KR20240052828A - 저 압축 영구 변형 에어로겔 및 에어로겔 복합재 및 제조 방법 - Google Patents

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오웬 에반스
조지 굴드
존 윌리엄스
데이비드 미할식
캐서린 데크레프트
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아스펜 에어로겔, 인코포레이티드
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Abstract

본 개시내용은 일반적으로 에어로겔 기술에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 다양한 구체예에서 본 개시내용은 에어로겔을 제조하기 위한 개선된 방법 및 낮은 압축 영구 변형을 갖는 개선된 에어로겔 복합재에 관한 것이다.

Description

저 압축 영구 변형 에어로겔 및 에어로겔 복합재 및 제조 방법
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2021년 12월 17일에 출원되었고 "저 압축 영구 변형 에어로겔 및 에어로겔 복합재 및 제조 방법"이라는 제목의 미국 가특허 출원 번호 63/290,977 및 2022년 12월 9일에 출원되었고 "저 압축 영구 변형 에어로겔 및 에어로겔 복합재 및 제조 방법"이라는 제목의 미국 가특허 출원 번호 63/386,892에 대한 우선권 및 이익을 주장하고, 각각은 그 전체가 참조로 본 명세서에 포함된다.
기술분야
본 발명은 일반적으로 에어로겔 기술에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 다양한 구체예에서 본 발명은 에어로겔을 제조하기 위한 개선된 방법 및 낮은 압축 영구 변형을 갖는 개선된 에어로겔 복합재에 관한 것이다.
저밀도 에어로겔 재료는 이용 가능한 최고의 고체 절연체로 널리 간주된다. 에어로겔은 주로 전도(낮은 구조 밀도로 인해 고체 구조를 통한 에너지 전달에 구불구불한 경로가 발생함), 대류(큰 기공 부피와 매우 작은 기공 크기로 인해 최소 대류가 발생함) 및 방사선(IR 흡수 또는 산란 도펀트가 에어로겔 매트릭스 전체에 쉽게 분산된다)를 최소화하여 절연체 역할을 한다. 에어로겔은 가열 및 냉각 단열, 음향 단열, 전자 유전체, 항공우주, 에너지 저장 및 제조 및 여과:를 포함하는 광범위한 응용 분야에 사용할 수 있다. 또한 에어로겔 재료는 다양한 단열 및 비절연 응용 분야에서 유용하게 사용할 수 있도록 하는 다양한 흥미로운 음향, 광학, 기계적 및 화학적 특성을 나타낸다.
에어로겔은 일반적으로 겔로부터 액체상을 추출함으로써 형성된다. 겔로부터 액상 추출은 습윤 겔의 다공성 네트워크 및 골격에 대한 수축을 최소화하는 방식으로 수행된다. 그러나 생성된 에어로겔은 깨지기 쉽고 부서지기 쉬운 경향이 있다. 에어로겔 복합재는 에어로겔 재료의 유연성 및/또는 강도와 같은 특성을 향상시키는 강화 재료를 포함하는 에어로겔이다. 그러나 이러한 복합 에어로겔은 여전히 높은 압축 영구 변형으로 인해 어려움을 겪을 수 있다. 에어로겔 및 에어로겔 복합재의 높은 압축 영구 변형과 같은 결함을 개선하는 것이 바람직하다.
요약
본 발명의 목적은 위에서 언급된 이전 방법 및 재료의 적어도 하나의 단점을 제거하거나 완화하는 것이다. 본원에 제공된 방법 및 재료는 에어로겔 및 에어로겔 복합재의 압축 영구 변형 특성을 개선하도록 설계되었다.
본 개시내용의 한 양상에서, 에어로겔 또는 에어로겔 복합재의 압축 영구 변형은 약 200℃ 내지 400℃의 온도에서 10% 초과의 산소를 포함하는 분위기 하에서 에어로겔을 가열함으로써 개선될 수 있다. 생성된 열처리된 에어로겔은 향상된 압축 영구 변형 특성을 갖는다. 본 발명의 한 양상에서, 에어로겔 또는 에어로겔 복합재는 ASTM D3574 - 테스트 D에 의해 결정된 15% 초과의 압축 영구 변형을 갖는다. 산소 함유 분위기에서 열처리 후, 에어로겔의 압축 영구 변형은 ASTM D3574 - 테스트 D에 따라 결정된 15% 이하로 향상된다. 에어로겔 또는 에어로겔 복합재를 가열하는 동안 온도는 400°C 미만의 온도로 제한된다.
본 발명의 한 양상에서, 가열이 수행되는 분위기는 약 15% 내지 약 25%의 산소를 포함한다. 본 발명의 바람직한 양상에서, 분위기는 공기이다.
본 발명의 한 양상에서, 에어로겔 또는 에어로겔 복합재의 압축 영구 변형의 개선은 에어로겔 또는 에어로겔 복합재를 약 200℃ 내지 400℃의 온도에서 약 30초 이상 동안 가열함으로써 달성된다. 본 발명의 한 양상에서, 에어로겔 또는 에어로겔 복합재는 30초 내지 3시간 동안 가열된다.
본 개시내용의 한 양상에서, 에어로겔 또는 에어로겔 복합재는 실리카를 포함한다. 에어로겔 또는 에어로겔 복합재는 또한 염기를 포함할 수 있다. 염기는 에어로겔에 남아 있는 에어로겔 전구체 겔의 겔 형성을 촉매하기 위해 겔 형성 재료에 첨가된 염기일 수 있다. 본 발명의 한 양상에서, 염기는 아민 염기이다. 에어로겔은 염기를 약 0.5% 이상 포함할 수 있다. 본 발명의 한 양상에서, 에어로겔은 0.5% 내지 약 10%의 염기를 포함할 수 있다. 에어로겔 또는 에어로겔 복합재를 열처리하면 에어로겔에서 염기의 일부가 제거된다. 본 발명의 한 양상에서, 열처리 전 에어로겔 또는 에어로겔 복합재 내의 염기의 양은 열처리 후 에어로겔 또는 에어로겔 복합재 내의 염기의 양보다 더 많다.
