 테트라에톡시실란(TEOS)의 가수분해에 의해 수행될 수 있다.
편리하게는, 상기 겔화는 30℃ 내지 80℃, 바람직하게는 50℃ 내지 75℃, 및 보다 바람직하게는 60℃ 내지 70℃의 온도 범위에서 일어난다.
유리하게는, 상기 가수분해, 겔화 및 소수성화는 실질적으로 알코올성 용매, 바람직하게는 EtOH에서 수행되며, 이때 편의상 물의 비율은 20 부피% 미만, 바람직하게는 10 부피% 미만, 및 보다 바람직하게는 5 부피% 미만이다. 소량의 물은 제조된 에어로겔의 품질 및 입자 크기에 긍정적인 영향을 미치는 것으로 밝혀졌다.
개별 공정 단계를 최적화함으로써, 놀랍게도 사전 용매 교환없이 소수성화하는 것이 가능하다. 이것은 한편으로는 공정이 더 빠르고, 다른 한편으로는 더 적은 양의 용매가 소비된다는 큰 이점을 갖는다.
원칙적으로, 이미 a) 단계에서 실릴화제를 첨가하는 것이 고려될 수 있다. 이는 예를 들어 알칼리 상태에서 안정한 실릴화제가 사용되고 상기 알칼리성 상태에서 졸 제조 및 겔화가 수행될 때 가능하다. 알칼리 상태에서 안정한 적합한 실릴화제는 예를 들어 HMDSO이다.
본 발명의 또 다른 과제는 상술된 방법에 따라 제조된 졸을 암면 섬유와 혼합하여 수득할 수 있는 에어로겔-섬유 복합 재료이다. 에어로겔-섬유 복합 재료는 90% 초과의 공극률 및 18 mW/mK 미만의 열전도도를 갖는다. 놀랍게도, 광물 섬유는 생산 중에 현저히 용해되지 않으며, 이는 암면 섬유의 공지된 산 민감도로 인해 예상될 수 없는 것이다.
원칙적으로 또한 유리솜 섬유가 복합 재료의 생산에 사용될 수 있지만, 바람직하게는 암면(rockwool)이 사용된다. 암면 섬유는 내화성이 훨씬 우수한 유리 솜 섬유보다 더 유리하다.
본 발명은 하기 실시예를 참조하여 보다 상세하게 설명될 것이다. 특히,
도 1은 섬유 강화 에어로겔 플레이트의 제조를 위한 반응 용기, 필요한 제제 및 용매를 수용하기 위한 다양한 저장조를 갖는 산업 시스템을 개략적으로 보여준다;
도 2는 바람직하게는 이중 벽 트로프(trough), 트로프를 폐쇄하기 위한 커버; 및 상기 용기 내에 수용되어 복수의 섬유 매트를 동시에 수용하고 운반하는 복수의 캐리어 바스켓으로 구성된 반응 용기의 일 실시예를 보여준다;
도 3은 도 2에 따른 단일의 빈 캐리어 바스켓을 보여준다;
도 4는 복수의 섬유 매트 및 중간 플레이트가 로딩된 캐리어 바스켓을 보여준다;
도 5는 도 2의 반응기 용기의 내부 트로프를 보여준다; 및
도 6은 도 2의 트로프의 외부 쉘을 보여준다.
