KR20210132031A - 세라믹 폼, 이의 제조방법, 및 이의 용도 - Google Patents

세라믹 폼, 이의 제조방법, 및 이의 용도 Download PDF

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KR20210132031A
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셴퀴앙 렌
루이제 양
빈보 차이
펭 후
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더 리서치 파운데이션 포 더 스테이트 유니버시티 오브 뉴욕
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Abstract

세라믹 폼이 제공된다. 상기 세라믹 폼은 계층적 기공 구배(hierarchical pore gradient)를 가질 수 있다. 상기 세라믹 폼은 실리카 에어로겔일 수 있다. 상기 세라믹 폼은 기공-형성 가스 형성 첨가제(pore-forming gas-forming additive)에 의해 생성되는 불활성 가스의 존재 하에 하나 이상의 전구체의 반응에 의해 제조될 수 있다. 상기 세라믹 폼은 단열재로 사용될 수 있다.

Description

세라믹 폼, 이의 제조방법, 및 이의 용도
(관련 출원의 상호 참조)
본 출원은 2019년 1월 12일에 출원된 미국 가출원 제62/791,778호, 및 2019년 6월 14일에 출원된 미국 가출원 제62/861,892호의 우선권을 주장하고, 이의 개시 내용은 여기에 참조로 포함된다.
경량 및 기계적으로 강력한 초단열재(superinsulation)(열 및 음향)를 찾는 것은 에너지 효율 건축물 및 다수의 기타 부문의 핵심 요소이며, 확장성을 갖는 저비용 제조는 대규모, 실용적 및 에너지 절약 응용 분야에 필수적이다.
건축물의 HVAC(난방, 환기 및 공조(air conditioning))는 전 세계 에너지 소비의 40%를 차지한다. 개선된 단열재를 설치함으로써 기존 건축물 및 미래 건축 구조물의 HVAC를 개선하여, CO2 배출을 줄일 수 있다. 건축물의 열 손실을 줄이는 경제적인 접근 방식은 단열재의 두꺼운 층을 설치하는 것이다. 그러나, 이는 더 많은 공간을 차지하므로, 생활 공간이 줄어들 것이다. 실리카 에어로겔은 기존에 설치된 단열재의 두께의 단지 절반으로 동일한 단열 성능을 얻을 수 있다. 실리카 에어로겔은 주위 온도, 압력, 및 상대 습도에서 0.015 W/m·K 정도의 임의의 알려진 고체 중 최저 열전도도를 나타낸다. 이러한 낮은 열전도도는 낮은 밀도와 제조 동안 생성된 기공의 조합으로부터 초래된다. 건축 산업에서, 공간 절약은 건물 개보수(retrofit)뿐만 아니라 얇은 외벽 단열재(facade insulation), 측면 발코니 및 지붕 발코니 건설에 고성능 단열재를 사용하는 가장 중요한 이유 중 하나이다. 건축물에 표준 단열재로서 실리카 겔을 대규모로 사용하는데 주요 단점은 이들의 생산 비용이다.
초단열재(superinsulation material)는 열 전달의 엄격한 규제를 필요로 한다. 이러한 맥락에서, 실리카 에어로겔은 가장 효율적인 단열재 중 하나이며, 정체 공기(still air)보다 낮은 열전도도에 도달할 수 있다. 세라믹 에어로겔의 초단열재는 높은 기공 부피, 최적화된 보이드 크기 및 경계와 결함이 있는 다공성 고체 벽을 포함하는 다공성 물질의 기하학적 형태의 결과로, 포논 산란(phonon scattering) 하에서 낮은 고체 분율을 통한 열 전달을 위한 가스 보이드 및 소산 경로를 통한 제한된 열 전도는 이의 우수한 단열에 기여한다. 이의 초단열 성능에도 불구하고, 대규모 실리카 에어로겔 적용은 건조 과정 동안 모세관 유도된 구조적 열화를 방지하는 초임계 건조를 통한 고가의 시간 소모적인 제조로 인해 금지되었다. 또한, 에어로겔의 불량한 기계적 안정성은 이의 모놀리식 적용을 억제한다. 기계적 안정성을 높이기 위해 탄소 나노와이어 및 폴리머 섬유와 같은 첨가제를 에어로겔과 블렌딩하도록 사용되지만, 단열 성능을 손상시키지 않으면서 기계적 강도를 달성하는 것은 여전히 어려운 일이다.
인간 피부 구조에서 영감을 받아 기공 크기 구배가 있는 에어로겔과 같은 폼 재료는 우수한 단열 성능을 부여할 뿐만 아니라 새로운 기능 개발의 기반을 제공할 수 있는 비대칭 구조로 인해 최근 관심을 끌고 있다. 또한, 이러한 기공 구배 구조를 갖는 에어로겔과 같은 폼 재료는 균일한 기공 크기를 갖는 조밀하거나 다공성인 물질에 비해 기계적 특성을 최적화하는데 유망한 것으로 나타났다. 동일한 공극률을 갖는 구배-기공 폴리(락트산) 폼은 균일한 폼보다 흡음 능력이 ~20% 이상 향상된 것으로 밝혀졌다. 조정 가능한 보이드 분율, 기공 크기 및 질량 밀도에 대해 제어된 중공 나노/미세 구조를 갖는 실리카 폼은 초단열재의 개발에 사용되었다.
경량 에어로겔 재료는 단열재에 바람직할 수 있다. 그러나, 이의 낮은 기계적 무결성 및 높은 제조 비용은 에너지 효율적인 건축물 단열재에 대규모로 채택하는데 걸림돌이 되었다. 또한, 보다 방음 및 내열 특성을 달성하기 위해서, 열 관리가 중요할 수 있다.
실리카 에어로겔의 내부 표면 화학은 매우 큰 표면 대 부피 비율(~2Х109 m-1) 및 비표면적(~900 m2/g)으로 인해 열 및 화학적 거동에서 중요한 역할을 한다. 종래의 초임계 건조는 강력한 수소 결합 능력(친수성)을 가진 하이드록실(-OH) 기(~ 5-OH/nm2)로 독점적으로 덮인 표면을 생성한다. 결과적으로, 이들은 습한 공기에서 물을 흡수하여, 질량을 최대 20%까지 증가시킨다. 또한, 나노미터 규모의 기공 내 수분 응축은 실리카 백본을 파괴하고 에어로겔 모놀리스(monolith)를 붕괴시키기에 충분히 강한 모세관력을 가한다. 또한, 상대적으로 높은 온도에서, 실리카 에어로겔의 열전도도 복사 성분은 중요하다.
실리카 에어로겔은 일반적으로 구조적 무결성 및 높은 공극률을 유지하기 위해 초임계 추출과 결합된 졸-겔 공정을 통해 제조된다. 초임계 추출을 통한 종래의 에어로겔 제조는 높은 에너지 소비, 큰 환경 풋프린트(footprint), 긴 처리 시간 및 높은 재료 비용을 포함하여 수많은 한계를 겪고 있다. 그러나, 초임계 건조와 관련된 복잡한 처리 및 높은 압력은 건축물 단열재를 위한 실리카 에어로겔의 대규모 생산에 대한 이의 확장성을 제한한다. 가장 일반적인 에어로겔 합성 방법은 낮은 표면 장력 초임계 유체 (예를 들면, CO2 또는 CH4)를 사용하여 임계점 건조에 의해 겔에서의 액체 추출을 포함한다. 그러나, 초임계 추출은 고가의 고압 장비를 필요로 하고, 위험하고 시간이 많이 소요되는 공정일 수 있다. 대안적인 접근법은 용매 승화(solvent sublimation)를 위한 고진공 및 동결 건조를 위한 상대적으로 낮은 온도의 에너지 집약적 요구사항으로 인해 규모 확장이 어려운 유기 용매 승화를 포함한다. 덜 에너지 집약적인 대안 방법으로서 기존의 상압 건조 공정은, 겔 형성에 사용된 원래 용매를 헥산, 헵탄, 옥탄 등과 같은 낮은 표면 장력 유기 용매로 대체한다. 또한, 이는 일반적으로 염산의 생성으로 이어지며, 제거를 위해 유기 용매가 추가로 요구된다. 따라서, 현재의 APD 방법은 많은 양의 유기 용매의 사용으로 인해 여전히 시간과 비용이 많이 드는 공정이다. 이들 모두는 건물 단열재를 위한 대규모 에어로겔 생산을 제한한다. 2014년 얼라이드 마켓 리서치(Allied market research)에 의해 리포트에 따르면, 실리카 에어로겔 단열재($18.5/ft2-inch)에 대한 관심은 에어로젤 시장의 급속한 성장으로 설명된다: 2004년에, 약 $25M의 에어로젤 단열재가 판매되었지만, 이는 2013년까지 $500M로 증가했다(2021년까지 $1,927M 예상). 건축물의 표준 단열재로서 실리카 에어로겔을 대규모로 채택하는 경우 여전히 주요 단점은 이들의 높은 생산 비용이다. 결과적으로, 현재의 에어로젤 생산은 파이프라인 단열재와 같은 산업적 응용 분야에 주로 사용된다.
특히 단열재(예를 들면, 구배-구조화된 단열재)의 확장 가능한 제조를 위해, 목적하는 기계적 무결성 및 저렴한 비용을 갖는 단열재(구배-구조화된 단열재)에 대한 새로운 방법이 바람직하다.
본 개시 내용에서, 다양한 실시예에서, 세라믹 폼(ceramic foam), 모놀리스(monolith) (예를 들면, PGAeros)라고 할 수 있는, 예를 들면 기공 구배 세라믹 에어로겔(pore-gradient ceramic aerogel)과 같은 확장 가능한 세라믹 에어로겔(scalable ceramic aerogel)이 고안 및 합성되었다. PGAeros의 저비용 제조는 기공 구배를 지지하는 인시투(in-situ) 가스 기포 형성에 의해 더욱 촉진된다. PGAeros는 광범위한 온도 범위에서 강력한 기계적 및 열적 안정성을 나타낼 수 있다(예를 들면, 각각 0.040 W m-1 K-1, 및 100.56 MPa의 압축 강도). 예를 들면, PGAeros의 일체형 세라믹 모놀리스 특성은 강력한 방음 및 내화 성능을 나타낼 수 있다. 세라믹 에어로겔 재료의 확장 가능한 제조에 대한 이러한 설명은, 예를 들면 바람직한 열 관리, 기계적 강도, 낮은 질량 밀도, 방음 및 난연 성능을 가진 단열 응용 분야에 사용될 수 있다.
하나의 측면에서, 본 개시 내용은 세라믹 폼의 제조방법을 제공한다. 세라믹 폼은 세라믹 에어로겔 또는 세라믹-에어로겔 유사 폼(ceramic-aerogel-like foam)(예를 들면, 실리카-에어로겔 유사 폼)이라고 할 수 있다. 세라믹 폼은 실리카 에어로겔일 수 있다. 실리카 에어로겔은 실리카 에어로겔 막일 수 있다. 상기 방법은 기공-형성 가스 반응의 인시투 생성(in-situ generation)에 기반한다. 이 반응은 밀봉된 환경에서 수행될 수 있다(예를 들면, 주위 압력보다 큰 반응). 세라믹 폼은 열수(hydrothermal) 조건에서 형성될 수 있다. 하나의 예에서, 상기 방법은 임의의 초임계 가스 종(supercritical gas species)의 사용을 포함하지 않는다. 이 방법의 비제한적인 예가 본 명세서에 제공된다.
다양한 예에서, 세라믹 폼의 제조방법으로서, 상기 방법은, 하나 이상의 세라믹 전구체(들) (예를 들면, 하나 이상의 실리카 전구체(들)); 하나 이상의 기공-형성 가스 형성 첨가제(pore-forming gas-forming additive)(들) (하나 이상의 불활성 가스 생성제(들)); 하나 이상의 촉매(들); 및 임의로, 하나 이상의 첨가제(들)을 접촉시키는(예를 들면, 밀봉된 용기와 같은 밀폐된 환경에서 일 수 있음) 단계를 포함하고, 이때 상기 접촉은 불활성 가스(예를 들면, 이산화탄소)를 형성시키고, 세라믹 폼(예를 들면, 실리카 에어로겔)이 형성된다. 상기 세라믹 폼(예를 들면, 실리카 에어로겔)은 열수 조건 하에서 형성될 수 있다. 반응물(세라믹 전구체(들), 기공-형성 가스 형성 첨가제(들), 촉매(들); 및 임의로 첨가제(들))은 임의의 순서로 첨가/접촉될 수 있다. 반응물은 단일 용기에서 접촉될 수 있다. 형성된 상태의(as-formed) 세라믹 폼(예를 들면, 실리카 에어로겔)은 주위 압력 건조(APD)가 수행될 수 있다. 다양한 예에서, 방법은 세라믹 폼(예를 들면, 실리카 에어로겔)의 표면의 적어도 일부의 세라믹 폼 형성 후 개질을 추가로 포함한다. 예를 들면, 트리메틸클로로실란 처리 및/또는 탄소 코팅을 포함한 고급 표면 개질은 모세관 현상 및 초소수성을 조작하는데 사용될 수 있다. 이 방법은 연속(예를 들면, 롤-투-롤) 방법일 수 있다.
하나의 측면에서, 본 개시 내용은 세라믹 폼을 제공한다. 세라믹 폼은 세라믹 폼 막일 수 있다. 세라믹 폼은 세라믹 에어로겔이라 할 수 있다. 세라믹 폼은 실리카 에어로겔일 수 있다. 실리카 에어로겔은 실리카 에어로겔 막일 수 있다. 세라믹 폼의 비제한적인 예는 본 명세서에 제공된다. 세라믹 폼 재료(예를 들면, 세라믹 폼 복합재)는 세라믹 폼을 포함한다. 세라믹 폼은 세라믹 재료의 매트릭스를 포함한다. 세라믹 폼은 본 개시 내용의 방법에 의해 제조될 수 있다. 세라믹 폼(예를 들면, 실리카 에어로겔)은 다양한 형태를 가질 수 있다. 예를 들면, 세라믹 폼(예를 들면, 실리카 에어로겔)은 모놀리스이다. 다른 예에서, 세라믹 폼(예를 들면, 실리카 에어로겔)은 막이다. 세라믹 폼(예를 들면, 실리카 에어로겔) 막은 프리-스탠딩 막 또는 기판 상에 배치될 수 있다. 세라믹 폼(예를 들면, 실리카 에어로겔) 막은 기판에 침투될 수 있다. 세라믹 폼은 다공성일 수 있으며, 계층적, 구배 기공 구조를 나타낼 수 있다. 세라믹 폼의 세라믹 매트릭스는 메조포러스(mesoporous)일 수 있다. 세라믹 폼 재료는 복합재(예를 들면, 복합체 실리카 에어로겔과 같은 복합체 세라믹 폼)일 수 있다. 복합재는 세라믹 폼의 기공의 일부 또는 전체에 폴리머 재료(하이브리드 복합재 또는 하이브리드 세라믹 폼이라고 할 수 있음)를 포함할 수 있다. 세라믹 폼은 바람직한 음향 전달/차음/방음 특성을 가질 수 있다. 하나의 예에서, 세라믹 폼은 단열재(예를 들면, 건축 재료 및/또는 방음 재료)로 사용된다. 다양한 예에서, 세라믹 폼은 촉매, 멤브레인, 분리 등을 위한 응용 분야에서 복합재로서 다른 기능성 물질로 코팅하기 위한 템플릿 또는 지지 기판으로 사용된다.
본 개시 내용의 성질 및 목적에 대한 보다 완전한 이해를 위해, 첨부된 도면과 함께 취해진 다음의 상세한 설명을 참조해야 한다.
도 1은 저비용 실리카 에어로겔을 제조하는 인시투 APD와 결합된 본 개시 내용의 R2R 공정의 예를 도시한다.
도 2는 본 개시내용의 실리카 에어로겔의 예의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지를 나타낸다.
도 3은 본 개시내용의 실리카 에어로겔의 예의 SEM 이미지를 나타낸다.
도 4는 본 개시내용의 실리카 에어로겔의 예의 EDX 이미지를 나타낸다.
도 5는 본 개시내용의 실리카 에어로겔의 예의 EDX 이미지를 나타낸다.