본 발명의 한 양상에서, 에어로겔은 에어로겔과 강화 재료로 구성된 에어로겔 복합재이다. 본 발명의 한 양상에서, 강화 재료는 섬유 강화 재료이다. 에어로겔 복합재는 또한 불투명화 첨가제를 포함할 수 있다. 예시적인 불투명화 첨가제는 탄화붕소(B4C), 규조토, 망간 페라이트(MnFe2O4), 산화망간(MnO), 산화니켈(NiO), 산화주석(SnO), 산화은(Ag2O), 비스무스 산화물(Bi2O3), 티타늄 카바이드(TiC), 텅스텐 카바이드(WC), 규소 카바이드(SiC), 카본 블랙, 티타늄 산화물(TiO2), 철 티타늄 산화물(FeTiO3), 지르코늄 규산염(ZrSiO4), 지르코늄 산화물(ZrO2), 산화철(II)(FeO), 산화철(III)(Fe2O3), 이산화망간(MnO2), 산화철티타늄(일메나이트, FeTiO3), 산화크롬(CrO2), 또는 이들의 혼합물을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다. 본 발명의 바람직한 양상에서, 에어로겔 복합재는 불투명 첨가제로서 탄화규소를 포함한다.
본원에 기술된 방법은 개선된 압축 영구 변형을 갖는 에어로겔 및 에어로겔 복합재를 형성하는 데 사용될 수 있다. 이러한 개선된 에어로겔 및 에어로겔 복합재는 다양한 응용 분야에 사용될 수 있다. 본 발명의 한 양상에서, 개선된 에어로겔 및 에어로겔 복합재는 전기 저장 시스템의 절연 배리어에 사용될 수 있다.
본 개시내용의 또 다른 양상에서, 개선된 에어로겔 또는 에어로겔 복합재를 포함하는 절연 배리어가 배터리 모듈에 사용될 수 있다. 배터리 모듈은 복수의 배터리 셀과 인접한 배터리 셀 사이에 배치된 하나 이상의 절연 배리어를 포함한다. 배터리 모듈은 전력 시스템에 사용될 수 있다.
본 발명의 한 양상에서 장치 또는 차량은 개선된 에어로겔 또는 에어로겔 조성물을 포함하는 절연 배리어를 갖는 배터리 모듈 또는 전력 시스템을 포함한다. 예시적인 장치는 랩탑 컴퓨터, PDA, 휴대폰, 태그 스캐너, 오디오 장치, 비디오 장치, 디스플레이 패널, 비디오 카메라, 디지털 카메라, 데스크탑 컴퓨터 군용 휴대용 컴퓨터 군용 전화기 레이저 거리 측정기 디지털 통신 장치, 정보 수집 센서, 전자 통합 의류, 야간 투시 장비, 전동 공구, 계산기, 라디오, 원격 제어 기기, GPS 장치, 휴대용 텔레비전, 자동차 시동 장치, 손전등, 음향 장치, 휴대용 난방 장치, 휴대용 진공 청소기 또는 휴대용 의료 도구를 포함한다. 차량은 전기자동차일 수 있다.
본 발명은 물론 다양할 수 있는 특정 장치 또는 방법에 제한되지 않는 것으로 이해되어야 한다. 본 명세서에서 사용된 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위한 것이며, 제한하려는 의도가 아님을 이해해야 한다. 본 명세서 및 첨부된 청구범위에 사용된 바와 같이, 단수 형태 "a", "an" 및 "the"는 내용이 달리 명시하지 않는 한 단수 및 복수 지시 대상을 포함한다. 또한, "할 수 있다"라는 단어는 본 출원 전반에 걸쳐 필요적인 의미(즉, 해야 함)가 아닌 허용적인 의미(즉, ~할 가능성이 있음, 할 수 있음)로 사용된다. "포함하다"라는 용어와 그 파생어는 "포함하지만 이에 제한되지는 않음"을 의미한다. "결합"이라는 용어는 직접 또는 간접적으로 연결됨을 의미한다.
본 명세서에 사용된 "약"은 대략적으로 또는 거의 제시된 문맥 내임을 의미한다. 구체예에서, "약"이라는 용어는 수치의 유효 숫자에 따른 전통적인 반올림을 포함할 수 있다. 또한, "약 'x' 내지 'y'"라는 문구는 "약 'x' 내지 약 'y'"를 포함한다.
에어로겔은 상호 연결된 구조의 골격을 포함하는 개방 셀과 골격 내에 통합된 상응하는 기공 네트워크, 및 주로 공기와 같은 가스로 구성되는 기공 네트워크 내의 간질상을 갖는 다공성 재료의 부류이다. 에어로겔은 일반적으로 낮은 밀도, 높은 다공성, 큰 표면적 및 작은 기공 크기를 특징으로 한다. 에어로겔은 물리적, 구조적 특성으로 인해 다른 다공성 재료와 구별될 수 있다. 본 개시내용의 맥락에서 에어로겔은 (a) 약 2 nm 내지 약 100 nm 범위의 평균 기공 직경, (b) 적어도 80% 이상의 다공성, 및 (c) 질소 다공도 측정법 테스트를 사용하여 측정된 약 20 m2/g의 표면적을 갖는다. 따라서 본 개시내용의 에어로겔은 이들 정의 요소를 만족시키는 임의의 에어로겔 또는 기타 개방 셀 화합물을 포함한다.