도 1은 반응 용기 11, 반응을 수행하기 위한 반응물 및 용매를 수용하기 위한 다양한 저장조 13, 15, 17, 19, 21, 23 및 25뿐만 아니라, 상기 반응 혼합물의 제조 및 부분적으로 소비된 반응 용액의 중간 저장을 위한 용기 27, 29 및 31을 구비한 에어로겔 플레이트의 생산을 위한 산업 시스템을 개략적으로 보여준다. 상기 저장, 반응 및 혼합 용기는 라인 37 내지 63을 통해 서로 연결되어, 필요한 반응 혼합물이 생산될 수 있다. 구체적으로 다음과 같은 용기 및 라인이 정의된다:
반응기 11,
유기실란 화합물(TEOS) 저장조 13,
용매(EtOH) 저장조 15,
물 저장조 17,
황산(H2SO4) 저장조 19,
암모니아 수용액(NH4OH) 저장조 21,
소수성화제(HMDSO) 저장조 23,
질산(HNO3) 저장조 25,
알코올성 TEOS 용액의 생산을 위한 혼합용기 27,
EtOH 및 H2SO4의 희석된 혼합물을 제조하기 위한 혼합 용기 29,
희석된 암모니아 용액의 제조를 위한 혼합 용기 31,
졸의 제조를 위한 반응 용기 33,
혼합 용기 27 및 반응 용기 33 사이의 연결라인 34,
혼합용기 29 및 반응 용기 33 사이의 연결라인 35,
부분적으로 사용된 반응 혼합물의 중간 저장을 위한 용기 36,
저장조 13을 혼합용기 27과 연결하기 위한 라인 37,
저장조 15를 혼합용기 27과 연결하기 위한 라인39,
저장조 15를 혼합용기 31과 연결하기 위한 라인 41,
저장조 15를 혼합용기 29와 연결하기 위한 라인 43,
저장조 17을 혼합용기 33과 연결하기 위한 라인 45,
저장조 19를 혼합용기 29와 연결하기 위한 라인 47,
저장조 21을 반응기 11과 연결하기 위한 라인 49,
저장조 23을 반응기 11과 연결하기 위한 라인 51,
저장조 25를 혼합용기 31과 연결하기 위한 라인 53,
반응 용기 33을 반응기 11과 연결하기 위한 라인 55,
혼합용기 31을 반응기 11과 연결하기 위한 라인 57,
반응기 11을 중간 용기 35와 연결하기 위한 라인 59,
중간용기 35를 저장조15와 연결하기 위한 라인 61,
중간용기 35를 저장조 23과 연결하기 위한 라인 63,
잔류물 배출라인 65,
펌프 67,
열 교환기 69,
건조 기체 공급라인 71,
공급라인71내의 가열원 73,
배출라인 75,
펌프 77,
증류 탑 79
도 1에 따른 개략적으로 도시된 생산 시스템의 핵심은 반응 용기(11)이다. 이는 가열/냉각 회로 67, 68, 69에 의해 특정 온도, 통상 60 내지 80℃로 가열될 수 있고, 이 온도에서 유지된다. 공급 라인 71은 반응 용기로 이어지고, 건조 기체, 바람직하게는 공기가 반응 용기 11 내로 송풍될 수 있다. 공급 라인 71에는 가열원 73이 통합되어 상기 기체 또는 공기가 약 200℃, 바람직하게는 약 150℃ 이하의 온도로 가열될 수 있게 한다. 상기 공기를 배출하기 위해, 배출 라인 75가 제공된다. 이는 건조 기체를 흡입하기 위한 펌프 77와 연결된다. 배출 라인 75에, 열 교환기 79가 제공되고, 이를 통해 상기 건조 기체에 혼입된 용매의 대부분이 응축된다. 상기 건조 기체에 포함된 용매의 나머지는 펌프 77, 바람직하게는 사이클론 분리기에서 분리된다. 후속적으로, 건조된 건조 기체를 다시 공급 라인 71로 되돌릴 수 있다.
상기 반응 용기 11은 연결 라인 55를 통해 반응 용기 33와 연통한다. 반응 용기 33은 졸을 생성시키는 역할을 하며, 연결 라인 34, 35를 통해 한편으로는 혼합 용기 27, 다른 한편으로는 혼합 용기 29와 순서대로 연결된다. TEOS 저장조 13과 연통하는 연결 라인 37 및 다른 한편의 용매 저장조 15와 연통하는 연결 라인 39는 혼합 용기 27로 들어간다. 혼합 용기 29는 또한 연결 라인 43을 통하여 용매 저장조 17과 연결되고, 다른 한편으로는 연결 라인 47을 통하여 황산 저장조 19와 연결된다. 용기 및 연결 라인의 이러한 배치를 통해, 졸이 제조되고 반응 용기 11로 운송될 수 있다.
또한, 반응 용기 11은 연결 라인 57을 통해 혼합 용기 31과 연결된다. 혼합 용기 31은 희석된 알코올성 질산 용액을 제조하는데 사용되며, 상기 목적을 위하여 한편으로는 연결 라인 41, 53을 통해 용매 저장조 15로, 다른 한편으로는 질산 저장조 25로 연결된다. 상기 제조 공정에서 상기 질산 용액으로, 상기 존재하는 겔은 후속하는 HMDSO에 의한 소수성화를 위해 산성화된다.
반응 용기 11내의 HMDSO의 공급은 용기 11과 HMDSO 저장조 23을 연결하는 연결 라인 51을 통해 이루어진다.