도 6은 실시예 1에 기재된 방법을 사용하여 생산되는 실리카 에어로겔의 예의 열 이미지를 나타낸다.
도 7은 실시예 2에 기재된 방법을 사용하여 생산되는 실리카 에어로겔이 가열되어 실리카 에어로겔의 난연 특성을 나타내는 예의 이미지를 나타낸다.
도 8은 본 개시 내용의 실리카 에어로겔의 일례의 이미지 및 본 개시 내용의 탄소 재료 코팅된 실리카 에어로겔의 이미지를 나타낸다.
도 9는 실시예 2에 기재된 방법을 사용하여 제조된 실리카 에어로겔의 예의 이미지(A는 실리카 전구체로서 TEOS를 사용하여 제조된 백색 실리카 에어로겔이고, B는 실리카 전구체로서 MTMS를 사용하여 제조된 투명 실리카 에어로겔) 및 상이한 조건 하에서 열처리된 백색 실리카 에어로겔(B, 투명함)의 이미지(C , 400 ℃, 3시간 및 D, 600 ℃, 6시간)를 나타낸다. 열 처리는 튜브 퍼니스에서 수행되었다.
도 10은 실시예 2에 기재된 방법(및 실리카 전구체로서 TEOS)을 사용하여 제조된 실리카 에어로겔의 예의 열 전도성 데이터를 나타낸다. 열 저항에 사용된 방정식은 q=P/A*d/ΔT이고, 이때 P/A는 FluxTap로 기록되고, d는 샘플의 두께이며, ΔT는 두 온도 센서의 판독값을 빼서 계산된다.
도 11은 실시예 2에 기재된 방법(및 실리카 전구체로서 TEOS)을 사용하여 제조된 백색 실리카 에어로겔의 예의 SEM 이미지를 나타낸다. 이 이미지는 백색 실리카 에어로겔 표면 상의 다공성 구조를 나타낸다.
도 12는 실시예 2에 기재된 방법(및 실리카 전구체로서 TEOS)을 사용하여 제조된 백색 실리카 에어로겔의 예의 SEM 이미지를 나타낸다. 이 이미지는 백색 실리카 에어로겔 측면 상의 다공성 구조를 나타낸다.
도 13은 실시예 2에 기재된 방법(및 실리카 전구체로서 TEOS)을 사용하여 제조된 백색 실리카 에어로겔의 예의 SEM 이미지를 나타낸다. 이 이미지는 백색 실리카 에어로겔 표면 상의 다공성 구조를 나타낸다.
도 14는 실시예 2에 기재된 방법(및 실리카 전구체로서 TEOS)을 사용하여 제조된 백색 실리카 에어로겔의 예의 SEM 이미지를 나타낸다. 이 이미지는 백색 실리카 에어로겔 표면 상의 다공성 구조를 나타낸다. 이 기공 구조는 더 작은 기공 및 더 큰 기공을 포함한다.
도 15는 실시예 2에 기재된 방법(및 실리카 전구체로서 TEOS)을 사용하여 제조된 백색 실리카 에어로겔의 예의 SEM 이미지를 나타낸다.
도 16은 실시예 2에 기재된 방법(및 실리카 전구체로서 MTMS)을 사용하여 제조된 투명 실리카 에어로겔의 예의 SEM 이미지를 나타낸다. 이 이미지는 백색 실리카 에어로겔 표면 상의 다공성 구조를 나타낸다.
도 17은 실시예 2에 기재된 방법(및 실리카 전구체로서 TEOS)을 사용하여 제조된 백색 실리카 에어로겔의 예의 SEM 이미지를 나타낸다. 이 이미지는 백색 실리카 에어로겔 표면 상의 다공성 구조를 나타낸다.
도 18은 본 개시 내용의 실리카 에어로겔 샘플의 기계적 시험을 기술하는 이미지를 나타낸다.
도 19는 실시예 2에 기재된 방법(및 실리카 전구체로서 TEOS)을 사용하여 제조된 백색 실리카 에어로겔의 예의 기계적 시험 데이터를 나타낸다. 이 재료는 영률(Young's modulus)이 7.6054 MPa이다.
도 20은 실시예 2에 기재된 방법(및 실리카 전구체로서 TEOS)을 사용하여 제조된 백색 실리카 에어로겔의 예에 대해 피크노미터(pycnometer)를 사용하여 얻어진 공극률 데이터를 나타낸다. 이 재료는 공극률이 89.587%이다.
도 21은 실시예 2에 기재된 방법(및 실리카 전구체로서 MTMS)을 사용하여 제조된 투명 실리카 에어로겔의 예에 대해 피크노미터를 사용하여 얻어진 공극률 데이터를 나타낸다. 이 재료는 공극률이 83.925%이다.
도 22는 실시예 2에 기재된 방법(및 실리카 전구체로서 TEOS)을 사용하여 제조된 백색 실리카 에어로겔이 2000 ℃로 가열되어 내화성을 보이는 예의 이미지를 나타낸다.
도 23은, a) 하기 3단계를 포함하는 실리카 PGAeros의 합성 공정의 개략도: 1. 요소 수용액 중 CTAB에 의해 보조되는 미셀의 형성, 2. CTAB 미셀의 계면에서 TEOS의 가수분해, 3. 요소의 분해와 NH3과 CO2의 배출. b) 직경 6 cm의 일반적인 실리카 폼의 광학 이미지. c) 두께 0.6 cm의 연마된 실리카 PGAero 샘플. d) 명확한 기공 구배를 나타내는 실리카 PGAeros의 일반적인 SEM 이미지. 삽도는 아래에서 위로 증가된 평균 기공 크기를 보여줌. e, f) e) 큰 기공과 f) 작은 기공이 각각 도 23d의 상단 및 하단 영역에 대응하는 고해상도 SEM 이미지. PGAeros의 실리카 네트워크에서 입자의 g) 저해상도 및 h) 고해상도 TEM 이미지를 나타낸다.
도 24는 a) 48 h (시간), 및 b) 72 h의 반응 시간을 갖는 실리카 PGAeros의 SEM 이미지를 나타낸다. 삽도는 기공의 대응하는 입자 분포를 나타낸다. c) 상이한 반응 시간에 의해 합성되는 실리카 PGAeros의 열 전도성을 나타낸다.
도 25는 a-f) 각각 PGAero-1, 5, 6, 7, 8, 및 9로 언급되는 전구체의 양을 변경함으로써 합성된 실리카 PGAeros의 SEM 이미지. g) 평균 기공 크기 및 공극률에 따라 달라지는 일련의 PGAeros의 열 전도성을 나타낸다.
도 26은 a) 400 ℃에서 어닐링 처리 전후의 실리카 PGAero의 기계적 특성을 나타낸다. 삽도는 어닐링 전(위)과 후(아래)에 SEM 이미지를 나타낸다. b) 개략도는 실리카 PGAero의 구배 구조에 의해 감소된 열과 음향을 나타냔다. c) 실리카 PGAero의 방음 성능은 500 Hz 내지 1800 Hz의 음향 주파수 하에서 Unifrax(세라믹 섬유 1: PC-Max 2000i, 세라믹 섬유 2: Saffil Alumina)의 폴리우레탄, 카블라(kavlar) 및 두 가지 유형의 세라믹 섬유 블랭킷과 비교된다. d) 2000 Hz 주파수 하에서 실리카 PGAero 및 참조 폴리스티렌 폼의 방음 성능. e) 500 Hz, 800 Hz 및 2000 Hz 주파수에서 음향 강도 및 방음 계수의 방음 성능 플롯을 나타낸다.
도 27은 a, b) PGAero-2 샘플의 SEM 이미지의 확대 및 줌(zoom)을 나타낸다.
도 28은 반응 시간에 따라 변화하는 공극률을 나타낸다.
도 29는 샘플 PGAero-1, PGAero-5-10의 세부 조정을 나타낸다.
도 30은 a-g) 샘플 PGAero-1, PGAero-5 - PGAero-10의 평균 기공 크기 분포를 나타낸다.
도 31은 기계적 시험의 a, b) 사진을 나타낸다.
도 32는 a) 6 lbs 미만의 원본 샘플 PGAero-1의 응력 변형 곡선을 나타낸다. b) 파단으로 압축된 원본 샘플의 응력 변형 곡선. c) 20 lbs 미만의 400 ℃ 어닐링된 샘플의 응력 변형 곡선을 나타낸다.
도 33은 1000 ℃에서 24시간 동안 어닐링된 샘플의 사진을 나타낸다.
도 34는 20 Hz 내지 5000 Hz 주파수 사이에서 블랭크, 폴리스티렌 폼 및 실리카 PGAero의 음향 강도 차이를 나타낸다.
도 35는 500 Hz와 800 Hz의 음향 강도 차이를 나타낸다.
도 36은 실리카 폼의 60% 및 80% 하에서 습도 노화 주기 측정을 보여준다.
도 37은 계면활성제의 농도가 증가함에 따라 불투명하고 투명한 상이 변화하는 것을 보여주는 개략도를 나타낸다. a) 계면활성제 CTAB의 경우, 친수성 입자가 전구체에 대부분이기 때문에, CTAB의 농도가 증가함에 따라 불투명한 상이 더 많아진다. b) 계면활성제 SDS의 경우, 전구체에 소수성 입자가 대부분이기 때문에, SDS의 농도가 증가함에 따라 투명 상이 더 많아진다. c) SDS 농도가 증가함에 따라, SDS에 대한 미셀 형성 변화. 미셀 형성은 보다 조직화되고, 각 미셀 입자는 SDS의 농도가 증가함에 따라 작아진다.
도 38은 a) 젤 부분의 광학 이미지. b, c) SEM 및 TEM은 겔 부분의 미세 구조를 보여준다. d) SDS의 농도에 따라 변화하는 겔 부분 밀도 및 공극률. e) 열전도도와 평균 기공 크기 및 밀도 관계. f) 젤 부분의 BET 결과를 보여준다.
도 39는 a, b, c) SEM 이미지는 열린 기공에서 닫힌 기공으로의 백색 부분 변환 변화의 구조를 보여준다. d) 백색 부분의 광학 이미지. e) SDS 농도에 따른 밀도 및 공극률 변화. f) 열전도도 및 밀도, 평균 기공 크기 관계를 보여준다.
도 40은 a) 변형 응력 곡선은 높은 기계적 강도를 보여준다. 기계적 강도는 SDS의 농도가 증가함에 따라 낮아진다. b) SDS의 농도 증가로 인해 밀도가 증가함에 따라 영률이 감소한다. c) 기계적 압축 시험 전후의 3.33% SDS 샘플의 광학 이미지를 나타낸다.
도 41은 a) 3000 Hz 내지 8500 Hz의 고주파수 하에서 다양한 농도의 SDS에 대한 방음 성능을 보여준다. b) 500 Hz의 음향 주파수 하에서 다양한 농도의 SDS의 방음 성능. c) 800 Hz의 음향 주파수 하에서 다양한 농도의 SDS의 방음 성능을 나타낸다.
청구된 주제가 특정 양태 및 실시예와 관련하여 기술될 것이지만, 본 명세서에 제시된 모든 이점 및 특징을 제공하지 않는 양태 및 실시예를 포함하는 다른 양태 및 실시예도 본 개시 내용의 범위 내에 있다. 다양한 구조적, 논리적 및 공정 단계 변경이 본 개시 내용의 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있다.
값의 범위가 본 명세서에 개시된다. 범위는 하한값과 상한값을 설정한다. 달리 명시되지 않는 한, 범위는 최소 값(하한값 또는 상한값)의 크기까지의 모든 값과 명시된 범위의 값 사이의 범위를 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 달리 언급되지 않는 한, 용어 "기(group)"는 다른 화학종에 공유 결합될 수 있는 하나의 말단 또는 둘 이상의 말단을 갖는 화학적 개체(chemical entity)를 말한다. 기의 예는 하기를 포함하지만, 이에 제한되지 않는다:
Figure pct00001
및
Figure pct00002
.
용어 "기"는 라디칼을 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 달리 언급되지 않는 한, 용어 "알킬"은 분지상 또는 비-분지상 포화 탄화수소기를 말한다. 알킬기의 예는 메틸기, 에틸기, 프로필기, 부틸기, 이소프로필기, tert-부틸기 등을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 예를 들면, 알킬기는 C1 내지 C5 이다(예를 들면, C1, C2, C3, C4, 또는 C5 알킬기). 알킬기는 하나 이상의 치환기로 치환되거나 치환되지 않을 수 있다. 치환기의 예는 할로겐(-F, -Cl, -Br, 및 -I), 지방족 기(예를 들면, 알킬기, 알케닐기, 및 알키닐기), 아릴기, 알콕사이드기, 카르복실레이트기, 카르복실산, 에테르기 등 및 이들의 조합을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 달리 언급되지 않는 한, 용어 "알콕시"는 -OR 기를 말하고, 이때 R은 본 명세서에서 정의되는 바와 같은 알킬기이다. 알콕시 기의 예는 메톡시기, 에톡시기, n-프로폭시기, i-프로폭시기, n-부톡시기, i-부톡시기, s-부톡시기 등을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 하나의 예에서, 알콕시기는 C1-C5 알킬기를 포함한다.
본 개시 내용은 세라믹 폼을 제공한다. 또한, 본 개시 내용은 세라믹 폼의 제조방법 및 세라믹 폼의 용도를 제공한다.
본 개시 내용에서, 다양한 예에서, 세라믹 폼, 모놀리스(monolith)(예를 들면, PGAeros)라고 할 수 있는, 예를 들면 기공 구배 세라믹 에어로겔과 같은 확장 가능한 세라믹 에어로겔(scalable ceramic aerogel)이 고안 및 합성된다. PGAeros의 저비용 제조는 기공 구배를 지지할 수 있는 인시투(in-situ) 가스 기포 형성에 의해 촉진된다. PGAeros는 넓은 온도 범위(예를 들면, 각각 0.040 W m-1 K-1 및 압축 강도 100.56 MPa)에 걸쳐 강력한 기계적 및 열적 안정성을 나타낼 수 있다. 예를 들면, PGAeros의 일체형 세라믹 모놀리스 특성은 강력한 방음 및 내화 성능을 나타낼 수 있다. 세라믹 에어로겔 재료의 확장 가능한 제조에 대한 이러한 시연은, 예를 들면 바람직한 열 관리, 기계적 강도, 낮은 질량 밀도, 방음 성능 및 내화성 성능 중 하나 이상 또는 모두를 갖는 단열 응용 분야에 사용될 수 있다.
본 개시 내용은, 다양한 예에서, 밀폐된 환경에서의 반응(예를 들면, 주위 압력 이상의 반응 조건에서의 반응) 및 인시투 주위 압력 건조와 결합된 세라믹 에어로겔 화학물질을 제공한다. 이 방법은 계층적 기공 구배를 갖는 세라믹 에어로겔을 생성할 수 있다.
본 개시 내용은, 다양한 예에서, 또한 세라믹 폼의 표면 개질(surface modification)을 제공한다. 본 명세서에 기재된 표면 개질은 감소된 모세관 현상과 열전도도(thermal conductance)의 복사 성분을 가진 세라믹 폼 재료를 제공할 수 있다: 예를 들면, 강한 수소 결합 및 모세관력을 생성하는 초임계 건조 유도된 하이드록실 (-OH) 기(~5 OH/nm2)를, 예를 들면 메틸기 (-CH3) 및/또는 탄소 재료 코팅으로 대체하여, 모세관 압력과 에너지 복사 전달을 줄인다. 다양한 예에서, 표면 개질은 수분 및/또는 내화성 표면 개질이다. 표면 개질은 프랙탈(fractal)과 유사한 초소수성 네트워크를 형성할 수 있다. 하나의 예에서, 실리카 프레임워크 상의 나노결정질 적층은 더 작은 기공 크기, 더 강한 기계적 무결성, 더 높은 습기 및 내화성, 더 낮은 열전도도를 얻는다.