에어로겔 재료는 또한 (d) 약 2.0 mL/g 이상, 바람직하게는 약 3.0 mL/g 이상의 기공 부피; (e) 약 0.50g/cc 이하, 바람직하게는 약 0.25g/cc 이하의 밀도; 및 (f) 기공 직경이 2 내지 50nm인 기공을 포함하는 기공 부피의 전체 기공 부피의 50% 이상;을 포함하는 추가적인 물리적 특성을 추가로 특징으로 할 수 있지만; 에어로겔 재료로서 화합물의 특성을 파악하기 위해 이러한 추가 특성을 만족할 필요는 없다.
에어로겔의 제조는 일반적으로 다음 단계를 포함한다: i) 졸-겔 용액의 형성; ii) 졸-겔 용액으로부터 겔을 형성하는 단계; 및 iii) 겔 재료로부터 용매를 추출하여 건조된 에어로겔 재료를 얻는 단계. 이 공정은 특히 실리카 에어로겔과 같은 무기 에어로겔을 형성하는 맥락에서 아래에서 더 자세히 논의된다. 그러나, 본 명세서에 제공된 특정 실시예 및 예시는 본 개시내용을 임의의 특정 유형의 에어로겔 및/또는 제조 방법으로 제한하려는 의도가 아니다. 본 개시내용은 당업자에게 공지된 임의의 관련 제조 방법에 의해 형성된 임의의 에어로겔을 포함할 수 있다.
무기 에어로겔을 형성하는 제1 단계는 일반적으로 알코올계 용매에서 금속 알콕사이드 전구체의 가수분해 및 축합을 통해 졸-겔 용액을 형성하는 것이다. 무기 에어로겔 형성의 주요 변수는 졸-겔 용액에 포함된 알콕사이드 전구체의 유형, 용매의 특성, 처리 온도 및 졸-겔 용액의 pH(산 또는 염기 첨가에 의해 변경될 수 있음) 및 졸-겔 용액 내의 전구체/용매/물 비율을 포함한다. 졸-겔 용액을 형성할 때 이러한 변수를 제어하면 겔 재료가 "졸" 상태에서 "겔" 상태로 후속 전이하는 동안 겔 골격의 성장과 응집을 제어할 수 있다. 생성된 에어로겔의 특성은 전구체 용액의 pH 및 반응물의 몰비에 의해 영향을 받지만, 겔 형성을 허용하는 임의의 pH 및 임의의 몰비가 본 개시내용에 사용될 수 있다.
졸-겔 용액은 하나 이상의 겔화 전구체를 용매와 결합하여 형성된다. 졸-겔 용액을 형성하는데 사용하기에 적합한 용매는 탄소 원자수 1 내지 6개, 바람직하게는 2 내지 4개의 저급 알코올을 포함하지만, 당업자에게 공지된 바와 같이 다른 용매도 사용될 수 있다. 유용한 용매의 예는 비제한적으로 다음을 포함한다: 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 에틸 아세테이트, 에틸 아세토아세테이트, 아세톤, 디클로로메탄, 테트라히드로푸란 등. 원하는 수준의 분산을 달성하거나 겔 재료의 특성을 최적화하기 위해 여러 용매를 결합할 수도 있다. 따라서 졸-겔 및 겔 형성 단계를 위한 최적의 용매 선택은 졸-겔 용액에 통합되는 특정 전구체, 충전재 및 첨가제; 또한 겔화 및 액상 추출을 위한 목표 처리 조건과 최종 에어로겔 재료의 원하는 특성에 따라 달라진다.
전구체-용매 용액에는 물이 존재할 수도 있다. 물은 금속 알콕사이드 전구체를 금속 수산화물 전구체로 가수분해하는 역할을 한다. 가수분해 반응은 (예를 들어 에탄올 용매에서 TEOS를 사용하여) 가능하다.
Si(OC2H5)4 + 4H2O → Si(OH)4 + 4(C2H5OH) (1)
생성된 가수분해된 금속 수산화물 전구체는 개별 분자로서 또는 분자의 작은 중합된(또는 올리고머화된) 콜로이드 클러스터로서 "졸" 상태로 용매 용액에 현탁된 상태로 유지된다. 예를 들어, Si(OH)4 전구체의 중합/축합은 다음과 같이 발생할 수 있다:
2 Si(OH)4 → (OH)3Si-O-Si(OH)3 + H2O (2)
이 중합은 중합된(또는 올리고머화된) SiO2(실리카) 분자의 콜로이드 클러스터가 형성될 때까지 계속될 수 있다.
용액의 pH를 제어하고 전구체 재료의 가수분해 및 축합 반응을 촉매하기 위해 산 및 염기가 졸-겔 용액에 함입될 수 있다. 전구체 반응을 촉매하고 더 낮은 pH 용액을 얻기 위해 임의의 산을 사용할 수 있지만, 바람직한 산은 다음 포함한다:는 염산(HCl), 황산(H2SO4), 인산(H3PO4), 옥살산 및 아세트산.
마찬가지로, 전구체 반응을 촉매하고 더 높은 pH 용액을 얻기 위해 임의의 염기, 예를 들어 수산화암모늄(NH4OH)를 사용할 수 있다. 본 발명의 한 양상에서, 아민 염기가전구체 반응을 촉매화하는데 사용될 수 있다. 본 개시내용의 맥락에서, "아민 염기"라는 용어는 아민 기를 포함하는 유기 화합물을 지칭한다. 예를 들어, 본원의 구체예에 따른 아민 염기는 트리알킬아민, 아미딘, 구아니딘 및 이미다졸을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다. 아민 염기의 구체적인 예는 구아니딘(예: 구아니디늄 수산화물), 1,8-디아자비시클로[5.4.0]운데크-7-엔(DBU), 1,4-디아자비시클로[2.2.2]옥탄(DABCO), 피리딘, 이미다졸 및 4,5-디하이드로이미다졸을 포함한다.