마지막이나 역시 중요한 점으로, 반응 용기 11은 또한 연결 라인 49를 통해 암모니아 저장조 21에 연결된다. 상기 암모니아 용액은 제조 공정에서 겔화를 개시하기 위해 필요하다. 선택적으로, 희석된 암모니아 용액을 제조하기 위해 용기 50이 제공될 수 있다.
반응 용기 11에 존재하는 반응 용액은 라인 59를 통해 침강기 역할 및 중간 저장을 위한 용기 36 내로 배출될 수 있다. 공정 단계에 따라, 용기 36의 내용물은 라인 63을 통해 HMDSO 용기 내로 또는 라인 61을 통해 용매 저장조 15내로 전달된다. 라인 65를 통해, 내용물은 또한 배출을 위해 공급될 수 있다. 용매를 워크업(work up)하기 위해, 증류탑 79가 연결 라인 61에 제공되고, 이를 통해 주 목적으로 사용된 용매가 다른 반응 성분들로부터 분리될 수 있다.
도 2 내지 도 6에 보여지는 반응 용기 11의 예시적인 실시예는 복수의 섬유 보드를 수용하는 역할을 하며, 에어로겔 복합 단열 보드의 산업적 생산을 위해 설계된다. 반응 용기 11은 트로프 81, 용기를 폐쇄하기 위한 커버 83 및 트로프 81 내에 배치될 수 있는 복수의 캐리어 바스켓 85를 포함한다. 상기 반응 용기 11은 그러므로 이 실시예에서 바람직하게는 트로프 81이다.
단일 캐리어 바스켓 85는 도 3에 보여진다. 이는 하나의 직사각형 플랫폼 87로 이루어지고, 벽 89a, 89b는 두 개의 반대 측면에서 연결된다. 벽 89a, 89b는 캐리어 바스켓 85에 필요한 안정성을 제공하기 위해 상부 버팀대(strut) 91에 의해 서로 연결된다. 상기 2 개의 버팀대 위의 상단부에는 작은 구멍(eyelet) 93이 벽 89a, 89b에 형성되고, 이를 통해 캐리어 바스켓 85가 크레인에 의해 들어올려질 수 있다.
도 4는 로딩된 캐리어 바스켓 85를 보여준다. 벽 89a, 89b 사이에는 섬유 매트 95와 중간 플레이트 97이 교대로, 즉 인접하는 두 개의 섬유 매트 93 사이에 배치되고, 중간 플레이트 95가 각각 제공된다. 겔화 및 소수성화 공정 및 중간 플레이트의 제거 후에, 이로써 섬유 매트 95 사이에 갭이 형성된다. 이 갭을 통해 에어로겔 플레이트를 건조하기 위한 목적으로 고온 건조 기체, 바람직하게는 공기를 통과시킬 수 있다. 이는 반응 용기 11에서 에어로겔 플레이트를 직접적으로 건조시키는 것을 가능하게 한다.
도 5 및 도 6에 따른 트로프 81은 바람직하게는 이중 벽이며, 내부 트로프 99 및 외부 쉘 101로 구성된다. 상기 외부 쉘의 내 측면에는 내부 트로프 99가 삽입될 때 나선형 채널을 형성하는 원주형 방해판 103이 제공되고, 이는 유입구 105로부터 유출구 107로 이어진다.
용매 및 공기가 가능한 방해받지 않고 반응 용기를 통해 유동하도록, 캐리어 바스켓 85의 플랫폼 87은 복수의 천공 109를 갖는다. 반응 용기의 바닥에는 섬유 단열 보드 사이의 공간에 직접적인 공기를 위해 방해판 또는 채널이 제공되는 것도 가능하다.