하나의 예에서, 세라믹 폼(예를 들면, 실리카 에어로겔) 화학물질 커플링, 인시투 주위 압력 건조 및 롤-투-롤(R2R) 제조는 지속적인 저비용 제조(~ 90% 감소), 높은 R 값, 및 고내구성 세라믹 폼(예를 들면, 실리카 에어로겔 유사) 건축 단열재를 제공할 것이 기대된다. 따라서, 예를 들면, 실리카 에어로겔 화학물질의 커플링, 인시투 주위 압력 건조 및 롤-투-롤(R2R) 제조 노력은 저비용(~ 90% 감소), 높은 R 값, 및 고내구성 실리카 에어로겔 건축 단열재를 연속적으로 제조하는데 사용될 것으로 기대된다. 실리카 에어로겔의 바람직한 단열 특성을 유지하면서, 세라믹 폼(예를 들면, 실리카 에어로겔 유사 폼) 시트의 비용 효율적이고 연속적인 생산(예를 들면, 신속한 프로토타이핑(rapid-prototyping))이 가능하도록 현재의 제조 공정을 개조할 수 있는 것으로 간주된다. 따라서, 현재의 R2R 제조 공정은, 실리카 에어로겔의 바람직한 단열 특성을 유지하면서, 실리카 에어로겔 시트의 비용 효율적이고, 연속 생산(예를 들면, 신속한 프로토타이핑)이 가능하도록 개조될 수 있는 것으로 간주된다. 예를 들면, 저비용 실리카 에어로겔 단열재 생산을 위한 접근 방식이 (도 1)에 도시된다. 이 접근 방식은, 1) 생산 효율성을 향상시킬 수 있는 R2R 제조, 2) 에어로겔 비용을 제어할 수 있는 인시투 주위 압력 건조(APD), 3) R 값 및 내구성을 개선하기 위한 표면 개질을 결합한다.
본 개시 내용에서, 다양한 예에서, 실리카 에어로겔 화학물질은 인시투 주위 압력 건조와 결합된다. 이 방법은 주위 압력을 사용하여 낮은 표면 장력 유기 용매와 고압 초임계 건조를 적용하는 복잡한 공정인 현재의 초임계 추출 단계를, 예를 들면 인시투 생성된 기공 지지 기포(예를 들면, 이산화탄소, 암모니아 등)로 건조함으로써 대체할 수 있다. 본 명세서에 기술된 방법은, 예를 들면 제어된 공극률 및 60 nm 미만의 기공 크기를 갖는 실리카 에어로겔을 제조하기 위한 에너지 투입, 시간 및 비용 중 하나 이상 또는 전부를 상당히 감소시킬 수 있다.
예를 들면, 저비용 수계 APD 실리카 에어로겔의 R2R 빠른-프로토타이핑 제조 후 지속적인 표면 개질은 더 작은 기공 크기(60 nm 미만, 열전도도의 기체 성분 최소화), 향상된 내구성(기계적 강도, 수분 및 내화성) 및 증가된 적외선 복사 흡수(열전도도의 복사 성분 최소화)를 달성할 것으로 예상된다. 수성 겔의 R2R 제조를 사용하는 이점은 주위 조건에서 연속 작동이 확장 가능하고, 저렴하고, 내구성이 있으며, 신속한 프로토타이핑 단열재 합성 및 설치를 가능하게 한다는 점이다.
다양한 예에서, 본 개시 내용은, 1) 예를 들면, 테트라에톡시실란, CTAB 및 요소(urea)를 사용하여 기공 지지 인시투와 함께 실리카겔을 생성하여, APD가 실리카 에어로겔 생산 시에 에너지, 시간 및 비용의 상당한 감소를 가능하게 하는, 저비용 및 확장 가능한 수성 에어로겔 합성; 2) 기공 크기를 제어하고, 모세관 현상을 줄이고, 복사 열 전달을 억제하고, 내구성 요구사항(화재, 구조, 습기 및 음향 분해 모드와 관련하여)을 충족하기 위한 표면 개질; 및 3) 보다 쉬운 설치를 가능하게 하는 신속한 프로토타이핑을 위한 R2R 연속 제조에 의해 가능해진 저비용 및 견고한 설치;를 제공한다.
본 개시 내용은, 다양한 예에서, 고가의 화학 처리 단계를 피할 수 있고, 재료가 취성일 때 임의의 초임계 추출 공정을 피할 수 있는 에어로겔 재료를 생산하는 방법을 제공한다. 본 발명의 방법은, 실리카 에어로겔 생산 시에 에너지, 시간 및 비용을 크게 줄이기 위해 인시투로 기공 지지 이산화탄소를 생성하는, 예를 들면 소듐 바이카보네이트(sodium bicarbonate)의 혼입에 의해 가능해진 실리카 에어로겔의 인시투 APD를 기반으로 한다.
이 방법은, 실리카 에어로겔 합성 비용을 줄이기 위해 실온 근처 및 주위 압력 처리를 이용할 수 있다. R2R 제조를 통한 형상 및 치수 맞춤형 에어로겔 제품의 신속한 프로토타이핑은 설치 비용을 더욱 절감할 수 있다. 예를 들면, 실리카 에어로겔에 원소 탄소를 혼입시키면, 복사 열 전달을 억제하는데 효과적이다. 예를 들면, 에어로겔에 C를 추가하면, 주위 압력에서 열전도도이 0.016에서 0.0135 W/mK로 감소했다.
하나의 측면에서, 본 개시 내용은 세라믹 폼을 제조하는 방법을 제공한다. 세라믹 폼은 세라믹 에어로겔 또는 세라믹 에어로겔 유사 폼(예를 들면, 실리카-에어로겔 유사 폼)이라 할 수 있다. 세라믹 폼은 실리카 에어로겔일 수 있다. 실리카 에어로겔은 실리카 에어로겔 막일 수 있다. 이 방법은 기공-형성 가스 반응의 인시투 생성을 기반으로 한다. 반응은 밀폐된 환경(예를 들면, 주위 압력보다 큰 반응)에서 수행될 수 있다. 세라믹 폼은 열수 조건에서 형성될 수 있다. 하나의 예에서, 방법은 임의의 초임계 가스 종의 사용을 포함하지 않는다. 방법의 비제한적인 예가 본 명세서에 제공된다.
다양한 예에서, 세라믹 폼(ceramic foam)의 제조방법으로서, 상기 방법은, 하나 이상의 세라믹 전구체(들); 하나 이상의 기공-형성 가스 형성 첨가제(pore-forming gas-forming additive)(들)(하나 이상의 불활성 가스-생성제(들)); 하나 이상의 촉매(들); 및 임의로, 하나 이상의 첨가제(들)을 접촉시키는 단계(예를 들면, 밀폐된 용기일 수 있는 밀폐된 환경에서 반응 혼합물에서 일 수 있음)를 포함하고, 상기 접촉은 불활성 가스(예를 들면, 이산화탄소)를 형성시키고, 세라믹 폼을 형성시킨다. 세라믹 폼은 열수 조건 하에서 형성될 수 있다. 반응물(세라믹 전구체(들), 기공-형성 가스 형성 첨가제(들), 촉매(들); 및 임의로 첨가제(들))은 임의의 순서로 첨가/접촉될 수 있다. 반응물은 단일 용기 내에서 접촉될 수 있다.
다양한 예에서, 실리카 에어로겔의 제조방법으로서, 상기 방법은, 하나 이상의 실리카 전구체(들); 하나 이상의 기공-형성 가스 형성 첨가제(pore-forming gas-forming additive)(들)(하나 이상의 불활성 가스-생성제(들)); 하나 이상의 촉매(들); 및 임의로, 하나 이상의 첨가제(들)을 접촉시키는 단계(예를 들면, 반응 혼합물에서)를 포함하고, 상기 접촉은 불활성 가스(예를 들면, 이산화탄소)를 형성시키고, 실리카 에어로겔을 형성시킨다. 실리카 에어로겔은 열수 조건 하에서 형성될 수 있다. 반응물(실리카 전구체(들), 기공-형성 가스 형성 첨가제(들), 촉매(들); 및 임의로, 첨가제(들))은 임의의 순서로 첨가/접촉될 수 있다. 반응물은 단일 용기 내에서 접촉될 수 있다.
이 반응은 밀폐된 환경 내에서 수행될 수 있다. 이 반응은 밀폐된 용기 또는 밀폐된 몰드 내에서 수행될 수 있다. 예시적이고 비제한적인 예로서, 반응은 오토클레이브 내에서 수행된다. 용기 내의 압력은 자생적 압력(예를 들면, 용기의 폐쇄된 특성 및 반응물의 상태로 인해 발생)일 수도 있고, 압력은, 예를 들면 밀폐된 용기를 목적하는 압력(예를 들면, 모든 0.1 psi 값 및 그 사이의 범위를 포함하는 1 내지 100 psi)으로 가압함으로써 외부적으로 증가할 수도 있다. 용기는 외인성 가스(예를 들면, 불활성 가스, 예를 들면, 아르곤, 질소 등, 및 이들의 조합)를 추가하여 가압될 수 있다.
하나의 예에서, 세라믹 폼(예를 들면, 실리카 에어로겔 유사 폼)의 제조방법은, 밀폐된 용기 내에서, 실리카 전구체(들)로서 TEOS, MTMS, 물유리(waterglass)/소듐 실리케이트, 또는 이들의 조합 (예를 들면, 57 mL의 TEOS 또는 MTMS 또는 TEOS:MTMS의 1:3 내지 3:1 혼합물); 기공-형성 가스 형성 첨가제(불활성 가스 생성제)로서 요소(예를 들면, 33.33 g); 촉매로서 수용액(예를 들면, 1 mmol/L 용액의 100 mL)의 형태일 수 있는 아세트산; 및 계면활성제 첨가제로서 CTAB 또는 SDS (예를 들면, 3.33 g)를 접촉시키는 단계(예를 들면, 반응 혼합물에서)를 포함하고, 상기 접촉은 불활성 가스(예를 들면, 이산화탄소, 암모니아 등)를 형성시키고, 실리카 에어로겔 유사 폼이 형성된다. 다양한 예에서, 이 실시예에서 값들의 하나 이상 또는 전체는 최대 5% 또는 최대 10%까지 달라진다. 다양한 예에서, 하나 이상의 추가 첨가제가 접촉된다(예를 들면, 반응 혼합물에 포함됨).
하나의 실시예에서, 실리카 에어로겔의 제조방법은, 밀폐된 용기 내에서, 실리카 전구체(들)로서 TEOS, MTMS, 또는 이들의 조합 (예를 들면, 57 mL의 TEOS 또는 MTMS 또는 TEOS:MTMS의 1:3 내지 3:1 혼합물); 기공-형성 가스 형성 첨가제(불활성 가스 생성제)로서 요소(예를 들면, 33.33 g); 촉매로서 수용액(예를 들면, 1 mmol/L 용액의 100 mL)의 형태일 수 있는 아세트산; 및 첨가제로서 CTAB (예를 들면, 3.33 g)를 접촉시키는 단계(예를 들면, 반응 혼합물에서)를 포함하고, 상기 접촉은 불활성 가스(예를 들면, 이산화탄소, 암모니아 등)를 형성시키고, 실리카 에어로겔이 형성된다. 다양한 예에서, 이 실시예에서 값들의 하나 이상 또는 전체는 최대 5% 또는 최대 10%까지 달라진다. 다양한 예에서, 하나 이상의 추가 첨가제가 접촉된다(예를 들면, 반응 혼합물에 포함됨).
다양한 세라믹 전구체가 사용될 수 있다. 전구체는 졸-겔 전구체일 수 있다. 적합한 졸-겔 전구체는 당 업계에 알려져 있다. 전구체의 비제한적인 예는 실리카 전구체, 알루미나 전구체, 전이 금속 산화물 전구체, 및 이들의 조합을 포함한다. 다양한 예에서, 실리카 전구체(들)은 테트라알콕시실란 (예를 들면, TMOS, TEOS, 등)(예를 들면, C1-C5 알콕시 테트라알콕시실란), 알킬트리알콕시실란 (예를 들면, 메틸트리메톡시실란 (MTMS) 등)(예를 들면, C1-C5 알킬, C1-C5 알콕시 알킬트리알콕시실란), 소듐 메타실리케이트 (예를 들면, 물 유리), 알킬 및 이들의 조합으로부터 선택된다. 다양한 예에서, 알루미나 전구체(들)은 알루미늄 알콕사이드(예를 들면, C1 내지 C6 알루미늄 알콕사이드), 알루마트랜(alumatrane), 또는 트리스(알르마트라닐옥시-i-프로필)아민 등으로부터 선택된다. 다양한 예에서, 전이 금속 산화물 전구체(들)은 전이 금속 알콕사이드(예를 들면, 화학식 M(OR)x를 갖는 전이 금속 알콕사이드-이 때 M은 전이 금속(예를 들면, Al, Ti (예를 들면, 티타늄(IV)-이소-프로폭사이드 등), Zr, W, Cr, Mo, 등이고, R은 각 경우에 알킬기이고, x는 1, 2, 3, 4, 또는 5임) 등으로부터 선택된다. 전이 금속은 다양한 산화 상태(예를 들면, +1, +2, +3, +4, 또는 +5)를 가질 수 있다.
하나의 예에서, 물 유리(water glass)는 실리카 전구체로 사용된다(예를 들면, 단독으로 또는 하나 이상의 추가적인 실리카 전구체들과 조합하여). 물 유리는 소듐 실리케이트 또는 가용성 유리라고도 한다. 하나의 예에서, 물 유리는 유리질 고체를 형성하는 소듐 옥사이드(Na2O) 및 실리카(예를 들면, 이산화규소, SiO2 등)를 포함하는 물질이다.
세라믹 전구체들의 조합이 사용될 수 있다. 예를 들면, 이원, 삼원 및 더 높은 차수의 혼합 산화물 세라믹 폼은 전구체 혼합물을 사용하여 제조될 수 있다. 예시적인 예로서, 예를 들면 Al2O3 및 TiO2의 목적하는 비율에 상응하는 공칭 조성을 갖는 세라믹 폼과 같은 혼합된 산화물 세라믹 폼은 하나 이상의 Al2O3 졸-겔 전구체(예를 들면, 알루마트랜, 트리스(알루마트라닐옥시-i-프로필)아민, 또는 이들의 조합 등) 및 TiO2 졸-겔 전구체(예를 들면, 티타늄(IV)-이소-프로폭사이드 등)의 조합을 사용하여 제조될 수 있다. 당업자들은 목적하는 공칭 조성을 갖는 세라믹 폼이 적절한 세라믹 전구체(들) 및/또는 전구체의 상대적인 양의 선택에 의해 형성될 수 있음을 이해할 것이다.
세라믹 폼 형성 후, 세라믹 폼은 소결될 수 있다. 예를 들면, 세라믹 폼은 모든 0.1 ℃ 값과 그 사이의 범위를 포함하는 200 내지 800 ℃(예를 들면, 350 내지 450 ℃ 또는 약 400 ℃)의 온도에서 소결된다. 세라믹 폼은 공기 및/또는 주위 압력(예를 들면, 1 atm)에서 소결될 수 있다. 임의의 특정 이론에 얽매이지 않고, 소결이 세라믹 폼의 특성을 향상시킬 수 있다고 생각된다. 존재하는 경우, 잔류 유기 잔류물의 탄화로 인해 개선될 수 있다.
다양한 예에서, 방법은 세라믹 폼(예를 들면, 실리카 에어로겔)의 표면의 적어도 일부의 세라믹 폼 형성 후 개질을 추가로 포함한다. 세라믹 폼 형성 후 개질의 예는 표면의 적어도 일부(예를 들면, 표면의 전체 또는 세라믹 폼(예를 들면, 실리카 에어로겔)의 표면 전체) 상에 탄소 함유 재료의 층을 형성하는 것이다. 탄소 함유 재료는 초소수성 외부 표면을 제공할 수 있다. 예를 들면, 탄소 그을음 코팅(carbon soot coating)은 그을음 코팅을 가능하게 하기 위해 또는 후열 어닐링(post-thermal annealing)에 의해 세라믹 폼 샘플 아래에서 양초를 태움으로써 형성된다.
트리메틸클로로실란 처리 및 탄소 코팅을 포함한 고급 표면 개질은 모세관 및 초소수성을 조작하는데 사용될 수 있다. 이는 (CH3)3-Si-Si-O≡의 형성을 통해 실리카겔 표면 상의 메틸기로 표면 하이드록실기를 대체한 후, 연속 탄소 재료 코팅을 한다. 이러한 개질 단계는 목적하는 단열 성능과 내구성을 달성하기 위해 기공 크기와 표면 화학(surface chemistry)을 제어한다.