졸-겔 용액은 추가의 공-겔화 전구체뿐만 아니라 충전재 및 기타 첨가제를 포함할 수 있다. 충진재와 기타 첨가제는 겔 형성 전이나 도중 어느 시점에서나 졸-겔 용액에 분배될 수 있다. 충전재 및 기타 첨가제는 또한 당업자에게 공지된 다양한 기술을 통해 겔화 후에 겔 재료에 혼입될 수 있다. 바람직하게는, 겔화 전구체, 용매, 촉매, 물, 충전재 및 기타 첨가제를 포함하는 졸-겔 용액은 적합한 조건 하에서 효과적인 겔 형성이 가능한 균질한 용액이다.
졸-겔 용액이 형성되고 최적화되면, 졸-겔 내의 겔 형성 성분은 겔 재료로 전이될 수 있다. 겔 형성 성분을 겔 재료로 전환시키는 공정은 겔이 겔 재료의 겔점까지 고형화되는 초기 겔 형성 단계를 포함한다. 겔 재료의 겔화점은 겔화 용액이 흐름에 대한 저항을 나타내고 및/또는 그 부피 전체에 걸쳐 실질적으로 연속적인 중합체 골격을 형성하는 점으로 볼 수 있다. 다양한 겔 형성 기술이 당업자에게 알려져 있다. 예는 비제한적으로 다음을 포함한다: 혼합물을 충분한 시간 동안 정지 상태로 유지하는 것; 용액의 pH를 조정하는 것; 용액의 온도를 조정하는 것; 혼합물에 에너지 형태를 전달하는 것(자외선, 가시광선, 적외선, 마이크로파, 초음파, 입자 방사선, 전자기); 또는 이들의 조합.
겔 형성 성분을 겔 재료로 전환시키는 공정은 또한 액상 추출 전에 노화 단계(경화라고도 함)를 포함할 수 있다. 겔화점에 도달한 후 겔 재료를 노화시키면 네트워크 내의 교차 결합 수를 증가시켜 겔 골격을 더욱 강화할 수 있다. 겔 노화 기간은 생성된 에어로겔 재료 내의 다양한 특성을 제어하기 위해 조정될 수 있다. 이 노화 절차는 액상 추출 중 잠재적인 부피 손실 및 수축을 방지하는 데 유용할 수 있다. 노화는 다음을 포함할 수 있다: 장기간 동안 겔(추출 전)을 정지 상태로 유지하는 것; 겔을 높은 온도에서 유지하는 것; 가교 촉진 화합물을 첨가하는 것; 또는 이들의 조합. 노화에 바람직한 온도는 전형적으로 약 10℃ 내지 약 100℃이지만, 다른 적합한 온도도 본 명세서에서 고려된다. 겔 재료의 노화는 일반적으로 습식 겔 재료의 액상 추출까지 계속된다.
겔 형성 재료를 겔 재료로 전환시키는 지속시간은 초기 겔 형성 기간(겔화 시작부터 겔화 지점까지)뿐만 아니라 액상 추출 전 (겔 시점부터 액상 추출 시작까지) 겔 재료의 후속 경화 및 노화 기간도 포함한다. 겔 형성 재료를 겔 재료로 전환시키는 총 시간은 전형적으로 약 1분 내지 수일, 바람직하게는 약 30시간 이하, 약 24시간 이하, 약 15시간 이하, 약 10시간 이하, 6시간 이하, 약 4시간 이하, 약 2시간 이하, 약 1시간 이하, 약 30분 이하, 또는 약 15분 이하이다.
습윤 겔 재료의 노화는 노화 공정을 완료하기에 충분한 시간 동안 습윤 겔 재료를 가열함으로써 달성될 수 있다. 일반적인 노화 과정에서는 습윤 겔 재료를 노화 용기에 넣는다. 이어서, 습윤 겔 재료를 노화 온도까지 가열하고 노화 과정이 완료될 때까지 노화 온도를 유지한다. 선택적으로, 습윤 겔 재료는 가열 전 및 가열 도중 노화 유체로 세척될 수 있다. 노화 유체는 습윤겔에 존재하는 1차 반응 용매를 대체하는데 사용될 수 있다. 예시적인 노화 유체는 C1-C6 알코올, 고리형 알코올, 지환족 알코올, 방향족 알코올, 다가 알코올, 에테르, 케톤 또는 고리형 에테르이다. 바람직한 노화 유체는 메탄올과 에탄올을 포함한다. 노화 동안, 노화 유체는 습윤 겔 재료 위 및/또는 노화 용기를 통해 실질적으로 연속적으로 통과될 수 있다. 노화 용기와 습윤 겔을 통과하는 노화 유체는 신선한 노화 유체일 수도 있고 재활용된 노화 유체일 수도 있다.
노화 공정을 완료하는 데 필요한 시간은 습윤 겔 재료의 노화 온도와 관련이 있다. 일반적으로 노화 온도가 높을수록 노화 공정이 더 빨리 완료된다. 그러나 사용할 수 있는 최대 온도는 습윤 겔 재료에 존재하는 액체로 제한된다. 대기압(1 atm, 101,325 Pa) 하에서 노화 온도는 습윤 겔 재료 내 액체의 끓는점으로 제한된다. 더욱이, 노화 재료를 액체의 끓는점 또는 그 부근에서 가열하는 것은 바람직하지 않다. 노화 유체가 노화 유체의 끓는점 또는 그 부근에서 가열될 때 노화 유체의 증발은 습윤 겔 재료의 골격 구조에 손상을 줄 수 있다. 습윤 겔 재료의 손상 가능성을 줄이기 위해, 노화 공정은 일반적으로 습윤 겔 재료에 있는 노화 유체의 끓는점 아래에서 수행된다. 예를 들어, 에탄올을 노화 유체로 사용하는 경우 습윤 겔 재료는 일반적으로 에탄올의 끓는점(1atm(101,325 Pa)에서 bp 173°F(78.3°C))보다 낮은 160°F(71.1°C)의 온도에서,1시간부터 24시간까지의 시간 동안 노화된다.