섬유강화 복합 단열 보드의 제조 공정은 다음과 같다: 먼저, 유기 유기실란 화합물로부터 출발하여 졸을 제조한다. 사용되는 유기실란 화합물은 바람직하게는 테트라에톡시실란 (간단히 TEOS)이며, 이는 대량으로 저렴하게 얻을 수 있다. TEOS의 원하는 양이 혼합 용기 27로 옮겨지고 TEOS가 원하는 농도에 도달하도록 일정량의 알코올로 희석된다. 알코올이 혼합 용기 29 내로 도입되고 정량의 황산이 용해된다. 이어서 알코올성 TEOS 용액 및 알코올성 황산 용액이 반응 용기 33으로 옮겨지고 교반기로 격렬히 교반된다. TEOS의 가수 분해를 시작하기 위해, 소량의 물이 라인 45를 통해 공급된다. 40℃ 내지 60℃에서, TEOS가 가수 분해되고 졸이 형성될 때까지 1 내지 6시간이 걸린다. 이렇게 제조된 졸은 반응기 11로 이동되고, 여기서 복수의 섬유 단열 보드는 사전에 중간 플레이트와 교대로 배열된다. 섬유 매트 및 중간 플레이트는 바람직하게는 캐리어 바스켓 91 내에 배열되고, 따라서 모두 한번에 모두 반응기로 이동될 수 있다. 반응기 11에서, 그와 같은 양의 졸은 단열 섬유 보드가 졸로 덮일 때까지 주입된다. 이어서, 반응 혼합물은 약 50℃ 내지 70℃로 가열되고 적절한 양의 암모니아 용액이 첨가되어 염기성화된다. 일단 반응 혼합물이 염기성화되면, 즉시 겔화가 시작된다. 일반적으로 겔화에는 5-15 분이 소요된다. 그 후, 상기 겔은 동일한 온도에서 72시간 동안 숙성된다. 그 후 겔화가 거의 완료된다.
그 후, 상기 용매 혼합물은 용기 35 내로 배출되고, 후속적으로 바람직하게는 증류에 의해 정제된다. 상기 혼합물은 대부분 에탄올로 구성되어 있기 때문에 겔 형성에 사용되는 대부분의 에탄올을 회수하여 저장조 15로 되돌릴 수 있다.
상기 용매 혼합물을 배출시킨 후, 단열 섬유 보드가 상기 용액으로 덮일 때까지 반응기 11은 저장조 23으로부터 HMDSO로 채워진다. 그 다음, 에탄올에 용해된 질산이 혼합물에 첨가되고 pH가 1 내지 3으로 조정된다. 동시에 상기 반응기의 온도가 약 60℃ 내지 78℃로 상승된다. 이러한 조건 하에서, 자유 OH 그룹은 HMDSO의 다중 과량과 반응하여 부동태화된다.
선택한 온도에 따라 소수성화 시간은 약 1 내지 5시간 (75℃에서 24시간) 지속된다. 75℃에서 상기 소수성화는 1내지 2시간 걸린다. 소수성화가 완료된 후, 반응 혼합물이 배출되고 용기 35로 이동된다. 그 후, 소량의 물이 반응 혼합물에 첨가되고, 하부 수상 및 상부 유기상이 형성될 때까지 10 내지 24시간 동안 쉬게한다. 염 및 부분적으로 반응된 HMDSO를 포함하는 수상은 배수되고 폐기된다. 일반적으로 HMDSO인 나머지는 이후 라인 63을 통해 저장조 23으로 회수되고 후속 충전의 소수성화에 사용된다. 상기 소수성화는 HMDSO의 중량비율이 단지 70% 인 용액에 대해서도 만족스럽게 진행될 수 있는 것으로 나타났다. 소수성화 반응이 더 이상 만족스럽지 않으면, 상기 혼합물은 증류될 수 있고, 실질적으로 순수한 HMDSO가 회수될 수 있다. 소수성화 반응의 실용적인 실험에 따르면, 오직 HMDSO의 3% 내지 6%만이 사용된다. 이는 사용된 HMDSO의 3% 내지 6%를 다시 교체해야만 최초 HMDSO의 양이 회복됨을 의미한다. 전반적으로, 상기 제조 공정은 매우 공정-최적화된 것인데, 이는 단 몇개의 폐기물만 생산되기 때문이다. 바람직한 용매 EtOH는 대부분 재사용될 수 있다. 산 HNO3 및 H2SO4는 촉매량으로만 사용되며, 다른 유기 시약인 HMDSO 및 TEOS는 대부분 가수 분해 또는 소수성화에서 전환되거나 후속 반응에서 재사용될 수 있다.