예를 들면, 연속 탄소 재료 코팅으로 결합된 트리메틸클로로실란, (CH3)3SiCl은 더 높은 온도에서 모세관 현상과 복사 수송 모드 열 전달을 모두 줄이기 위해 메틸기 형성 및 나노결정질 탄소 코팅에 의한 표면 개질 목표를 충족할 수 있다. 표면 개질된 실리카는 더 작은 기공 크기, 더 강한 기계적 무결성, 더 높은 습기 및 내화성, 더 낮은 열전도도로 이어질 것이다.
세라믹 폼 형성 후 개질의 다른 예는 세라믹 폼의 표면의 적어도 일부 또는 전체 표면을 나노입자로 데코레이팅 또는 코팅하는 것을 포함한다.
방법은 연속 방법일 수 있다. 예를 들면, 방법은 롤-투-롤 연속 제조 방법이다. R2R는, 예를 들면 저비용 및 고단열 무기 종이 기판 캐리어 상에 세라믹 폼 형성의 치수 맞춤화 및 거의 그물 모양 제조를 가능하게 한다.
롤-투-롤 연속 제조를 사용하여, 개선된 R-값 에어로겔 기반 단열재는, 예를 들면 테트라에톡시실란 또는 물 유리 실리카겔 전구체 및 예를 들면 무기 세라믹 섬유 종이 기판 캐리어(Unifrax 제품인 Fiberfrax®)에 대한 형상 및 치수 맞춤화를 가능하게 하여 실리카 에어로겔의 바람직한 재료 비용을 초래하는 R2R 제조 공정을 사용하여 저비용으로 형성될 것이 예측된다.
본 개시 내용의 방법은 열적 어닐링 단계를 포함할 수 있다. 열적 어닐링 단계는 세라믹 폼(예를 들면, 실리카 에어로겔)이 형성, 세척, 건조된 등의 이후에 수행될 수 있다. 예를 들면, 열적 어닐링은 세라믹 폼(예를 들면, 실리카 에어로겔)을 제조하는 마지막 단계이다. 다양한 예에서, 열적 어닐링은 모든 정수 ℃ 값 및 그 사이의 범위를 포함하여 300 ℃ 내지 600 ℃에서 수행되고, 다양한 시간(예를 들면, 모든 분의 값 및 그 사이의 범위를 포함하여 1시간 내지 6시간) 동안 수행될 수 있다.
세라믹 매트릭스라고 할 수 있는 세라믹 네트워크 (예를 들면, 실리카 네트워크, 알루미나 네트워크, 알루미노실리케이트 네트워크, 전이 금속 산화물 네트워크, 또는 이들의 조합)는 세라믹 나노 입자(예를 들면, 실리카 나노입자)(예를 들면, 모든 정수 nm 값 및 그 사이의 범위를 포함하여 20 내지 200 nm(예를 들면, 150 내지 200 또는 약 200 nm)의 최대 또는 최소 치수일 수 있는 크기, 또는 모든 정수 nm 값 및 그 사이의 범위를 포함하여 20 내지 200 nm(예를 들면, 150 내지 200 또는 약 200 nm)의 평균 최대 또는 최소 치수일 수 있는 평균 크기를 갖는, 세라믹 에어로겔이 기공-형성 가스의 존재 하에 형성될 수 있음)를 포함할 수 있다. 세라믹 나노 입자는 90% 이상, 95% 이상, 99% 이상, 또는 모든 정수 nm 값 및 그 사이의 범위를 포함하여 20 내지 200 nm(예를 들면, 150 내지 200 또는 약 200 nm)의 크기 및/또는 평균 크기를 갖는 모든 세라믹 나노입자로 좁은 크기 분포를 가질 수 있다. 기공-형성 가스는 세라믹 전구체의 존재 하에 생성될 수 있다(예를 들면, 기공-형성 가스는 실리카 네트워크 형성 동안 생성됨). 하나의 예에서, 사실상 모든 세라믹 매트릭스 형성(예를 들면, 실리카 매트릭스)은 기공-형성 가스의 존재 하에 완료된다. 사실상 모든 세라믹 매트릭스 형성에 의해, 이는 세라믹 폼(예를 들면, 실리카 에어로겔)의 세라믹 매트릭스(예를 들면, 실리카 매트릭스)를 형성하기 위해 추가 처리가 필요하지 않음을 의미한다. 다양한 예에서, 실리카 전구체(들)의 50% 이상, 60% 이상, 70% 이상, 80% 이상이 기공-형성 가스의 존재 하에 반응된다.
하나의 측면에서, 본 개시 내용은 세라믹 폼을 제공한다. 세라믹 폼은 세라믹 폼 막일 수 있다. 세라믹 폼은 세라믹 에어로겔이라 할 수 있다. 세라믹 폼은 실리카 에어로겔일 수 있다. 실리카 에어로겔은 실리카 에어로겔 막일 수 있다. 세라믹 폼의 비제한적인 예는 본 명세서에 제공된다. 세라믹 폼 재료(예를 들면, 세라믹 폼 복합재)는 세라믹 폼을 포함한다. 세라믹 폼은 세라믹 재료의 매트릭스로 구성된다. 세라믹 폼은 본 개시 내용의 방법에 의해 제조될 수 있다.
세라믹 폼은 산화물일 수 있다. 산화물의 비제한적인 예는 실리콘 산화물(예를 들면, 실리카), 알루미늄 산화물(예를 들면, 알루미나), 전이 금속 산화물 등, 및 이들의 조합을 포함한다. 세라믹 폼은 화학량론적(stoichiometric) 또는 비화학량론적일 수 있다.
세라믹 폼은 산화물의 혼합물일 수 있다. 세라믹 폼은 이원 산화물, 삼원 산화물 시스템 또는 고차 산화물 시스템일 수 있다. 세라믹 폼의 비제한적인 예시적인 예는 알루미노실리케이트 폼, 알루미노티타네이트 폼 등을 포함한다.
하나의 예에서, 세라믹 폼 및/또는 세라믹 폼 재료는 임의의 불소 원자를 갖지 않는다(예를 들면, 당업계에 공지된 종래의 방법에 의해 임의의 검출 가능한). 불소 원자는 규소 원자에 결합된 불소 원자(예를 들면, -Si-F)일 수 있다.
세라믹 폼(예를 들면, 실리카 에어로겔)은 다양한 형태를 가질 수 있다. 예를 들면, 세라믹 폼(예를 들면, 실리카 에어로겔)은 모놀리스이다. 다른 예에서, 세라믹 폼(예를 들면, 실리카 에어로겔)은 막이다. 세라믹 폼(예를 들면, 실리카 에어로겔) 막은 프리-스탠딩 막이거나, 기판 상에 배치될 수 있다. 세라믹 폼(예를 들면, 실리카 에어로겔) 막이 기판에 침투될 수 있다.
세라믹 폼은 다공성이고, 계층적, 구배 기공 구조를 보일 수 있다. 세라믹 폼은 쉘(예를 들면, 매트릭스) 내부의 메조기공(mesopore) 및 내부(예를 들면, 세라믹 매트릭스의 보이드)로서 매크로기공(macropore)이라고 할 수 있는 마이크로기공(micropore)을 갖는 계층적 중공 구조를 포함하는 것으로 기술될 수 있다. 기공의 적어도 일부 또는 전부는 상호 연결될 수 있다. 기공은 메조기공 및/또는 매크로기공일 수 있다. 기공은 IUPAC에 의해 정의된 바와 같은 메조기공일 수 있다.
마이크로기공 또는 매크로기공이라 할 수 있고 세라믹 매트릭스의 메조기공이 아닌 세라믹 폼의 기공은 다양한 크기를 가질 수 있다. 예를 들면, 기공의 크기(예를 들면, 평균 크기 및/또는 90%, 95%, 99%, 99.9%, 또는 100%)는 모든 0.1 미크론 값 및 그 사이의 범위를 포함하여 500 미크론 내지 1 미크론이다. 크기는 기공의 축에 평행한 평면에서 측정된 바와 같이 적어도 하나의 치수(예를 들면, 직경)일 수 있다. 예를 들면, 기공은 크기(예를 들면, 기공의 축에 평행한 평면에서 측정된 바와 같은 적어도 하나의 치수(예를 들면, 직경)) 및/또는 500 미크론 내지 1 미크론(예를 들면, 200 미크론 내지 10 미크론, 200 미크론 내지 1 미크론, 또는 100 미크론 내지 1 미크론)의 축에 수직인 평면에서 측정되는 적어도 하나의 치수(예를 들면, 높이)를 갖는다. 기공의 크기는 일반적으로 세라믹 폼의 제1 표면에서 제1 표면에 대향하는 제2 표면으로 이동하는 치수를 따라 감소하거나 증가한다. 구배는 선형 구배 또는 비선형 구배일 수 있다.
세라믹 폼의 세라믹 매트릭스는 메조기공일 수 있다(예를 들면, IUPAC에서 정의된 바와 같은 메조기공일 수 있는 메조기공을 포함함). 예를 들면, 세라믹 매트릭스는 0.1 nm 값 및 그 사이의 범위를 포함하여 2 nm 내지 100 nm (예를 들면, 2 nm 내지 60 nm, 10 nm 내지 60 nm, 또는 10 nm 내지 100 nm)의 직경을 갖는 복수의 기공을 갖는다. 예를 들면, 세라믹 매트릭스는 0.1 nm 값 및 그 사이의 범위를 포함하여 2.5 nm 내지 30 nm (예를 들면, 2.5 nm 내지 10 nm 또는 15 nm 내지 30 nm)의 직경을 갖는 복수의 기공을 갖는다. 기공 크기 분포는, 예를 들면 이중 모드와 같은 다중 모드일 수 있다. 예를 들면, 세라믹 매트릭스는 평균 직경이 2 nm 내지 100 nm(예를 들면, 2 nm 내지 60 nm, 10 nm 내지 60 nm, 또는 10 nm 내지 100 nm)인 복수의 기공 및 평균 직경이 2.5 nm 내지 30 nm(예를 들면, 2.5 nm 내지 10 nm 또는 15 nm 내지 30 nm)인 복수의 기공을 갖는다.
세라믹 폼 및/또는 세라믹 매트릭스의 기공 크기 및/또는 기공 크기 분포는 당업계에 알려진 방법을 사용하여 결정될 수 있다. 예를 들면, 기공 크기 및/또는 기공 크기 분포는 BET 분석을 사용하여 결정된다.
실리카 에어로겔은 다공성이다. 예를 들면, 실리카 에어로겔은 직경이 0.1 nm 값 및 그 사이의 범위를 포함하여 2 nm 내지 100 nm(예를 들면, 2 nm 내지 60 nm, 10 nm 내지 60 nm, 또는 10 nm 내지 100 nm)인 복수의 기공을 갖는다. 예를 들면, 실리카 에어로겔은 평균 직경이 0.1 nm 값 및 그 사이의 범위를 포함하여 2.5 nm 내지 30 nm(예를 들면, 2.5 nm 내지 10 nm 또는 15 nm 내지 30 nm)인 복수의 기공을 갖는다. 기공 크기 분포는 이중 모드일 수 있다. 예를 들면, 실리카 에어로겔은 평균 직경이 2 nm 내지 100 nm(예를 들면, 2 nm 내지 60 nm, 10 nm 내지 60 nm, 또는 10 nm 내지 100 nm)인 복수의 기공(이중 모드일 수 있음) 및 평균 직경이 2.5 nm 내지 30 nm(예를 들면, 2.5 nm 내지 10 nm 또는 15 nm 내지 30 nm)인 복수의 기공을 갖는다. 기공 크기 및/또는 기공 크기 분포는 당업계에 공지된 방법을 사용하여 결정될 수 있다. 예를 들면, 기공 크기 및/또는 기공 크기 분포는 BET 분석을 사용하여 결정된다.
세라믹 폼 재료는 복합재(예를 들면, 복합 세라믹 폼, 예를 들면 복합 실리카 에어로겔)일 수 있다. 복합재는 세라믹 폼의 기공의 일부 또는 전부에 폴리머 재료(하이브리드 복합재 또는 하이브리드 세라믹 폼이라 할 수 있음)를 포함할 수 있다. 폴리머는 세라믹 폼에서 인시투 중합에 의해 형성될 수 있다. 추가적으로, 또는 대안적으로, 복합재는 세라믹-탄소 에어로겔이라 할 수 있는 세라믹 폼 상의 탄소 코팅을 포함할 수 있다. 예를 들면, 세라믹 폼(예를 들면, 세라믹 폼 모놀리스 또는 세라믹 폼 막)은 탄소 재료로 적어도 부분적으로(또는 완전히) 코팅된다.
실리카 에어로겔 재료는 탄소 재료로 적어도 부분적으로(또는 완전히) 코팅된 실리카 에어로겔(예를 들면, 실리카 에어로겔 모놀리스 또는 실리카 에어로겔 막)을 포함하는 복합재(실리카-탄소 에어로겔이라 할 수 있음)일 수 있다.
건축물 단열재는 본 개시 내용의 세라믹 폼(예를 들면, 실리카 에어로겔)(예를 들면, 본 개시 내용의 방법에 의해 제조된 세라믹 폼, 예를 들면 실리카 에어로겔)을 포함할 수 있다.
[표 1] 실리카-탄소 에어로겔의 비용, 단열성 및 기계적 성능
Figure pct00003
4https://www.saylor.org/site/wp-content/uploads/2011/04/Thermal_ conductivity.pdf
본 개시 내용의 방법은 저비용 건축물 단열재를 제공할 것으로 예측된다. 본 개시 내용의 방법은, 예를 들면 기존 건축물 및 미래 건축물에서 지붕 및 벽과 같은 광범위한 외피 응용 분야에 영향을 미칠 수 있는 높은 R 값 건축물 단열재(예를 들면, 실리카 에어로겔과 같은 세라믹 폼)의 저렴한 대규모 생산 및 설치를 제공할 것이 예측된다. 현재 기술에 비해 90% 이상의 비용 감소는, 예를 들면 에어로겔(예를 들면, Spaceloft®, 2018년 7월)과 같은 초임계 건조 세라믹 폼을 본 개시 내용의 세라믹 폼(예를 들면, 실리카 에어로겔)으로 대체함으로써, 현재 기술에 비해 90% 이상의 비용 감소가 예측된다. 또한, 본 개시 내용의 세라믹 폼을 갖는 단열재의 건축물 에너지 효율은 적어도 45%일 것으로 예상된다. 본 개시 내용의 세라믹 폼을 갖는 단열재는 실온에서 상업용 세라믹 폼에 필적하는 R 값 및 열전도도을 가질 수 있다. 그러나, 본 개시 내용의 세라믹 폼(예를 들면, 실리카 에어로겔)을 사용한 단열재는 고온에서 (예를 들면, 상용 세라믹 폼에 비해 및 단가를 상당히 감소시킬 수 있음) 증가된 R-값을 가질 수 있다. 기존의 고압 초임계 건조에 의한 세라믹 폼 생산과 관련된 복잡한 공정 및 휘발성 유기 용매는 건축물 단열재 제조업체에서 엄청난 비용을 들여 사용한다.
건축물 단열재는 단열 시트일 수 있다. 단열 시트는 상업적 또는 주거용 응용 분야에 사용될 수 있다. 단열 시트는 R2R 제조 방법을 이용하여 형성될 수 있다. 단열 시트는 기존 건물을 개조하는데 사용될 수 있다. 다양한 예에서, 본 개시 내용의 세라믹 폼(예를 들면, 실리카 에어로겔)을 포함하는 단열 시트는 0.01 W/mK 이하의 열전도도를 가질 수 있는 R15/인치 단열 시트이다.