본 발명의 한 양상에서, 습윤 겔 재료의 노화 온도를 증가시킴으로써 습윤 겔 재료의 노화 시간을 감소시킬 수 있다. 노화 온도는 일반적으로 노화 유체의 정상 끓는점으로 제한되지만, 노화 용기의 압력을 증가시킴으로써 온도는 노화 유체의 정상 끓는점 이상으로 증가될 수 있다. 노화 용기 내부의 압력("노화 압력")이 노화 유체의 증기압 이상으로 유지되면 노화 유체가 끓지 않고 노화 유체의 온도가 노화 유체의 정상 끓는점 이상으로 증가될 수 있다. 본 명세서에서 사용된 액체의 "정상 끓는점"은 액체가 1 atm(101,325 Pa)에서 끓는 온도이다.
본 발명의 한 양상에서, 습윤 겔 재료는 가압될 수 있는 용기에 배치된다. 용기는 또한 노화 유체에 대한 입력과 용기를 떠나는 유체에 대한 출력을 포함한다. 용기를 밀봉하고 노화된 유체를 용기에 도입한다. 노화 유체는 습윤 겔 재료를 제조하는 데 사용된 유체와 동일한 유체일 수도 있고 다른 유체일 수도 있다. 본 발명의 바람직한 양상에서, 노화 유체는 알코올(예를 들어, 메탄올 또는 에탄올)이다. 노화 유체의 증기압 이상으로 용기 내부 압력을 유지하면서 노화 유체를 가열한다. 노화 유체는 용기 내부 또는 용기 근처에 위치한 가열 요소에 의해 가열될 수 있다.
본 발명의 한 양상에서, 습윤 겔 재료의 노화 동안, 노화 유체는 제거될 수 있고, 노화 유체는 실질적으로 연속적으로 도입될 수 있다. 예를 들어, 노화 유체는 용기를 통해 재순환될 수 있다. 노화 유체는 용기 내로 재도입되기 전에 용기 외부에서 가열될 수 있다. 노화 동안, 용기 내부 압력("노화 압력")은 액체의 증기압, 특히 노화 유체의 증기압이 온도가 증가함에 따라 증가하기 때문에 노화 온도에서 액체의 증기압 이상으로 유지된다.
압력을 증가시켜 노화 온도를 높이면 노화 시간이 단축될 수 있다. 증가된 노화 온도에서 노화 시간은 40분에서 약 200분 사이일 수 있다.
노화 온도는 부분적으로 노화 용기의 증기압을 증가시킴으로써 제어된다. 예를 들어, 노화 유체인 에탄올에 대해 230F(110C)의 노화 온도가 필요한 경우, 액체가 에탄올을 증발 또는 끓음으로 인한 골격 구조 손상을 시작하지 않도록 용기 내부의 증기압은 315kPa 이상이어야 한다. 실제로 용기 내의 압력은 노화 액체 증기압의 적어도 2배, 적어도 3배, 적어도 5배, 적어도 10배 또는 적어도 20배의 압력으로 유지된다. 예를 들어, 노화 유체로서 에탄올을 사용하는 경우, 용기 내부 압력은 적어도 630kPa, 적어도 945kPa, 적어도 1575kPa, 적어도 3150kPa, 또는 적어도 6300kPa의 압력으로 유지될 수 있다.
습윤겔 재료의 고온 및 고압 노화에 관한 추가 세부사항은 본원에 참고로 포함된 미국 가특허출원 제63/416,017호에 개시되어 있다.
생성된 겔 재료는 습윤 겔에 존재하는 1차 반응 용매를 대체하기 위해 적합한 2차 용매로 세척될 수 있다. 이러한 2차 용매는 1개 이상의 지방족 탄소 원자를 갖는 선형 1가 알코올, 2개 이상의 탄소 원자를 갖는 2가 알코올, 분지형 알코올, 고리형 알코올, 지환족 알코올, 방향족 알코올, 다가 알코올, 에테르, 케톤, 고리형 에테르 또는 이들의 유도체일 수 있다.
겔 재료가 형성되고 가공되면, 추출 방법을 사용하여 습윤 겔로부터 겔의 액상을 적어도 부분적으로 추출하여 에어로겔 재료를 형성할 수 있다. 무엇보다도 액상 추출은 다공성 및 밀도와 같은 에어로겔의 특성은 물론 열전도도와 같은 관련 특성을 엔지니어링하는 데 중요한 역할을 한다. 일반적으로, 에어로겔은 습윤 겔의 다공성 네트워크 및 골격에 대한 수축률을 낮추는 방식으로 겔로부터 액체상을 추출할 때 얻어진다.
에어로겔은 일반적으로 액체 이동상의 임계점 근처 또는 그 이상의 온도 및 압력에서 겔 재료로부터 액체 이동상을 제거함으로써 형성된다. 임계점에 도달(임계 근처)하거나 초과(초임계)(즉, 시스템의 압력 및 온도가 각각 임계 압력 및 임계 온도 이상)되면 유체에 액체 또는 증기상과는 다른 새로운 초임계 상이 나타난다. 그런 다음 액체-증기 경계, 모세관 압력 또는 일반적으로 액체-증기 경계와 관련된 물질 전달 제한을 도입하지 않고 용매를 제거할 수 있다. 또한, 초임계상은 일반적으로 유기 용매와 더 잘 섞이므로 더 나은 추출 능력을 갖는다. 공용매 및 용매 교환은 초임계 유체 건조 공정을 최적화하는 데에도 일반적으로 사용된다.