전구체 P75E20 :
예비 생성물 생산 배치(Batch):
실온(RT)에서 TEOS 77.3L (72.7kg)을 제공, 600rpm에서 에탄올 (= MIX A) 16.6L(=13.1kg)을 첨가,
작은 공급 용기에 에탄올 16.6 L (13.1 kg)을 넣고, H2SO4 95-98% m/m, 32.9 mL(60.5g) (=MIX B)을 첨가, 발열 반응(~30-35℃)
MIC B를 MIX A에 1h @ RT @ 600 rpm로 첨가
9.4L (9.4kg) H2O를 2h @ RT @ 600rpm로 첨가
전구체를 로딩하고 저장, 총 예비 생성물 119.93L
졸 생산:
47.1 L (42.9 kg) P75E20 또는 전구체 또는 예비-생성물을 첨가, 113.8L (89.8 kg) 에탄올을 RT에서 600rpm로 교반하며 첨가, 교반을 900rpm 및 졸 조건을 45℃로 증가.
졸 활성화 겔화:
Tmax에서, 가열을 끄고 염기 용액을 첨가(활성화, 개시제, pH 조절제, H2SO4 (전구체) 조절
염기 용액: 5.1 L H2O + 0.4 L NH4OH 28-30% m/m: 총 55 L 염기 용액(0.54 M)
에어로겔 섬유 복합 재료의 생산
EtOH 중 47.1 L의 예비 가수 분해된 졸 (예비 가수 분해된 75%, SiO2 함량 20% (m/m)) (abs.)이 에탄올 (113.8 L)보다 2 배 보다 조금더 많은 양으로 희석되고 교반(900 rpm)하면서 균질화된다. 동시에 상기 혼합물이 약 45 ℃로 가열된다. 일단 상기 온도가 안정되고 혼합물이 균질화되면, 수성 NH4OH 수용액 (0.4 L 수성 염기 + 5.1 L H2O (약 5 L, 0.55 M))이 상기 졸에 첨가되고, 간단하게 균질화된 다음, 이미 40kg/m3 내지 70kg/m3의 비중을 갖는 복수의 광물성 섬유 매트가 도입된 온도 센서가 제공된 반응기 11로 이동된다. 이 후, 상기 용기의 내용물이 약 65℃로 가열되고, 상기 혼합물은 숙성을 위해 남겨진다. 상기 겔의 숙성은 6 내지 96 시간, 바람직하게는 24 내지 84 시간, 가장 바람직하게는 약 48 내지 72 시간 동안 일어난다. 겔화 후, 상기 용매는 방출되고, 용기 35로 옮겨지고, 증류에 의해 워크업된다.
그 다음, 반응기 11은 섬유 매트가 덮여있는 HMDSO의 양으로 채워지고, 약 75 ℃로 가열된다. 동일한 용기에서 겔이 과량의 HMDSO (현재 60% 내지 98% (m/m) HMDSO의 약 70 L)(+ EtOH 용액 중 HNO3) 및 실질적으로 알코올성 HNO3 용액(대략 4 내지 9 % m/m)의 약 5L를 24시간 동안 75℃에서 동적으로, 즉 액상 순환에 의해 첨가함으로써 소수성화 된다.
냉각 후, 일부 사용 된 소수성화 용액이 혼합기/침강기 35로 이동되고 약간의 물(존재하는 용매 부피의 약 10%)로 희석된다. 그 후, 2개의 상이 형성되어, 폐기될 수 있는 수성의 하부 상, 및 HMDOS를 포함하고 다음 배치(batch)에서 재사용될 수 있는 유기 상층이 형성된다.
일단 부분적으로 소비된 HMDSO 용액이 배출되면, 중간 플레이트 97은 제거되고 약 150℃로 가열된 뜨거운 공기가 바로 라인 77을 통해 반응 용기 11로 송풍된다. 용기 커버 83에 연결된 라인 75를 통해, 상기 공기가 용매로 포화되고 HMDSO가 반응기 11을 떠난다. 그 다음 사이클론 분리기 77에서, 용매, HMDSO 및 물은 열교환기 79를 통과하는 공기가 미리 약간 냉각된 후에 응축된다. 본 발명자들이 놀랍게도, 상기 섬유 매트는 100 내지 150 ℃, 바람직하게는 약 150 ℃의 온도에서 뜨거운 공기로 즉시 건조될 수 있고, 부서지거나 붕괴되거나 실질적으로 수축되지 않는다. 바람직하게는, 상기 공기는 휘발성 성분 (용매 및 HMDSO)의 응축 후에 재가열된 다음 반응기로 재순환된다.