하나의 예에서, 세라믹 폼(예를 들면, 실리카 에어로겔)은 TEOS를 사용하여 형성되고, 백색이다. 다른 예에서, 세라믹 폼(예를 들면, 실리카 에어로겔)은 MTMS를 사용하여 형성되고, 목적하는 투명성을 보인다. 예를 들면, MTMS를 사용하여 형성된 세라믹 폼(예를 들면, 실리카 에어로겔)은 가시광선 파장(예를 들면, 400-800 nm, 예를 들면 530 nm의 광 파장)(예를 들면, 2-3 mm (예를 들면, 2.7 mm)의 샘플 두께에서 측정된)의 85% 이상, 90% 이상, 95% 이상, 또는 98% 이상의 투과도를 보인다. 또 다른 예에서, 세라믹 폼(예를 들면, 실리카 에어로겔)은 TEOS 및 MTMS를 사용하여 형성되고, 하나 이상의 백색 및 하나 이상의 투명 도메인(예를 들면, 가시광선 파장(예를 들면, 400-800 nm의 광 파장)의 90% 이상, 95% 이상, 또는 98% 이상의 투과도를 보임)을 갖는다.
하나의 예에서, 세라믹 폼 또는 세라믹 폼-재료(예를 들면, 실리카 에어로겔 또는 실리카 에어로겔-재료)는 임의의 외인성 재료(예를 들면, 당업계에 공지된 종래의 방법에 의해 검출될 수 있는 임의의 검출 가능한 외인성 재료)를 포함하지 않는다. 외인성 재료는 실리카 재료(예를 들면, 세라믹 폼 재료)로부터 건축물 재료를 형성하는데 사용되는 재료를 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 외인성 재료의 비제한적인 예는 바인더(예를 들면, 폴리머 바인더), 폴리머 등을 포함한다.
세라믹 폼(예를 들면, 실리카 에어로겔)은 목적하는 특성을 가질 수 있다. 예를 들면, 세라믹 폼(예를 들면, 실리카 에어로겔)은 모든 정수 MPa 값 및 그 사이의 범위를 포함하여 2-100 MPa (예를 들면, 2-8 MPa)의 영률을 갖는다.
세라믹 폼은 바람직한 음향 전달/차음/방음 특성을 가질 수 있다. 다양한 예에서, 세라믹 폼은 500 내지 2000 Hz의 주파수 중 하나 이상, 사실상 전체, 또는 전체에서 다른 재료(예를 들면, PS 폼, PU 폼 등과 같은 유기 폴리머 폼, 또는 세라믹 섬유 등)의 제공된 두께에 비해 방음이 적어도 10%, 적어도 15%, 적어도 20%, 또는 적어도 25% 개선(예를 들면, 증가된 방음 계수)을 갖는다. 다른 예에서, 0.014 m의 두께를 갖는 실리카 에어로겔 유사 폼(예를 들면, 실리카 PGAeros)은 500 Hz, 800 Hz, 및 2,000 Hz의 서로 다른 주파수에서 기준 PS 폼과 비교하여 우수한 방음 성능을 가지며, 각각 10.9%, 12.0%, 28.4%의 소음 감소를 보인다.
하나의 예에서, 실리카 에어로겔 및/또는 실리카 에어로겔 재료는 임의의 불소 원자를 갖지 않는다(예를 들면, 당업계에 공지된 종래의 방법에 의해 임의의 검출 가능한). 불소 원자는 실리콘 원자(예를 들면, -Si-F)에 결합된 불소 원자일 수 있다.
하나의 측면에서, 본 개시 내용은 본 개시 내용의 세라믹 폼의 용도를 제공한다. 세라믹 폼은 다양한 응용 분야에서 사용될 수 있다. 세라믹 폼은 초단열재이거나 초단열재를 제공할 수 있다. 예를 들면, 재료의 열전도도는 0.01 W/mK 이하이다.
하나의 예에서, 세라믹 폼은 단열재(예를 들면, 건축물 재료 또는 방음재)로 사용된다. 단열재는 바람직한 열 관리 및/또는 방음 특성을 보일 수 있다.
하나의 예에서, 세라믹 폼은 촉매, 멤브레인, 분리 등의 응용 분야에서 복합재로 다른 기능성 재료로 코팅하기 위한 템플릿 또는 지지 기판으로 사용된다.
본 명세서에 개시된 다양한 양태 및 실시예에 기술된 방법의 단계는 본 개시내용의 방법을 수행하기에 충분하다. 따라서, 하나의 예에서 방법은 본질적으로 본 명세서에 개시된 방법의 단계 조합으로 구성된다. 다른 예에서, 방법은 이러한 단계로 구성된다.
하기 서술은 본 개시 내용의 세라믹 폼, 세라믹 폼의 제조방법, 및 세라믹 폼의 용도의 예를 제공한다:
서술 1. 세라믹 폼(예를 들면, 계층적 기공 구배 세라믹 폼)(예를 들면, 실리카 에어로겔)의 제조방법으로서, 상기 방법은, 하나 이상의 세라믹 전구체(예를 들면, 실리카 전구체)(예를 들면, 하나 이상의 세라믹 전구체(들)(예를 들면, 실리카 전구체(들)); 기공-형성 가스 형성 첨가제(불활성 가스 생성제)(예를 들면, 하나 이상의 기공-형성 가스 형성 첨가제(들); 촉매(하나 이상의 촉매(들)); 및 임의로, 첨가제(예를 들면, 하나 이상의 첨가제(들));를 밀폐된 환경(예를 들면, 밀폐된 반응 용기)에서 접촉시키는 단계(예를 들면, 반응 혼합물에서)를 포함하고, 상기 접촉은 불활성 가스(예를 들면, 이산화탄소, 질소 또는 이들의 조합)를 형성시키고, 계층적 기공 구배 세라믹 폼(예를 들면, 실리카 에어로겔)이 형성되는 것인, 세라믹 폼의 제조방법. 예를 들면, 계층적 기공 구배 세라믹 폼은 막이거나 모놀리스이다. 방법은 소결 단계를 포함할 수 있고, 계층적 기공 구배 세라믹 폼은 소결된다.
서술 2. 서술 1에 있어서, 상기 접촉은 하나 이상의 세라믹 전구체(들) 및/또는 하나 이상의 기공-형성 가스 형성 첨가제(들) 및/또는, 존재하는 경우, 하나 이상의 첨가제(들)의 상당한 반응물(예를 들면, 5%, 1%, 또는 0.1%의 반응)이 반응하기 전에, 모든 0.1 psi 값 및 그 사이의 범위를 포함하여 1-100 psi의 내부 압력에서 수행되는 것인(예를 들면, 반응 용기가 1-100 psi로 가압됨), 세라믹 폼의 제조방법.
서술 3. 서술 1 또는 2에 있어서, 상기 하나 이상의 세라믹 전구체(들)는 실리카 전구체, 알루미나 전구체, 전이 금속 산화물 전구체, 및 이들의 조합으로부터 선택되는 것인, 세라믹 폼의 제조방법.
서술 4. 서술 3에 있어서, 상기 실리카 전구체(들)는 테트라알콕시실란(tetraalkoxysilane)(예를 들면, TMOS, TEOS, 등)(예를 들면, C1-C5 알콕시 테트라알콕시실란), 알킬트리알콕시실란(alkyltrialkoxysilane)(예를 들면, 메틸트리메톡시실란(MTMS) 등)(예를 들면, C1-C5 알킬, C1-C5 알콕시 알킬트리알콕시실란), 소듐 메타실리케이트(sodium metasilicate)(예를 들면, 물 유리), 알킬 및 이들의 조합으로부터 선택되는 것인, 세라믹 폼의 제조방법.
서술 5. 서술 3 또는 4에 있어서, 상기 알루미나 전구체(들)은 알루미늄 알콕사이드(예를 들면, C1 내지 C6 알루미늄 알콕사이드), 알루마트랜 (alumatrane), 또는 트리스(알루마트라닐옥시-i-프로필)아민 (tris(alumatranyloxy-i-propyl)amine), 등 및 이들의 조합으로부터 선택되는 것인, 세라믹 폼의 제조방법.
서술 6. 서술 3 또는 4에 있어서, 상기 전이 금속 산화물 전구체(들)는 전이 금속 알콕사이드(예를 들면, 화학식 M(OR)x를 갖는 전기 금속 알콕사이드, 이때 M은 전이 금속(예를 들면, Al, Ti (예를 들면, 티타늄(IV)-이소-프로폭사이드 등), Zr, W, Cr, Mo, 등이고, R은 각 경우에 알킬기이고, x는 1, 2, 3, 4, 또는 5임) 등으로부터 선택되는 것인, 세라믹 폼의 제조방법. 전이 금속은 다양한 산화 상태(예를 들면, +1, +2, +3, +4, 또는 +5)를 가질 수 있다.
서술 7. 서술 1-6 중 어느 하나에 있어서, 상기 하나 이상의 촉매(들)는 염기 촉매(예를 들면, 암모니아, 암모늄 플루오라이드, 암모늄 하이드록사이드, 요소, 세틸트리메틸암모늄 브로마이드 등, 및 이들의 조합)인 것인, 세라믹 폼의 제조방법.
서술 8. 서술 1-6 중 어느 하나에 있어서, 상기 촉매는 산 촉매(예를 들면, 양성자산(예를 들면, 아세트산 등), 할로겐화 수소산(hydrohalic acid), 등 및 이들의 조합)인 것인, 세라믹 폼의 제조방법.
서술 9. 서술 1-8 중 어느 하나에 있어서, 상기 하나 이상의 기공-형성 가스 형성 첨가제(들)(불활성 가스 생성제)는 소듐 바이카보네이트(sodium bicarbonate), 요소(urea), 및 이들의 조합으로부터 선택되는 것인(예를 들면, 기공-형성 가스 형성 첨가제(불활성 가스 생성제)는 불활성 가스의 임계 아임계량(예를 들면, 압력)을 제공함), 세라믹 폼의 제조방법. 기공-형성 가스(불활성 가스)는 이산화탄소 및/또는 질소 및/또는 암모니아일 수 있다.
서술 10. 서술 1-9 중 어느 하나에 있어서, 상기 하나 이상의 첨가제(들)는 계면활성제(예를 들면, 세틸트리메틸암모늄 브로마이드(cetyltrimethylammonium bromide, CTAB), 요소, 및 이들의 조합으로부터 선택되는 것인, 세라믹 폼의 제조방법. 계면활성제(들)는 기공 형성을 도울 수 있다. 또한, 계면활성제(들)은 표면 기능화를 제공할 수 있다.
서술 11. 서술 1-10 중 어느 하나에 있어서, 상기 하나 이상의 세라믹 전구체(들)(예를 들면, 실리카 전구체(들)), 하나 이상의 기공-형성 가스 형성 첨가제(들)(불활성 가스 생성제), 및 임의로 하나 이상의 첨가제(들)가 접촉된 후, 상기 하나 이상의 촉매(들)가 하나 이상의 세라믹 전구체(들), 하나 이상의 기공-형성 가스 형성 첨가제(들), 및 임의로 하나 이상의 첨가제(들)과 접촉되고, 그 후 촉매는 하나 이상의 세라믹 전구체(들)(예를 들면, 실리카 전구체(들)), 하나 이상의 기공-형성 가스 형성 첨가제(들)(불활성 가스 생성제), 및 임의로 하나 이상의 첨가제(들)과 접촉되는 것인, 세라믹 폼의 제조방법.
서술 12. 서술 1-11 중 어느 하나에 있어서, 상기 접촉은, 물, 용매(예를 들면, 알콜, 예를 들면 에탄올), 또는 이들의 조합 중에 배치(또는 용해)될 수 있는 하나 이상의 세라믹 전구체(들)(예를 들면, 실리카 전구체(들)); 물 중에 배치(예를 들면, 용해)될 수 있는 하나 이상의 기공-형성 가스 형성 첨가제(들)(불활성 가스 생성제); 물 중에 배치(예를 들면, 용해)될 수 있는 하나 이상의 촉매(들)를 혼합하는 것을 포함하는 것인, 세라믹 폼의 제조방법. 세라믹 전구체(들), 불활성 가스 생성제(들), 촉매(들), 및 임의로 첨가제(들)은 임의의 순서로 혼합될 수 있다. 하나의 예에서, 촉매(들)는 첨가되는 마지막 성분이다.
서술 13. 서술 1-12 중 어느 하나에 있어서, 상기 하나 이상의 세라믹 전구체(들)(예를 들면, 실리카 전구체(들)) 각각은 세라믹 전구체(들)(예를 들면, 실리카 전구체(들)), 촉매(들), 기공-형성 가스 형성 첨가제(들), 및 존재하는 경우, 첨가제(들))의 총 중량을 기준으로 2 내지 10 중량%로 존재하는 것인, 세라믹 폼의 제조방법.
서술 14. 서술 1-13 중 어느 하나에 있어서, 상기 하나 이상의 기공-형성 가스-형성 첨가제(들)는 세라믹 전구체(들)(예를 들면, 실리카 전구체(들)), 촉매(들), 기공-형성 가스 형성 첨가제(들), 및 존재하는 경우, 첨가제(들)의 총 중량을 기준으로 0.4 내지 2 중량%로 존재하는 것인, 세라믹 폼의 제조방법. 예를 들면, 세라믹 전구체(들)(예를 들면, 실리카 전구체(들))는 기공-형성 가스 형성 첨가제(들)(불활성 가스 생성제(들))의 중량보다 적어도 5배 더 큰 중량이다.
서술 15. 서술 1-14 중 어느 하나에 있어서, 상기 하나 이상의 촉매(들)는 세라믹 전구체(들)(예를 들면, 실리카 전구체), 촉매(들), 불활성 가스 생성제(inert gas-generating agent)(들), 및 존재하는 경우, 첨가제(들)의 총 중량을 기준으로 1 내지 2 중량%로 존재하는 것인, 세라믹 폼의 제조방법.
서술 16. 서술 1-15 중 어느 하나에 있어서, 상기 하나 이상의 첨가제(들)는 세라믹 전구체(들)(예를 들면, 실리카 전구체(들)), 촉매(들), 및 기공-형성 가스 형성 첨가제(들)의 총 중량을 기준으로 200 내지 1000 중량%로 존재하는 것인, 세라믹 폼의 제조방법. 예를 들면, 첨가제(들)는 세라믹 전구체(들)보다 2배 내지 10배 더 큰 중량이다. 예를 들면, 하나 이상의 첨가제는 (실리카 전구체(들), 촉매(들), 및 기공-형성 가스 형성 첨가제(들)의 총 중량을 기준으로) 실리카 전구체(들), 촉매(들), 및 기공-형성 가스 형성 첨가제(들)의 중량의 10배로 존재한다.
서술 17. 서술 1-16 중 어느 하나에 있어서, 상기 세라믹 전구체(들)(예를 들면, 실리카 전구체(들)): 기공-형성 가스 형성 첨가제(들): 촉매(들): 첨가제(들)의 비는 5:1:1:50인 것인, 세라믹 폼의 제조방법. 다양한 예에서, 이들 값의 하나 이상은 10% 또는 20%의 범위이다.
서술 18. 서술 1-17 중 어느 하나에 있어서, 상기 접촉은 1분 내지 96시간(예를 들면, 1 내지 24시간(h 또는 hrs) 동안 실온(예를 들면, 18-23 ℃) 내지 70 ℃의 온도에서 수행되는 것인, 세라믹 폼의 제조방법.
서술 19. 서술 1-18 중 어느 하나에 있어서, 상기 방법은 세라믹 폼(예를 들면, 실리카 에어로겔)으로부터 교환하는(예를 들면, 용매(들)를 제거하는) 단계를 더 포함하는 것인, 세라믹 폼의 제조방법.
서술 20. 서술 1-19 중 어느 하나에 있어서, 상기 방법은 세라믹 폼(예를 들면, 실리카 에어로겔)을 세척하는 단계를 더 포함하는 것인, 세라믹 폼의 제조방법. 상기 세척 단계는 바람직하지 않은 재료(예를 들면, 용매(들), 미반응 세라믹(예를 들면, 실리카) 반응 성분 등)이 제거되는 교환 단계일 수 있다. 다양한 예에서, 90% 이상, 95% 이상, 99% 이상, 또는 모든 관찰 가능한 바람직하지 않은 재료가 막으로부터 제거된다.
서술 21. 서술 20에 있어서, 상기 세척은 세라믹 폼(예를 들면, 실리카 에어로겔)을 수용액(예를 들면, 알콜 수용액)과 접촉시키는 것을 포함하는 것인, 세라믹 폼의 제조방법.