습윤겔로부터 액체상을 추출하는 한 구체예는 예를 들어, 먼저 겔의 기공 네트워크에 존재하는 1차 용매를 액체 이산화탄소와 실질적으로 교환하는 단계; 그런 다음 습식 겔(일반적으로 오토클레이브에서)을 이산화탄소의 임계 온도(약 31.06°C) 이상으로 가열하고 시스템의 압력을 이산화탄소의 임계 압력(약 1070psig)보다 큰 압력으로 증가시키는 단계를 포함한다. 겔 재료 주변의 압력은 겔에서 초임계 이산화탄소 유체의 제거를 촉진하기 위해 약간 변동될 수 있다. 이산화탄소는 추출 시스템을 통해 재순환되어 습윤 겔에서 주요 용매의 지속적인 제거를 촉진할 수 있다. 마지막으로 온도와 압력을 서서히 주변 조건으로 되돌려 건조 에어로겔 재료를 생성한다. 이산화탄소는 추출 챔버에 주입되기 전에 초임계 상태로 전처리될 수도 있다.
에어로겔의 합성을 설명하는 추가 세부사항은 Evans 등의 미국 특허 출원 공개 번호 2016/0096949 및 Evans 등의 미국 특허 출원 공개 번호 2021/03095227에서 찾아볼 수 있고 둘 다 참조로 본 명세서에 포함된다.
본 개시내용의 에어로겔 복합재는 15 mm 이하, 10 mm 이하, 5 mm 이하, 3 mm 이하, 2 mm 이하, 또는 1 mm 이하의 두께를 가질 수 있다.
본원에 기술된 공정에 의해 제조된 에어로겔은 첨가제 또는 충전제가 겔 전구체 또는 겔에 첨가되지 않는 한 깨지기 쉽고 부서지기 쉬울 수 있다. 특히, 에어로겔을 제조하는 동안 충전재로서 섬유를 사용하면 에어로겔 재료의 유연성 및/또는 강도를 향상시킬 수 있다. 본 발명의 한 양상에서 에어로겔 복합재는 겔 전구체 조성물을 섬유 강화 상에 첨가하고 겔 전구체 조성물로부터 겔을 형성함으로써 형성된다. 겔을 액체 추출(예: 초임계 CO2 사용)하고 건조하여 섬유와 혼합된 에어로겔을 포함하는 에어로겔 복합재를 형성한다. 에어로겔-섬유 복합재의 합성을 설명하는 추가 세부사항은 Evans 등의 미국 특허 출원 공개 번호 2016/0096949 및 Evans 등의 미국 특허 출원 공개 번호 2021/03095227에서 찾아볼 수 있고 둘 다 참조로 본 명세서에 포함된다.
에어로겔을 지지하기 위해 강화상, 예를 들어 강화 재료를 사용하면 생성된 에어로겔 복합재를 더욱 쉽게 취급하고 조작할 수 있다. 강화재는 섬유 또는 폼 형태일 수 있다. 강화재는 길쭉한 재료 시트 형태일 수 있다. 강화재에 대한 에어로겔의 적절한 비율을 선택함으로써 유연하고 기계적으로 견고한 에어로겔 복합재를 얻을 수 있다.
강화상은 에어로겔 재료에 증가된 유연성, 탄력성, 순응성 또는 구조적 안정성을 제공하는 임의의 재료일 수 있다. 잘 알려진 강화 재료의 예는 비제한적으로 다음을 포함한다: 개방 셀 폼 강화 재료, 폐쇄 셀 폼 강화 재료, 개방 셀 멤브레인, 벌집형 강화 재료, 고분자 강화 재료 및 개별 섬유, 직물, 부직포, 안솜, 웹, 매트, 펠트와 같은 섬유 강화 재료. 추가로, 섬유-계 강화재는 하나 이상의 다른 강화 재료와 결합될 수 있으며 조성물의 전체 또는 제한된 바람직한 부분에서 연속적으로 배향될 수 있다.
폼 강화 재료의 예는 비제한적으로, 유기 중합체 재료로 제조된 재료를 포함한다. 예는 폴리올레핀, 폴리우레탄, 페놀릭, 멜라민, 셀룰로오스 아세테이트 및 폴리스티렌으로 제조된 재료를 포함한다. 멜라민 또는 멜라민 유도체로 제조된 재료도 특정 구체예에서 바람직하다.
섬유 강화 재료의 예는 비제한적으로, 개별 섬유, 직조 재료, 부직 재료, 안솜, 웹, 매트, 펠트 또는 이들의 조합을 포함한다. 섬유 강화 재료는 비제한적으로 다음을 포함하는 재료의 범위를 포함할 수 있다: 폴리에스테르, 폴리올레핀 테레프탈레이트, 폴리(에틸렌) 나프탈레이트, 폴리카보네이트(예: 레이온, 나일론), 면(예: DuPont에서 제조한 라이크라), 탄소(예: 흑연), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 산화 PAN, 비탄화 열처리 PAN (예: SGL 카본에서 제조한 것), 유리섬유계 재료(예: S-유리, 901 유리, 902 유리, 475 유리, E-유리) 석영과 같은 실리카계 섬유(예: Saint-Gobain에서 제조한 Quartzel), Q - 펠트(Johns Manville 제조), Saffil(Saffil 제조), Durablanket(Unifrax 제조) 및 기타 실리카 섬유, 실리카계 섬유와 유리계 섬유의 조합, Duraback(Carborundum 제조), Kevlar, Nomex, Sontera와 같은 폴리아라미드 섬유 (모두 DuPont 제조), Conex(Taijin 제조) Tyvek(DuPont 제조), Dyneema(DSM 제조), Spectra(Honeywell 제조)와 같은 폴리올레핀, Typar, Xavan(모두 DuPont 제조)과 같은 폴리프로필렌 섬유, Teflon(DuPont 제조)이라는 상표명을 갖는 PTFE와 같은 불소중합체, Goretex(W.L. GORE 제조), Nicalon과 같은 탄화규소 섬유(COI Ceramics에서 제조), Nextel과 같은 세라믹 섬유(3M에서 제조), 아크릴 폴리머, 양모, 실크, 대마, 가죽, 스웨이드 섬유, PBO-Zylon 섬유(Tyobo에서 제조), Vectan(Hoechst 제조), Cambrelle 섬유(DuPont 제조), 폴리우레탄, 폴리아미드, 목재 섬유, 붕소, 알루미늄, 철, 스테인레스 스틸 섬유 및 PEEK, PES, PEI, PEK, PPS와 같은 기타 열가소성 수지.