상기 혼합기/침강기 36에서, 약 10 부피 %의 물이 사용된 소수성화 용액에 첨가되고 상기 혼합물은 10 내지 30분 동안 격렬하게 교반된다. 그 후, 상기 혼합물은 수성 상을 하룻밤 동안 방치하여 바닥에 침강되도록 한다. 상기 수성 상은 분리되어 버려진다. 재생된 소수성화 용액은 선택적으로 HMDSO로 농축된 후 다음 배치(batch)에서 재사용될 수 있다.
본 발명은 에어로겔 복합 재료를 생산하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 상기 시스템은 복수의 섬유 매트를 수용하기 위한 제거 가능한 캐리어 바스켓과 섬유 매트를 이격시키는 복수의 플레이트를 갖는 반응 용기를 갖는 것을 특징으로 한다. 에어로겔 단열 플레이트 사이에서 플레이트를 제거한 후, 건조 중에 고온 건조 공기가 송풍될 수 있는 갭이 제공된다. 상기 방법은 버려지는 용매 및 시약의 양이 최소화되고 정교한 워크-업 공정이 필요 없다는 이점을 갖는다.
11 반응기
13 유기실란 화합물(TEOS) 저장조
15 용매(EtOH) 저장조
17 물 저장조
19 황산(H2SO4) 저장조
21 암모니아 수용액(NH4OH) 저장조
23 소수성화제(HMDSO) 저장조
25 질산(HNO3) 저장조
27 알코올성 TEOS 용액의 생산을 위한 혼합용기
29 EtOH 및 H2SO4의 희석된 혼합물을 제조하기 위한 혼합 용기
31 희석된 질산 용액의 제조를 위한 혼합 용기
33 졸의 제조를 위한 반응 용기
34 혼합 용기 27 및 반응 용기 33 사이의 연결라인
35 혼합용기 29 및 반응 용기 33 사이의 연결라인
36 부분적으로 사용된 반응 혼합물의 일시적인 저장을 위한 용기
37 저장조 13을 혼합용기 27과 연결하기 위한 라인
39 저장조 15를 혼합용기 27과 연결하기 위한 라인
41 저장조 15를 혼합용기 31과 연결하기 위한 라인
43 저장조 15를 혼합용기 29와 연결하기 위한 라인
45 저장조 17을 혼합용기 33과 연결하기 위한 라인
47 저장조 19를 혼합용기 29와 연결하기 위한 라인
49 저장조 21을 반응기 11과 연결하기 위한 라인
51 저장조 23을 반응기 11과 연결하기 위한 라인
53 저장조 25를 혼합용기 31과 연결하기 위한 라인
55 반응 용기 33을 반응기 11과 연결하기 위한 라인
57 혼합용기 31을 반응기 11과 연결하기 위한 라인
59 반응기 11을 중간 용기 35와 연결하기 위한 라인
61 중간용기 35를 저장조15와 연결하기 위한 라인
63 중간용기 35를 저장조 23과 연결하기 위한 라인
65 잔류물 배출라인
67 펌프
69 열 교환기
71 건조 기체 공급라인
73 공급라인77내의 가열원
75 배출라인
77 펌프
79 증류 탑
81 트로프(trough)
83 커버
85 (U형) 캐리어 바스켓
87 플랫폼(바닥면)
89a, 89b 바스켓 벽면
91 캐리어 바스켓
93 작은 구멍(eyelets)
95 섬유 매트
97 중간 플레이트
99 내부 트로프
101 외부 쉘(shell)
103 방해판(baffles)
105 유입구(inlet port)
107 유출구(outlet port)
109 바스켓 바닥면의 천공

Claims (33)

  1. a) 용매 저장조(15),
    b) 유기실란 화합물 저장조(13),
    c) 소수성화제 저장조(23),
    d) 산 저장조(19),
    e) 염기 저장조(21),
    f) 복수의 섬유매트(fiber mat)를 수용하기 위한 반응 용기(11), 및
    g) 상기 저장조(13, 15, 19, 21, 23)와 상기 반응 용기(11) 사이의 연결 라인(37, 39, 41, 43, 45, 49, 51, 53, 55, 57, 59)을 포함하고,
    h) 상기 반응 용기(11)는 커버(83)가 제공되고,
    i) 복수의 섬유 매트(95)를 수용하기 위한 제거 가능한 바스켓(85)이 상기 반응 용기(11)에 제공되며,
    j) 상기 섬유 매트(95)를 서로 이격시키는 공간에 복수의 플레이트(97)가 제공되는 것을 특징으로 하는,
    섬유강화 에어로겔 플레이트(fiber-reinforced aerogel plate)의 산업생산 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 반응 용기(11) 또는 반응기 내용물을 특정 온도로 가열 또는 냉각시키기 위하여, 상기 반응 용기(11) 상에 열교환기 장치(67, 69)가 제공되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    건조 기체를 불어넣기 위한 연결부가 상기 반응 용기(11)에 제공되고,
    공급 라인(71)이 상기 건조 기체를 위한 포트(port)에 연결되고, 상기 공급 라인은 가열 장치(73)에 연결되며,