서술 22. 서술 1-21 중 어느 하나에 있어서, 상기 방법은, 세라믹 폼(예를 들면, 실리카 에어로겔)을 알콜(예를 들면, 에탄올)로 세척하는 단계 및/또는 세라믹 폼(예를 들면, 실리카 에어로겔)을 건조시키는 단계를 더 포함하는 것인, 세라믹 폼의 제조방법. 예를 들면, 세라믹 폼(예를 들면, 실리카 에어로겔)(예를 들면, 세라믹 폼(예를 들면, 세라믹 폼)를 가열함)을 실온(예를 들면, 18-23 ℃) 내지 100 ℃(예를 들면, 30-60 ℃)의 온도로 처리하는 것, 이 때 처리(또는 가열)은 주위 조건 하에서 이루어질 수 있다. 예를 들면, 소수성 코팅은 세라믹 폼 구조(예를 들면, 실리카 에어로겔 구조)와 호환된다.
서술 23. 서술 1-22 중 어느 하나에 있어서, 상기 방법은, 세라믹 폼(예를 들면, 실리카 에어로겔)의 표면의 적어도 일부 또는 전체 위에 배치되는 소수성 탄소-함유 재료의 층(예를 들면, 막)을 형성하는 단계를 더 포함하는 것인, 세라믹 폼의 제조방법. 하나의 예에서, 세라믹 폼(예를 들면, 실리카 에어로겔)은 실란(예를 들면, 트리알킬할로실란, 예를 들면 트리메틸클로로실란 (TMCS), 탄소 재료(예를 들면, 탄소 그을음), 또는 이들의 조합)과 접촉된다.
서술 24. 서술 1-23 중 어느 하나에 있어서, 상기 방법은, 세라믹 폼으로부터 막을 형성하는 단계를 포함하는 것인, 세라믹 폼의 제조방법.
서술 25. 서술 24에 있어서, 상기 막은 기판 상에 형성되는 것인, 세라믹 폼의 제조방법. 예를 들면, 세라믹 폼(예를 들면, 실리카 에어로겔 유사 폼 또는 실리카 에어로겔) 형성 반응의 적어도 일부는 기판 상에서 수행된다. 기판의 비제한적인 예는 종이, 금속(예를 들면, 알루미늄 호일, 단열 종이 기판, 섬유 등일 수 있는, 알루미늄)을 포함한다.
서술 26. 서술 24 또는 25에 있어서, 상기 형성은 연속 공정(예를 들면, 연속 롤-투-롤 공정)인 것인, 세라믹 폼의 제조방법.
서술 27. 서술 24 또는 25에 있어서, 상기 형성은 닥터 블레이딩(doctor blading), 드롭 캐스팅(drop casting), 또는 적층 제조(additive manufacturing)(예를 들면, 3D 인쇄)에 의해 수행되는 것인, 세라믹 폼의 제조방법.
서술 28. 서술 24 또는 25에 있어서, 상기 막은 하나 이상의 세라믹 전구체(들), 하나 이상의 기공-형성 가스 형성 첨가제(들), 하나 이상의 촉매(들), 임의로 하나 이상의 첨가제(들)를 포함하는 반응 혼합물의 겔화된(예를 들면, 고형화되지 않은) 형태의 스프레이 코팅으로 형성되는 것인, 세라믹 폼의 제조방법. 예를 들면, 반응 혼합물의 겔화된 형태는 점도가 85 내지 1,000 cP이다. 임의로, 압축된 공기는 겔에 첨가되어 유동성을 향상시킬 수 있다.
서술 29. 서술 1-23 중 어느 하나에 있어서, 상기 방법은, 기판을 세라믹 폼(예를 들면, 실리카 에어로겔 유사 폼 또는 실리카 에어로겔)으로 함침(impregnating)시키는 단계를 더 포함하는 것인, 세라믹 폼의 제조방법. 다공성 기판은 1시간 내지 24시간 동안 실리카 졸 또는 겔 용액 내에 함침 및 배양될 수 있다. 그 후, 복합재는 주위 건조 또는 저온 열 건조(300 K 내지 355 K)를 통해 함침된 기판을 형성할 수 있다.
서술 30. 서술 1-29 중 어느 하나에 있어서, 상기 방법은, 세라믹 폼의 표면(예를 들면, 외부 표면)의 적어도 일부를 데코레이팅(decorating) 또는 코팅하는 단계를 더 포함하는 것인, 세라믹 폼의 제조방법.
서술 31. 서술 30에 있어서, 상기 세라믹 폼은 재료(예를 들면, 하나 이상의 나노 입자(들), 금속 산화물 나노 입자일 수 있음)(예를 들면, 철 산화물 나노 입자, 자성 나노 입자일 수 있음)로 데코레이팅 또는 코팅되는 것인, 세라믹 폼의 제조방법. 예를 들면, 세라믹 폼은, 폼을 재료(예를 들면, 나노 입자 전구체, 금속 산화물 나노 입자 전구체일 수 있음)로 함침시킨 후, 모든 정수 ℃ 및 그 사이의 범위를 포함하여 200 내지 1000 ℃로 고체 상태 소결함으로써 인시투 반응을 사용하여 데코레이팅 또는 코팅된다.
서술 32. 서술 31에 있어서, 나노 입자는, 세라믹 폼을 나노 입자 전구체(예를 들면, CuCl2, FeCl3, 등, 및 이들의 조합)로 함침시킴으로써 형성되고, 나노 입자는 나노 입자 전구체의 반응으로부터 형성(예를 들면, 함침된 세라믹 폼을 가열하여 나노 입자를 형성)되고, 나노 복합재가 형성되는 것인, 세라믹 폼의 제조방법.
서술 33. 제1항 내지 제32항 중 어느 한 항에 기재된 방법에 의해 형성되는 실리카 에어로겔.
서술 34. 기공 및 계층적 기공 구배(hierarchical pore gradient)를 갖는(예를 들면, 포함하는) 세라믹 폼(예를 들면, 제1항 내지 제33항 중 어느 한 항에 기재된 방법으로부터 형성되는 세라믹 폼). 상기 기공의 적어도 일부 또는 전체는 상호 연결될 수 있다. 기공(예를 들면, 매크로기공)의 크기는 일반적으로 세라믹 폼의 제1 표면으로부터 상기 제1 표면에 대향하는 제2 표면으로 이동하는 치수를 따라 감소하거나 증가한다. 구배는 선형 구배일 수 있다. 세라믹 폼은 메조기공 및/또는 매크로기공을 포함할 수 있다. 메조기공은 IUPAC에 의해 정의된 메조기공일 수 있다.
서술 35. 서술 34에 있어서, 상기 세라믹 폼은 세라믹 매트릭스를 포함하는 것인, 세라믹 폼. 상기 세라믹 매트릭스는 세라믹 나노 입자로부터 형성될 수 있다. 상기 세라믹 매트릭스는 메조기공일 수 있다.
서술 36. 서술 35에 있어서, 상기 세라믹 폼은 크기(예를 들면, 기공의 축에 평행한 평면에서 측정되는 적어도 하나의 치수(예를 들면, 직경) 및/또는 기공의 축에 수직인 평면에서 측정되는 적어도 하나의 치수(예를 들면, 높이))가 500 미크론 내지 1 미크론(예를 들면, 200 미크론 내지 1 미크론 또는 100 미크론 내지 1 미크론)인 기공(예를 들면, 매크로기공)을 포함하는 것인, 세라믹 폼.
서술 37. 서술 34-36 중 어느 하나에 있어서, 상기 세라믹 폼은 실리카 에어로겔과 유사하거나 실리카 에어로겔이고, 투명한 것인, 세라믹 폼.
서술 38. 서술 34-37 중 어느 하나에 있어서, 상기 세라믹 폼은 하기 특징들: (예를 들면, 실리카 에어로겔)은 90-99% 공기(예를 들면, 적어도 90%, 적어도 95%, 또는 적어도 98% 공기)이고, 바람직한 공극(100 nm 미만), 바람직한 밀도(~ 0.003 g/cm3), 및 바람직한 열 전도도(일반적으로, ~ 0.017 W/mK) 중 하나 이상 또는 전체를 갖는 것인, 세라믹 폼(예를 들면, 실리카 에어로겔).
서술 39. 서술 34-38 중 어느 하나에 있어서, 상기 세라믹 폼(예를 들면, 실리카 에어로겔)은 세라믹 폼의 표면(예를 들면, 외부 표면)의 적어도 일부 또는 전체 위에 배치되는 탄소 함유 재료의 층을 포함하는 것인, 세라믹 폼(예를 들면, 실리카 에어로겔). 예를 들면, 두께(예를 들면, 세라믹 폼의 표면에 수직인 치수)는 10 nm 이하(예를 들면, 0.1 내지 10 nm)이다. 탄소 함유 재료의 비제한적인 예는 탄소 그을음, 알킬 실란기, 첨가제(예를 들면, 계면 활성제) 잔류물(열적 어닐링에 의해 생성될 수 있음)을 포함한다. 층은 연속 층 및/또는 등각 층(conformal layer)일 수 있고/있거나, 바람직하게는 적은 수의 결함을 가질 수 있다(예를 들면, 시각적으로 관찰될 수 있는, 관찰할 수 없는 결함, 결함). 층은 분자층(예를 들면, 소수성기일 수 있는 기의 분자층)일 수 있다. 층은 소수성 외부 표면을 제공할 수 있다. 탄소 재료(예를 들면, 탄소 그을음) 층은 탄소 공급원의 연소에 의해 형성될 수 있다.
서술 40. 서술 34-39 중 어느 하나에 있어서, 상기 세라믹 폼은 세라믹 폼의 표면의 적어도 일부 위에 배치되는 나노 입자를 더 포함하는 것인, 세라믹 폼.
서술 41. 서술 34-39 중 어느 하나에 있어서, 상기 세라믹 폼은 모놀리스(monolith), 프리-스탠딩 막(free-standing film), 또는 기판의 적어도 일부 또는 전체 위에 배치되는 막인 것인, 세라믹 폼. 하나의 예에서, 세라믹 폼은 프리-스탠딩 막(예를 들면, 시트)이다. 하나의 예에서, 막은 바인더(예를 들면, 폴리머 바인더)를 포함하지 않는다. 세라믹 폼(예를 들면, 실리카 에어로겔 재료)바인더의 예는 당업계에 알려져 있다.
서술 42. 서술 41에 있어서, 상기 막은 두께가 ¼ 인치 내지 2 인치인 것인, 세라믹 폼(예를 들면, 실리카 에어로겔).
서술 43. 서술 41 또는 42에 있어서, 상기 막은 기판(예를 들면, 알루미늄 호일, 단열 종이, 섬유, 등)의 표면의 적어도 일부 위에 배치되는 것인, 세라믹 폼(예를 들면, 실리카 에어로겔).
서술 44. 서술 25-29 중 어느 하나에 기재된 방법에 의해 형성된 세라믹 폼 함침된 기판으로서, 상기 함침된 기판은 바람직한 공극(예를 들면, 100 nm 초과) 및/또는 바람직한 전도도(예를 들면, ~ 0.017 W/mK 또는 0.017 W/mK 이하)를 갖는 것인, 세라믹 폼 함침된 기판.
서술 45. 서술 34-42 중 어느 하나에 있어서,
상기 세라믹 폼은 하기:
- 열 안정성 (예를 들면, 적어도 2000 ℃까지의 열 안정성)
- 기계적 강도 (예를 들면, 적어도 100 MPa의 기계적 강도)
- 방음/차음 특성
중 하나 이상 또는 전체를 보이는 것인, 세라믹 폼.
서술 46. 서술 1-32 중 어느 하나에 기재된 방법에 의해 형성되는 실리카 에어로겔 또는 서술 34-45 중 어느 하나에 기재된 세라믹 폼(예를 들면, 실리카 에어로겔). 하나의 예에서, 실리카 에어로겔 막은 프리-스탠딩 막(예를 들면, 시트)이다. 하나의 예에서, 막은 바인더(예를 들면, 폴리머 바인더)를 포함하지 않는다. 실리카 에어로겔 재료의 바인더(예를 들면, 폴리머 바인더)의 예는 당업계에 알려져 있다.
서술 47. 서술 28에 기재된 방법으로부터 형성된 실리카 에어로겔 함침된 기판으로서, 상기 함침된 기판은 바람직한 공극(100 nm 미만) 및 바람직한 전도도(~ 0.017 W/mK)를 갖는다.
하기 실시예는 본 개시 내용을 설명하기 위해 제시된다. 이들 실시예는 임의의 것으로 한정하려는 것은 아니다.
실시예 1
이 실시예는 본 개시 내용의 실리카 에어로겔 재료의 제조 및 이의 특성화에 대한 설명을 제공한다.
1 g의 소듐 바이카보네이트를 7.08 ml 탈이온수와 혼합했다. 4.59 ml 테트라에틸 오르토실리케이트(TEOS) 및 22.34 ml의 순수 에탄올에 첨가했다. 또한, 겔 형성 속도를 높이기 위해 1 ml의 촉매를 첨가했다. 촉매는 1.457 ml 암모늄 하이드록사이드(28%), 0.1g 암모늄 플루오라이드 및 4.35 ml 탈이온수의 혼합물이다. 3분(min = 분) 후, 겔을 탈이온수로 세척한 후, 500 ml 순수 에탄올을 첨가하고, 24시간(h=시간) 동안 담그고 교반했다. 담근 후, 에탄올을 제거했다. 그 후, 10 ml의 TMCS(98%)를 용액에 떨어뜨렸다. 또한, 순수한 에탄올을 첨가했다. 나오는 CO2를 다음 24시간 동안 지속적으로 관측했다. 마지막으로, 겔을 60 ℃ 주위 환경에서 에탄올로 24시간 동안 건조시켜, 에어로겔 생성물을 얻었다.
실시예 2
이 실시예는 본 개시 내용의 실리카 에어로겔 재료의 제조 및 이의 특성화에 대한 설명을 제공한다.
3.3 g의 세틸 트리메틸암모늄 브로마이드(CTAB) 및 33.3 g의 요소를 아세트산 수용액(1 mM, 100 mL)에 용해시킨 후. 20분 동안 교반했다. 그 후, 56.7 mL의 테트라에틸 오르토실리케이트(TEOS)를 첨가했다. 용액을 30분 동안 격렬하게 교반하여, 균일한 기포 에멀젼을 형성하고, 밀봉한 후 60 ℃로 예열된 오븐에 2일 반응 동안 이동시켰다. 제조된 에어로겔을 물로 세척하고, 실온에서 건조시켰다. 생성된 에어로겔은 가벼운 밀도(약 0.15 g/cm3) 및 우수한 단열성을 갖는다.
실시예 3
이 실시예는 본 개시 내용의 실리카 에어로겔 재료의 제조 및 이의 특성화에 대한 설명을 제공한다.
샘플은 반응 혼합물과 접촉하는 기판(Unifrax 종이)과 반응을 실행함으로써 제조했다. 이는 인시투 침투(in-situ infiltration)라고 할 수 있다. SEM; 에너지 분산 X선 분광법(EDX); 및 열 화상을 얻었다(도 2-6).
실시예 4
이 실시예는 본 개시 내용의 실리카 에어로겔 재료의 제조 및 이의 특성화에 대한 설명을 제공한다.
트리메틸클로로실란 (TMCS), (CH3)3SiCl을 실리카겔의 표면 개질에 사용하여, 부산물로 HCl을 생성하고, 이는 소듐 바이카보네이트와 자발적으로 반응하여 인시투로 기공 지지 이산화탄소를 생성했다. 형성된 이산화탄소는 생성된 기포의 압력이 모세관 압력과 반대인 습식 실리카겔에 포획되어, 주위 압력 건조 단계에서 기공 수축 및 붕괴를 방지한다. 사용된 실리카겔 전구체는 수성 테트라에톡시실란(TEOS, Si(OC2H5)4) 및 소듐 바이카보네이트 (NaHCO3) 및 표면 개질에 사용된 트리메틸클로로실란이었다.