광범위하게 변할 수 있는 에어로겔 재료 및 에어로겔 복합재의 한 가지 특성은 압축 영구 변형이다. 본 명세서에 사용된 "압축 영구 변형"은 재료에 가해진 힘을 제거한 후에 남아 있는 재료의 영구 변형을 측정한 것이다. 본 발명에서 압축영구변형은 ASTM D3574 - 테스트 D를 사용하여 결정된다. 압축영구변형은 미리 정해진 힘을 가하기 전과 후에 재료의 두께 변화에 대한 백분율로 결정된다. ASTM D3574 - 테스트 D의 한 예에서 압축 영구 변형은 다음 식으로 결정될 수 있다:
Ct = [(To - Tf)/To] X 100
여기서 Ct는 압축 영구 변형; To는 재료의 원래 두께; Tf는 적용된 힘을 제거한 후 재료의 최종 두께이다.
재료의 유연성을 향상시키기 위한 어떠한 첨가제도 없는 에어로겔은 높은 압축 영구 변형을 갖는 경향이 있다(즉, 재료는 힘의 적용이 중단된 후 원래 두께의 50% 미만으로 되돌아간다). 섬유 강화 에어로겔도 압축 영구 변형 값이 높은 경향이 있다. 따라서 에어로겔 및 에어로겔 복합재의 압축 영구 변형을 개선하는 방법을 찾을 필요가 있다.
산소-함유 분위기 하에서 에어로겔 또는 에어로겔 복합재를 가열하면 가열된 재료의 압축 영구 변형을 향상시킬 수 있는 것으로 밝혀졌다. 어떠한 이론에도 얽매이지 않고, 에어로겔 또는 에어로겔 복합재의 회수와 관련된 문제는 다공성 네트워크의 불완전한 형성과 관련된 것으로 여겨진다. 다공성 네트워크가 형성되면 겔 재료의 반응이 불완전한 약점이 형성된다. 이러한 약점은 에어로겔 또는 에어로겔 복합재의 다공성 골격의 붕괴로 이어질 수 있다. 에어로겔은 일단 붕괴되면 이전 상태(예: 이전 두께)를 회복할 수 없다. 산소 분위기에서 에어로겔을 가열하면 잔류 촉매(예: 염기)가 제거되고 다공성 네트워크 내의 불완전 반응 부위에서 반응이 촉진되어 에어로겔의 약점이 제거되는 것으로 여겨진다.
본 발명의 한 양상에서, 제1 에어로겔은 제1 에어로겔보다 더 나은(즉, 더 낮은) 압축 영구 변형을 갖는 제2 에어로겔로 전환된다. 이는 ASTM D3574 - 테스트 D에 따라 결정된 압축 영구 변형률이 15%를 초과하는 제1 에어로겔을 제공함으로써 달성된다. 제1 에어로겔을 약 200℃ 내지 400℃의 온도에서 10% 초과의 산소를 포함하는 분위기 하에서 가열하여 제2 에어로겔을 얻는다. 제1 에어로겔은 제2 에어로겔의 압축 영구 변형이 ASTM D3574 - 테스트 D에 의해 측정된 15% 이하의 압축 영구 변형을 갖도록 제2 에어로겔의 압축 영구 변형을 변경하기에 충분한 시간 동안 가열된다.
본 발명의 한 양상에서, 제1 에어로겔은 10% 초과 산소, 11% 초과 산소, 12% 초과 산소, 13% 초과 산소, 14% 초과 산소, 15% 초과 산소, 16% 초과 산소, 17% 초과 산소, 18% 초과 산소, 19% 초과 산소, 20% 초과 산소, 21% 초과 산소, 22% 초과 산소, 초과 23% 산소, 24% 초과 산소, 또는 25% 초과 산소의 분위기 하에서 가열된다. 본 발명의 한 양상에서, 제1 에어로겔을 가열하는 동안 분위기의 산소 함량은 10% 산소 내지 30% 산소, 15% 산소 내지 25 % 산소, 또는 18% 산소 내지 25% 산소 % 범위이다. 본 개시내용의 바람직한 양상에서, 제1 에어로겔은 공기 중에서 가열된다.
본 발명의 한 양상에서, 제1 에어로겔은 산소 함유 분위기에서 200℃ 내지 400℃, 225℃ 내지 400℃, 250℃ 내지 400℃, 250℃ 내지 350°C, 또는 300°C 내지 400°C의 온도로 가열된다. 제1 에어로겔을 가열하는 동안 온도는 400°C 미만의 온도로 제한된다.