    열 교환기(77)와 연통하는, 상기 건조 기체를 위한 배출 라인(75)이 상기 반응 용기(11)에 제공되며, 송풍기 또는 펌프(77)가 상기 건조 기체를 상기 반응 용기(11)로 도입하거나 이로부터 끌어내기 위하여 제공되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 반응 용기(11)에 복수의 섬유 매트(95)가 배열될 수 있는, 제거 가능한 캐리어 바스켓(85)이 제공되는 것을 특징으로 하는, 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 교반기가 구비된 혼합기/침강기(36)가 제공되고, 한편으로는 라인(59)을 통해 반응 용기(11)와 연통하고, 다른 한편으로는 라인(61)을 통해 용매 저장조(15)와 연통하는 것을 특징으로 하는, 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 라인(61)은 증류 장치(79)와 연통하는 것을 특징으로 하는, 시스템.
  7. 제5항에 있어서, 상기 혼합기/침강기(36)는 라인(59)를 통해 상기 소수성화제 저장조(23)와 연결되는 것을 특징으로 하는, 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 분리된 가열/냉각 회로가 상기 반응 용기(11)를 가열하기 위해 제공되는 것을 특징으로 하는, 시스템.
  9. 섬유 강화 에어로겔 플레이트의 제조방법으로, 상기 방법은:
    a)실리카 졸(silicatic sol)을 제조하는 단계,
    b)상기 실리카 졸을 섬유보드 또는 부직포와 혼합하고, 겔을 제조하거나 겔을 제거하고 숙성시키는 단계,
    c)촉매로서 산의 존재 하에 상기 겔을 소수성화제로 소수성화하는 단계, 및
    d)상기 겔을 아임계 건조에 의해 건조시키는 단계에 의한 방법이고,
    e) 초기에 복수의 섬유 매트(95) 및 상응하는 수의 중간 플레이트(97)가 반응 용기(11) 내에 교대로 배열되어, 2개의 섬유 매트(95)가 각각의 중간 플레이트(97)에 의해 서로 분리되고,
    f) 상기 실리카 졸이 상기 반응 용기(11)에 첨가되고 겔화가 시작되거나, 겔화가 시작되고 상기 겔이 숙성되며,
    g) 상기 겔의 겔화 또는 겔화 및 숙성 후에, 반응 용액이 배출되고, 상기 중간 플레이트(97)가 제거되고, 형성된 섬유 강화 에어로겔 플레이트가 100℃ 초과의 온도에서 건조되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 섬유 강화 에어로겔 플레이트의 건조는 상기 반응 용기(11) 내에서 일어나는 것을 특징으로 하는, 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 건조는 상기 반응 용기(11)를 통해 고온 건조 기체를 불어 넣음으로써 수행하는 것을 특징으로 하는, 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 기체는 공기인 것을 특징으로 하는, 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 고온 건조 기체는 순환되고, 상기 고온 건조 기체에 흡수된 휘발성 물질은 응축되어 나가는 것을 특징으로 하는, 방법.
  14. 제9항에 있어서, 상기 겔화, 소수성화 및 건조(b, c 및 d 단계)는 하나의 동일한 반응 용기(11)에서 수행되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  15. 제9항에 있어서, 상기 소수성화 단계에서 pH는 0.2 내지 6의 값으로 조정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제9항에 있어서, 상기 소수성화 단계에서 pH는 0.5 내지 5의 값으로 조정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제9항에 있어서, 상기 소수성화 단계에서 pH는 0.8 내지 3의 값으로 조정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제9항에 있어서, 졸은 SiO2의 5 내지 30 중량%의 질량분율의 테트라에톡시실란(TEOS)의 가수분해에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  19. 제9항에 있어서, 졸은 SiO2의 10 내지 25 중량%의 질량분율의 테트라에톡시실란(TEOS)의 가수분해에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는, 방법.
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