에어로겔 단열재의 저비용 생산은 인시투 APD 및 R2R 제조로 예측된다. 잘 규정된 겔은 무기 종이 기질 캐리어 상에 R2R 적층될 수 있다. R2R 제조를 사용한 에어로겔 재료 제조의 핵심은 인쇄에서 강력한 젤 전구체의 제형(formulation)이다. 실리카겔의 유동학적 행태는 전단 박화 거동을 갖는 비뉴턴 액체가 필요한 R2R 공정에서 연속 적층에 중요한 역할을 한다. 웨버 수(Weber number, We) 및 오네조르게(Ohnesorge, Oh) 수(또는 역수 Z)는 안정적인 적층이 달성되는지 예측하는데 사용된다: We=ρυ^2d/ 및 Z=1/Oh=√ρdσ/μ, 이때 υ는 유체 속도이고, d는 노즐 직경이고, σ는 표면 장력이고, μ는 점도이다. 브룩필드(Brookfield) 점도계를 사용하여 겔 점도를 측정했다. 표면 장력은 모세관 상승, γ=1/2 rhρ로 측정되며, 이때 r은 모세관 반경이고, h는 유체 높이이고, 및 ρ는 유체 밀도이다.
BET(Brunauer-Emmett-Teller) 기술로 피팅된 질소 물리 흡착은 실리카 에어로겔의 기공 분포를 탐색하는데 사용된다. 실리카 에어로겔의 N2 흡착-탈착 등온선 플롯은 계층적 기공의 존재와 상대적으로 샤프한 기공 분포(우세한 기공 크기 < 60 nm)를 나타낸다.
기계적 특성은 실리카 에어로겔을 만드는데 중요하다. 응력-변형률 곡선을 연구하기 위해 벌집 모양의 에어로겔 구조를 제작했다. 압축 강도 σ*는 방정식 σ^*/σ_(ts,strut) =C[(ρ^*/ρ_strut)]^c에서 볼 수 있는 샘플의 전체 밀도 ρ*에 크게 영향을 받으며, 이때 σ^*는 압축 강도, σ_( ts,strut)는 벌집을 구성하는 스트럿(strut)의 압축강도이다. 따라서, 에어로겔의 압축 강도는 다공성, 두께 및 길이의 함수이다. 두께는 R2R 인쇄를 통해 맞춤화된다. 다공성은 겔 농도 및 수축에 의해 조정될 수 있다.
단열 성능은 실리카 에어로겔에 대한 메트릭(metric)이다. 3차원으로 제작된 실리카 에어로겔의 단열 성능을 조사했다. 열화상 분석(Thermographic analysis)은, 실리카 에어로겔이 단열재 역할을 하는 것을 나타낸다. 이의 두께에 따라서, 실리카 에어로겔의 단열성은 달라진다. 유효 열 전도도는 유효 매질 침투 이론, λ_eff=1/4 {[λ_p (3v_p-1)+λ_s (3v_s-1)]+[([λ_p (3v_p-1)+λ_s (3v_s-1)]]^2+8λ_p λ_s)]^(1/2)}에 따라 계산할 수 있고, 이때 λ_s 및 λ_p는 고체 및 기공 전도도이고, v_s, v_p는 각각 이들의 부피 분율이다. 이 경우, 실리카 에어로겔의 열전도도는 0.016 W/mK로 추정될 수 있다.
SEM 및 추가적인 실험 데이터를 도 7-22에 도시했다.
실시예 5
이 실시예는 본 개시 내용의 세라믹 폼 재료의 제조 및 이의 특성화에 대한 설명을 제공한다.
기공 구배 실리카 에어로겔 유사 폼 모놀리스(PGAeros)를 설계 및 합성했으며, 이때 계층적 중공 구조와 구배 기공 크기는 아세트산, 요소 및 세트리모늄 브로마이드 (CTAB)의 가수 분해에 의해 제어된다. CTAB 미셀 네트워크와 요소의 열분해로 인한 인시투 가스 기포 형성은 각각 PGAeros에서 계층적 기공 및 기공 구배의 형성을 안내한다. 합성된 실리카 단열재는 열전도도가 0.040 W m-1 K-1 만큼 낮은 열전도도와 100.56 MPa 압축 강도의 기계적 무결성으로 우수한 단열 및 방음 및 내화 성능을 보여, 목적하는 형상 및 기하학에 대한 추가 성형 및 맞춤이 가능하다. 또한, 음향 성능은 기준 단열 폼에 비해 우수한 방음 특성(2000 Hz의 주파수에서 15 mm 두께에서 28.3 % 또는 22.3 db 감소)을 나타내는 다양한 주파수에서 시험된다.
결과 및 논의. 도 23a의 도식은, 손쉬운 원-포트(one-pot) 합성에 의해 달성되는 계층적 중공 구조 실리카 PGAeros의 형성을 보여준다. 계면 활성제 CTAB는 TEOS와 물의 혼합 용액에서 미셀을 형성하는데 사용된다. TEOS의 가수분해는 형성된 미셀의 쉘에서 진행되며, 이는 실리카 쉘의 형성으로 이어지는 템플릿 역할을 한다. 요소 첨가는 용액 pH를 높여 실리콘 알콕사이드의 중합을 촉진하는 반면에, 암모니아(NH3)와 이산화탄소(CO2)로의 열 가수분해로 인해 인시투 폼으로 작용할 수 있다. 형성된 실리카 PGAeros는 낮은 질량 밀도로 인해 수면 상에 부유된다. 요소의 지속적인 분해와 그 후 인시투 이산화탄소 및 암모니아 가스 기포의 방출은 반응 챔버의 상부에 고압을 형성하고, 이는 PGAeros에서 기공 구배를 초래하는 상부에서 하부로의 발포 과정으로 이어진다. 도 23b는 성장된 불투명한 실리카 PGAeros의 일반적인 사진을 보여주며, 이는 추가 연구를 위해 목적하는 형상으로 커팅 및 연마될 수 있다(도 23c 참조). 기공 구배는 주사 전자 현미경(SEM) 이미지(도 23d)에서 쉽게 관측될 수 있으며, 위에서 아래로 평균 기공 크기의 증가를 나타내며, 기공의 치수는 화학 농도, 반응 온도 및 시간과 같은 반응 조건에 따라 달라진다(이들은 다음 섹션에서 논의됨). 아래에서 위까지 PGAeros의 평균 기공 크기는 TEOS:CTAB:Urea=27.8:1:60.7의 비율에서 33.3 μm에서 174.8 μm로 증가하는 것으로 계산되었다(도 23d에 삽입). 큰 기공과 작은 기공 영역에서 PGAeros의 고해상도 SEM 이미지는 각각 도 23e와 1f에 도시된다. 또한, 합성된 실리카 PGAeros는 피크노미터로 94.1%의 공극률과 0.128 g cm-3의 저밀도를 나타낸다. PGAeros의 단단한 네트워크는 나노스케일 실리카 입자로 구성되며, 이는 투과 전자 현미경(TEM)으로 더욱 특징지어 진다. 도 23g 및 h에 도시된 바와 같이, 각 입자 내 다수의 미세기공은 명확하게 관측되는데, 이는 CTAB 분자의 템플릿 효과로 인한 것으로 추정된다. 따라서, 실리카 네트워크 내부에 구배 거대기공 및 메조기공이 있는 계층적 중공 구조로 인해 높은 공극률 및 낮은 밀도를 갖는 실리카 PGAeros를 얻었으며, 이는 제한된 기체 열전도 및 높은 포논 산란을 갖는 합성된 그대로의 실리카 PGAero를 렌더링하여, 높은 단열 성능을 생성할 것으로 예측될 수 있다.
PGAeros의 기공 구배 형성을 이해 및 제어하기 위해, 24시간, 48시간 및 72시간의 더 짧은 반응 기간(각각 PGAero-2, PGAero-3, PGAero-4로 지정됨)으로 PGAero를 합성하기 위한 일련의 실험이 설계되었다. 기공 구배(PGAero-1이라고 함)로 96시간의 반응 시간에 의해 합성된 원본 샘플과 비교하여, 24시간까지의 실리카 PGAeros는 27.5 μm의 균일한 기공 크기와 9.4 μm의 표준 편차를 갖는다(도 27a, b). 반응 시간이 48시간으로 증가함에 따라, PGAeros의 구배 기공이 점차 형성되어, 도 24a에서와 같이 기공 편차가 더 커진다. 반응 시간이 72시간으로 증가하면, PGAeros의 기공 크기는 85.3μm의 훨씬 더 큰 편차로 15 μm에서 300 μm의 넓은 범위를 보여준다(도 24b). 실리카 PGAeros의 공극률은 실리카의 지속적인 성장으로 인해 반응 시간을 증가시킴으로써 약간 감소하면서 약 80%를 유지한다(도 28). 기공 크기가 증가하고 공극률이 감소함에 따른 기공 구배는, 단열 성능에 대한 경쟁 효과를 보여준다. 24시간에서 48시간으로 합성된 실리카 PGAeros의 공극률 감소는 주로 0.049 W m-1 K-1에서 0.060 W m-1 K-1로 열전도도를 증가시킨다. 한편, 증가된 기공 크기에 따른 기공 구배는 단열 성능을 지배하여, 0.054 W m-1 K-1의 낮은 열전도도로 이어진다. 반응 시간을 추가로 증가시키면, 실리카 PGAero가 0.040 W m-1 K-1의 최저 열전도도를 갖게 해준다(도 24c).
평균 기공 크기 및 공극률은 반응 조건과 PGAeros의 열전도도의 상관 관계를 조정함으로써 조사했다(도 29). 실리카 PGAeros의 일반적인 SEM 단면 이미지는 도 25a-3f에 도시된다. 각 샘플의 평균 기공 크기는 도 30a-g에 도시된 바와 같이 SEM 이미지를 통해 100개 이상의 기공을 계산하여 계산했다. 1.4 mol L-1의 PGAero-1 샘플(평균 기공 크기 138.3 μm 및 공극률 94.1%)에서 PGAero-5 및 PGAero-6에 해당하는 2.1 mol L-1 및 2.8 mol L-1로 TEOS의 농도를 증가시키면, 85.0 μm 및 68.4 μm의 향상된 평균 기공 크기와 89% 및 88%의 공극률을 초래한다(도 25a-c). TEOS 농도의 증가는 평균 기공 크기와 공극률을 감소시켜, 고밀도 실리카 PGAeros를 생성하여, 0.040 W m-1 K-1에서 0.049 W m-1 K-1(PGAero-5) 및 0.055 W m-1 K-1(PGAero-6)의 더 높은 열 전도도를 제공한다. 열전도도의 증가는 주로 고-성분 실리카 네트워크를 통한 고체 열 전달의 증가 때문이다. CTAB의 농도는 초기에 실리카 PGAeros의 기공 크기를 결정하며, 이때 CTAB 성분이 적을수록 도 25a 및 25d(PGAero-7)를 비교함으로써 PGAeros의 평균 기공 크기가 더 작아진다. 요소 첨가는 광물화 화학물질 및 인시투 가스 기포 발포제로 작용하므로, 요소 첨가를 증가시키면 기공 크기가 커지고 질량 밀도가 작아질 수 있다. 도 25f 및 25g에 도시된 바와 같이, 요소를 1.5 mol L-1 (PGAero-8)에서 4.5 mol L-1 (PGAero-9)로 변경하면, 형성된 실리카 PGAeros의 기공 크기가 38.65 μm에서 110.39 μm로 상당히 증가할 수 있다. 단열 성능은 실리카 PGAeros의 기공 크기 및 공극률과 높은 상관 관계가 있다. 도 25g는 기공 크기와 공극률에 따라 다양한 실리카 PGAeros의 열전도도를 보여준다. 더 큰 기공 크기와 높은 공극률은 PGAeros의 낮은 열전도도를 가져온다. 0.040 W m-1 K-1의 최저 열전도도는 TEOS:CTAB:요소=27.8:1:60.7로 합성된 실리카 PGAeros에 의해 달성될 수 있다.
실리카 에어로겔의 기계적 안정성은 대규모 상업적 적용에 핵심이다. 구배 기공 구조는 기계적 성능을 최적화하는데 큰 이점이 있는 것으로 보고되었다. 모놀리식 형태로 합성된 기공 구배를 갖는 실리카 PGAeros는 단축 압축 시험을 특징으로 하는 높은 기계적 강도를 갖는다(도 31). 실리카 PGAero-1의 응력-변형률 곡선은 81.33 MPa의 높은 영률로 높은 기계적 강도를 나타내며, 2시간 동안 400 ℃에서 어닐링 후 처리에 의해 100.56 MPa까지 추가로 증가시킬 수 있다(도 26a 및 32a-c). 도 26a의 삽도는 어닐링 전(위)과 후(아래)에 실리카 PGAeros의 SEM 이미지를 보여주며, 견고한 기공 구조는 실리카 PGAeros를 우수한 기계적 무결성을 갖도록 해준다. 어닐링 전과 후의 실리카 PGAeros는 각각 0.040 W m-1 K-1 및 0.044 W m-1 K-1의 열전도도를 갖는다. 어닐링 처리는 단열 성능을 손상시키지 않고 기계적 특성을 향상시킨다. 중요하게도, 기계적으로 견고한 폼은 도 33에서와 같이 1000 ℃에서 24시간 동안 장기간 어닐링한 후 0.060 W m-1 K-1의 낮은 열전도도를 유지할 수 있다. 높은 기계적 견고성과 열 안정성은 합성 실리카 PGAero가 극한 환경에 적용되는 단열재의 요구 사항이 증가함에 따라 큰 가능성이 보이도록 해준다.
방음용 방음재는 초단열재 응용 분야에서 중요한 역할을 한다. 음파와 열은 모두 도 26b에 도시된 바와 같이 기공 구배 구조를 가진 실리카 PGAero에 의해 크게 감소될 수 있다. 임의의 샘플(블랭크 대조군)이 없이 실리카 PGAeros 및 폴리스티렌 참조를 통해 감지된 음향 강도를 도 34에 도시된 바와 같이 플로팅했다. 또한, 폴리우레탄, 케블라(Kevlar) 및 두 가지 유형의 세라믹 섬유 블랭킷과 같은 몇 가지 상업적 방음 재료가 일반적으로 사용된다. 실리카 PGAero는 전체 주파수 범위 (500 Hz 내지 1800 Hz)에 걸쳐 낮은 감지된 음향 강도를 보였고, 이는 도 26c에 도시된 일반적으로 사용되는 모든 상업용 방음재와 비교하여 훨씬 더 나은 방음 성능을 나타낸다. 두께 0.014 m의 실리카 PGAeros는 500 Hz, 800 Hz 및 2000 Hz의 서로 다른 주파수에서 참조 PS 폼과 비교하여 우수한 방음 성능을 보였으며, 이는 각각 10.9%, 12.0% 및 28.4%의 소음 감소를 나타낸다 (도 26e, 35a, b). 특히 2000 Hz의 음향 주파수 하에서, 도 26d). 두께와 무관한 방음 성능을 보정하기 위해, 소음 감소를 샘플 두께로 나누어 방음 계수를 정의했다. 실리카 PGAeros의 방음 계수는 각각 500 Hz, 800 Hz 및 2000 Hz에서 참조 샘플보다 각각 2.7배, 2.0배 및 18.2배 더 높은 것으로 나타났다. 기계적 및 음향적 방음 특성 이외에도, 습한 환경 하에서 실리카 PGAeros의 흡습 성능을 조사했다. 초기 열전도도가 0.045 W m-1 K-1 및 0.052 W m-1 K-1인 두 종류의 PGAeros를 각각 습도 60% 및 80%에서의 흡습성 실험을 위해 선택했다. 높은 습도 조건은 열전도도을 증가시켜, 60 ℃에서 건조 후 회복될 수 있다(도 36). 사이클링 실험은, PGAeros의 열전도도가 16% 미만의 손실로 초기 지점으로 복원될 수 있음을 보여준다.
열 및 음향 초전열을 위한 바람직한 공극률과 바람직한 기공 구배를 가진 경량 실리카 PGAeros가 개발되었다. 실리카의 미셀 매개 성장과 요소의 열 가수분해로 인한 가스 발포 과정은 함께 기공 생성 및 구배 형성을 유도한다. 독특한 기공 구조와 세라믹 특성을 가진 잘 설계된 모놀리식 기하학 형상은 0.040 W m-1 K-1만큼 낮은 열전도도와 100.56 MPa의 압축 강도의 높은 기계적 무결성으로 넓은 온도 범위에서 우수한 단열 및 내화 성능을 PGAero에 제공한다. 또한, 이러한 실리카 PGAeros는 참조 단열재 폼보다 2,000 Hz 더 높은 주파수에서 15 mm의 두께에서 28.3%, 또는 22.3 db로 소음 감소로 다양한 주파수에서 우수한 방음 특성을 나타낸다. 또한, 습한 환경 하에서의 안정성은 장기간에 걸쳐 신뢰할 수 있는 것으로 입증되었다. 단열 및 방음 성능이 높으면서도 열전도도를 유지하는 재료는 차세대 건축 자재 및 기타 응용 분야에 적합할 것으로 예측된다.
재료 및 실험. 실험: 제조: 3 mol L-1 g 요소 (Sigma-Aldrich), 0.3 mol L-1 CTAB (VWR), 증류수로 용해된 1 mmol 아세트산 (EMD Millipore Corporation)를 비커에 100 ml까지 첨가하여, 모두 투명한 용액이 될 때까지 3시간 동안 교반했다. 그 후, 1.4 mol L-1 TEOS(Sigma-Aldrich)를 용액에 첨가했다. 10분 동안 계속 교반했고, 용액은 균질한 반투명으로 변했다. 그 후, 용액을 플라스틱 병에 옮기고, 용기를 단단히 밀봉했다. 그 후, 용기를 4일 동안 60 ℃로 예열한 오븐에 넣었다. 이러한 겔화 과정을 거친 후, 샘플을 용기에서 꺼내어 60 ℃로 예열된 증류수에 이틀 동안 담았다. 이러한 세척 과정 동안, 상층액이 깨끗해지고 모든 암모니아가 제거될 때까지, 물을 여러 번 교체했다. 샘플은 세척 단계가 완료된 직후 건조 목적을 위해 이틀 동안 60 ℃로 예열된 오븐에 넣었다.
특성화: 가정 맞춤형 열전도도 측정은 ASTM C518 표준 열전도도 절차를 따랐다. Fluxtaq 사에서 구입한 열 유속 센서를 사용하고, 참조용 폴리스티렌 상용 단열재로 보정했다.
음향 시험, 내부에 방음재가 있는 가정 맞춤형 음향 박스 및 Kasuntest에서 구입한 음향 감지기. 다양한 주파수 하에서 다양한 두께 샘플 테스트는 음원에 의해 생성된다.
샘플의 고체 부분의 부피를 얻기 위해 챔버의 다공성 샘플을 관통하기 위해 헬륨 가스를 사용하는 피크노미터 시험. 샘플의 고체 부분을 알고 있으면, 실리카 폼 샘플의 공극률을 계산할 수 있다.
기계적 시험, 원래의 실리카 폼 샘플과 여러 사이클링 시간과 다른 하중 하에서 압축 테스트를 한 400 ℃ 열 합성 후 벌크 샘플.
습도 에이징(aging) 사이클링 시험은 샘플의 열전도도를 측정한다. 샘플을 24시간 동안 각각의 습한 환경에 놓고, 예열된 오븐에서 추가로 24시간 동안 건조시키고 사이클링을 반복했다.
실시예 6
이 실시예는 본 개시 내용의 세라믹 폼 재료의 제조 및 이의 특성화에 대한 설명을 제공한다.
실험 모드: 3 mol L-1 g 요소 (Sigma-Aldrich), 0.3 mol L-1 CTAB, 세틸트리메틸암모늄 브로마이드 (VWR)/SDS, 소듐 도데실 설페이트 (Sigma-Aldrich), 증류수로 용해된 1 mmol 아세트산 (EMD Millipore Corporation)를 비커에 100 ml까지 첨가하여, 모두 투명한 용액이 될 때까지 3시간 동안 교반했다. 그 후, 1.4 mol L-1 TEOS(Sigma-Aldrich)를 용액에 첨가했다. 10분 동안 계속 교반했고, 용액은 균질한 반투명으로 변했다. 그 후, 용액을 알루미늄 용기에 옮기고, 용기를 단단히 밀봉했다. 그 후, 용기를 4일 동안 60 ℃로 예열한 오븐에 넣었다. 이러한 겔화 과정을 거친 후, 샘플(모놀리스 및 겔)을 용기에서 꺼내어 60 ℃로 예열된 증류수로 채워진 용기에 이틀 동안 담았다. 이러한 세척 과정 동안, 상층액이 깨끗해지고 모든 암모니아가 제거될 때까지, 물을 여러 번 교체했다. 샘플(겔)을 추가 적용을 위해 밀봉된 용기에 저장했다.
도 37은 개략적인 세라믹 폼 제조 공정을 도시한다. 도 38-41은 실시예에서 만들어진 세라믹 폼의 예의 다양한 특성화를 도시한다.
본 개시 내용은 하나 이상의 특정 양태 및/또는 실시예와 관련하여 기술되었지만, 본 개시 내용의 범위를 벗어나지 않고 본 개시 내용의 다른 양태 및/또는 실시예가 이루어질 수 있음이 이해될 것이다.

Claims (54)

  1. 세라믹 폼(ceramic foam)의 제조방법으로서, 상기 방법은,
    하나 이상의 세라믹 전구체(들);
    하나 이상의 기공-형성 가스 형성 첨가제(pore-forming gas-forming additive)(들);
    하나 이상의 촉매(들); 및
    임의로, 하나 이상의 첨가제(들);를 밀폐된 환경에서 접촉시키는 단계를 포함하고,
    이때 상기 접촉은 불활성 가스를 형성시키고, 세라믹 폼이 형성되는 것인, 세라믹 폼의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 접촉은 상당량의 상기 하나 이상의 세라믹 전구체(들) 및/또는 하나 이상의 기공-형성 가스 형성 첨가제(들) 및/또는, 존재하는 경우, 상기 하나 이상의 첨가제(들)가 반응하기 전에 1-100 psi의 내부 압력에서 수행되는 것인, 세라믹 폼의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 세라믹 전구체(들)는 실리카 전구체(들), 알루미나 전구체(들), 전이 금속 산화물 전구체(들), 및 이들의 조합으로부터 선택되는 것인, 세라믹 폼의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 실리카 전구체(들)는 테트라알콕시실란(tetraalkoxysilane), 알킬트리알콕시실란(alkyltrialkoxysilane), 소듐 메타실리케이트(sodium metasilicate), 알킬 및 이들의 조합으로부터 선택되는 것인, 세라믹 폼의 제조방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 알루미나 전구체(들)은 알루미늄 알콕사이드, 알루마트랜 (alumatrane), 또는 트리스(알루마트라닐옥시-i-프로필)아민 (tris(alumatranyloxy-i-propyl)amine), 및 이들의 조합으로부터 선택되는 것인, 세라믹 폼의 제조방법.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 전이 금속 산화물 전구체(들)는 전이 금속 알콕사이드로부터 선택되는 것인, 세라믹 폼의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 촉매(들)는 염기 촉매인 것인, 세라믹 폼의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 염기 촉매는 암모니아, 암모늄 플루오라이드, 암모늄 하이드록사이드, 요소(urea), 세틸트리메틸암모늄 브로마이드, 및 이들의 조합으로부터 선택되는 것인, 세라믹 폼의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 촉매(들)는 산 촉매인 것인, 세라믹 폼의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 산 촉매는 양성자산, 할로겐화 수소산(hydrohalic acid), 및 이들의 조합으로부터 선택되는 것인, 세라믹 폼의 제조방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 기공-형성 가스 형성 첨가제(들)는 소듐 바이카보네이트(sodium bicarbonate), 요소(urea), 및 이들의 조합으로부터 선택되는 것인, 세라믹 폼의 제조방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 첨가제(들)는 세틸트리메틸암모늄 브로마이드(cetyltrimethylammonium bromide, CTAB), 요소, 및 이들의 조합으로부터 선택되는 것인, 세라믹 폼의 제조방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 세라믹 전구체(들), 하나 이상의 기공-형성 가스 형성 첨가제(들), 및 임의로 하나 이상의 첨가제(들)가 접촉된 후, 상기 하나 이상의 촉매(들)가 하나 이상의 세라믹 전구체(들), 하나 이상의 기공-형성 가스 형성 첨가제(들), 및 임의로 하나 이상의 첨가제(들)과 접촉되는 것인, 세라믹 폼의 제조방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 접촉은,
    물, 용매, 또는 이들의 조합 중에 배치될 수 있는 하나 이상의 세라믹 전구체(들);
    물 중에 배치될 수 있는 하나 이상의 기공-형성 가스 형성 첨가제(들);
    물 중에 배치될 수 있는 하나 이상의 촉매(들);를 혼합하는 것을 포함하는 것인, 세라믹 폼의 제조방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 세라믹 전구체(들) 각각은 세라믹 전구체(들), 촉매(들), 기공-형성 가스 형성 첨가제(들), 및 존재하는 경우, 첨가제(들)의 총 중량을 기준으로 2 내지 10 중량%로 존재하는 것인, 세라믹 폼의 제조방법.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 기공-형성 가스-형성 첨가제(들)는 세라믹 전구체(들), 촉매(들), 기공-형성 가스 형성 첨가제(들), 및 존재하는 경우, 첨가제(들)의 총 중량을 기준으로 0.4 내지 2 중량%로 존재하는 것인, 세라믹 폼의 제조방법.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 촉매(들)는 세라믹 전구체(들), 촉매(들), 불활성 가스 생성제(inert gas-generating agent)(들), 및 존재하는 경우, 첨가제(들)의 총 중량을 기준으로 1 내지 2 중량%로 존재하는 것인, 세라믹 폼의 제조방법.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 첨가제(들)는 세라믹 전구체(들), 촉매(들), 및 기공-형성 가스 형성 첨가제(들)의 총 중량을 기준으로 200 내지 1000 중량%로 존재하는 것인, 세라믹 폼의 제조방법.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹 전구체(들): 기공-형성 가스 형성 첨가제(들): 촉매(들): 첨가제(들)의 비는 5:1:1:50인 것인, 세라믹 폼의 제조방법.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 접촉은 1분 내지 96시간 동안 실온 내지 70 ℃의 온도에서 수행되는 것인, 세라믹 폼의 제조방법.
  21. 제1항에 있어서,
    상기 방법은 세라믹 폼으로부터 교환하는 단계를 포함하는 것인, 세라믹 폼의 제조방법.
  22. 제1항에 있어서,
    상기 방법은 세라믹 폼을 세척하는 단계를 더 포함하는 것인, 세라믹 폼의 제조방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 세척은 세라믹 폼을 수용액과 접촉시키는 것을 포함하는 것인, 세라믹 폼의 제조방법.
  24. 제1항에 있어서,
    상기 방법은, 세라믹 폼을 알콜로 세척하는 단계 및/또는 세라믹 폼을 건조시키는 단계를 더 포함하는 것인, 세라믹 폼의 제조방법.
  25. 제1항에 있어서,
    상기 방법은, 세라믹 폼의 표면의 적어도 일부 또는 전체 위에 배치되는 소수성 탄소-함유 재료의 층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것인, 세라믹 폼의 제조방법.
  26. 제1항에 있어서,
    상기 방법은, 세라믹 폼으로부터 막(film)을 형성하는 단계를 포함하는 것인, 세라믹 폼의 제조방법.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 막은 기판 상에 형성되는 것인, 세라믹 폼의 제조방법.
  28. 제26항에 있어서,
    상기 형성은 연속 공정인 것인, 세라믹 폼의 제조방법.
  29. 제26항에 있어서,
    상기 형성은 닥터 블레이딩(doctor blading), 드롭 캐스팅(drop casting), 또는 적층 제조(additive manufacturing)에 의해 수행되는 것인, 세라믹 폼의 제조방법.
  30. 제26항에 있어서,
    상기 막은 하나 이상의 세라믹 전구체(들), 하나 이상의 기공-형성 가스 형성 첨가제(들), 하나 이상의 촉매(들), 임의로 하나 이상의 첨가제(들)를 포함하는 반응 혼합물의 겔화된 형태(gelled form)의 스프레이 코팅으로 형성되는 것인, 세라믹 폼의 제조방법.
  31. 제1항에 있어서,
    상기 방법은, 기판을 세라믹 폼으로 함침(impregnating)시키는 단계를 더 포함하는 것인, 세라믹 폼의 제조방법.
  32. 제1항에 있어서,
    상기 방법은, 세라믹 폼의 표면의 적어도 일부를 데코레이팅(decorating) 또는 코팅하는 단계를 더 포함하는 것인, 세라믹 폼의 제조방법.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 세라믹 폼은 재료로 데코레이팅 또는 코팅되는 것인, 세라믹 폼의 제조방법.
  34. 제33항에 있어서,
    상기 재료는 하나 이상의 나노 입자(들)인 것인, 세라믹 폼의 제조방법.
  35. 제34항에 있어서,
    상기 나노 입자는 세라믹 폼을 나노 입자 전구체로 함침시킴으로써 형성되고, 나노 복합재가 형성되는 것인, 세라믹 폼의 제조방법.
  36. 기공 및 계층적 기공 구배(hierarchical pore gradient)를 포함하는 세라믹 폼으로서,
    상기 기공의 적어도 일부 또는 전체는 상호 연결될 수 있는 것인, 세라믹 폼.
  37. 제36항에 있어서,
    상기 기공의 크기는 일반적으로 세라믹 폼의 제1 표면으로부터 상기 제1 표면에 대향하는 제2 표면으로 이동하는 치수를 따라 감소 또는 증가하는 것인, 세라믹 폼.
  38. 제36항에 있어서,
    상기 세라믹 폼은 세라믹 매트릭스를 포함하는 것인, 세라믹 폼.
  39. 제36항에 있어서,
    상기 기공은 크기가 500 미크론 내지 1 미크론인 것인, 세라믹 폼.
  40. 제36항에 있어서,
    상기 세라믹 폼은 실리카 에어로겔과 유사하고, 투명한 것인, 세라믹 폼.
  41. 제36항에 있어서,
    상기 세라믹 폼은 90-99% 공기인 것인, 세라믹 폼.
  42. 제36항에 있어서,
    상기 세라믹 폼은 100 nm 미만인 공극(porosity)을 갖는 것인, 세라믹 폼.
  43. 제36항에 있어서,
    상기 세라믹 폼은 밀도가 약 0.003 g/cm3인 것인, 세라믹 폼.
  44. 제36항에 있어서,
    상기 세라믹 폼은 열 전도도가 약 0.017 W/mK인 것인, 세라믹 폼.
  45. 제36항에 있어서,
    상기 세라믹 폼은 세라믹 폼의 표면의 적어도 일부 또는 전체 위에 배치되는 탄소 함유 재료의 층을 포함하는 것인, 세라믹 폼.
  46. 제36항에 있어서,
    상기 세라믹 폼은 세라믹 폼의 표면의 적어도 일부 위에 배치되는 나노 입자를 더 포함하는 것인, 세라믹 폼.
  47. 제36항에 있어서,
    상기 세라믹 폼은 모놀리스(monolith), 프리-스탠딩 막(free-standing film), 또는 기판의 적어도 일부 또는 전체 위에 배치되는 막인 것인, 세라믹 폼.
  48. 제47항에 있어서,
    상기 막은 두께가 ¼ 인치 내지 2 인치인 것인, 세라믹 폼.
  49. 제47항에 있어서,
    상기 막은 기판의 표면의 적어도 일부 위에 배치되는 것인, 세라믹 폼.
  50. 제36항에 있어서,
    상기 세라믹 폼은 적어도 2000 ℃까지 열 안정성을 나타내는 것인, 세라믹 폼.
  51. 제36항에 있어서,
    상기 세라믹 폼은 적어도 100 MPa의 기계적 강도를 나타내는 것인, 세라믹 폼.
  52. 제36항에 있어서,
    상기 세라믹 폼은 방음/차음 특성을 나타내는 것인, 세라믹 폼.
  53. 세라믹 폼 함침된 기판(ceramic foam impregnated substrate)으로서,
    상기 함침된 기판은 100 nm 초과의 공극(porosity)을 갖는 것인, 세라믹 폼 함침된 기판.
  54. 세라믹 폼 함침된 기판으로서,
    상기 함침된 기판은 전도도가 0.017 W/mK 이하인 것인, 세라믹 폼 함침된 기판.
KR1020217025624A 2019-01-12 2020-01-13 세라믹 폼, 이의 제조방법, 및 이의 용도 KR20210132031A (ko)

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