제1 에어로겔은, 얻어진 제2 에어로겔이 ASTM D3574 - 테스트 D에 의해 결정된 압축 영구 변형이 15% 이하가 되도록 제1 에어로겔의 압축 영구 변형을 변경하기에 충분한 시간 동안 가열된다. 이러한 변환을 달성하는 데 필요한 예시적인 시간은 10초, 30초, 1분, 5분, 10분, 15분, 30분, 1시간, 2시간, 또는 3시간 또는 이들 값 중 임의의 두 개 사이의 범위일 수 있다. 본 발명의 한 양상에서, 가열 시간은 30초 내지 3시간, 30초 내지 2시간, 30초 내지 1시간, 30초 내지 45분, 30초 내지 30분, 30초 내지 15분, 30초 내지 5분, 또는 30초 내지 1분이다.
산소 함유 분위기에서 에어로겔 또는 에어로겔 복합재를 가열하면 에어로겔 재료의 압축 영구 변형이 개선될 수 있다. 본 발명의 양상에서, 산소 함유 분위기에서 열처리 후 에어로겔 재료의 압축 영구 변형은 15% 이하, 14% 이하, 13% 이하, 12% 이하, 11% 이하, 10% 이하, 9% 이하, 8% 이하, 7% 이하, 6% 이하이거나 5% 이하이다.
산소 함유 분위기에서 에어로겔을 가열하는 공정은 다양한 에어로겔 및 에어로겔 복합재에 적용될 수 있다. 본 발명의 한 양상에서, 실리카 에어로겔 복합재는 산소 함유 분위기에서 가열되어 에어로겔 복합재의 압축 영구 변형을 개선한다. 본 발명의 한 양상에서, 실리카 에어로겔은 실리카계 겔 형성 재료의 가수분해 및 축합에 의해 형성된다. 예시적인 실리카계 겔 형성 재료는 비제한적으로, 실리카계 알콕사이드, 금속 실리케이트, 알콕시실란, 폴리에틸렌 실리케이트 및 알킬알콕시실란을 포함한다.
본 발명의 한 양상에서, 겔 형성 재료은 안정성 및 소수성과 같은 겔의 특정 특성을 부여하거나 향상시킬 수 있는 적어도 하나의 소수성 기를 포함한다. 소수성 기를 포함하는 예시적인 겔 형성 재료는 비제한적으로, 알킬 금속 알콕시드, 시클로알킬 금속 알콕시드 및 아릴 금속 알콕시드를 포함한다. 본 개시내용의 특정 양상에서, 겔 형성 재료은 실리카계 소수성 겔 형성 재료이다. 실리카계 겔 형성 재료의 예는 비제한적으로 다음을 포함한다: 트리메틸 메톡시실란[TMS]; 디메틸 디메톡시실란[DMS]; 메틸 트리메톡시실란[MTMS]; 트리메틸 에톡시실란; 디메틸 디에톡시실란[DMDES]; 메틸 트리에톡시실란[MTES]; 에틸 트리에톡시실란[ETES]; 디에틸 디에톡시실란; 에틸 트리에톡시실란; 프로필 트리메톡시실란; 프로필 트리에톡시실란; 페닐 트리메톡시실란; 페닐 트리에톡시실란[PhTES]; 헥사메틸디실라잔; 및 헥사에틸디실라잔.
겔 형성 재료은 당업계에 공지된 다양한 기술을 사용하여 겔로 전환될 수 있다. 본 발명의 한 양상에서, 겔 형성 재료은 베이스를 이용하여 겔로 전환될 수 있다. 겔 형성 반응을 촉매하기 위해 어떤 염기라도 사용될 수 있다. 본 발명의 한 양상에서, 아민 염기를 사용하여 겔화 반응을 촉매할 수 있다. 사용될 수 있는 예시적인 염기는 비제한적으로, 트리알킬아민, 아미딘, 구아니딘 및 이미다졸을 포함한다. 아민 염기의 구체적인 예는 구아니딘(예: 구아니디늄 수산화물), 1,8-디아자비시클로[5.4.0]운데크-7-엔(DBU), 1,4-디아자비시클로[2.2.2]옥탄(DABCO), 피리딘, 이미다졸 및 4,5-디하이드로이미다졸을 포함한다. 사용되는 아민 염기의 양은 겔 형성 재료의 약 0.5% 내지 약 10% 범위일 수 있다. 겔화 및 용매 제거 후, 생성된 에어로겔은 에어로겔에 약 0.5% 내지 약 10%의 아민 염기가 남아 있다.
에어로겔을 200℃ 내지 400℃의 온도에서 가열하면 휘발성 염기(예: 아민 염기) 중 일부가 에어로겔에서 제거되는 것으로 여겨진다. 따라서, 초기 에어로겔 복합재에 존재하는 휘발성 염기(예를 들어, 아민 염기)의 양은 가열 후 에어로겔 복합재에 남아 있는 휘발성 염기의 양보다 많다.
에어로겔 복합재는 보다 유연하고 탄력적이며 순응성이 있는 복합재 제품을 달성하기 위해 다양한 섬유 강화 재료로 섬유 강화될 수 있다. 섬유 강화 재료는 겔화 공정의 어느 시점에서든 겔에 첨가되어 습윤 섬유질 겔 조성물을 생성할 수 있다. 이어서, 습윤 겔 조성물을 건조시켜 섬유 강화 에어로겔 복합재를 생성할 수 있다. 섬유 강화 재료는 개별 섬유, 직조 재료, 부직포 재료, 안솜, 웹, 매트 및 펠트의 형태일 수 있다. 섬유 강화재는 유기 섬유 재료, 무기 섬유 재료 또는 이들의 조합으로 만들어질 수 있다. 섬유 강화 재료는 비제한적으로 다음을 포함하는 재료의 범위를 포함할 수 있다: 폴리에스테르, 폴리올레핀 테레프탈레이트, 폴리(에틸렌) 나프탈레이트, 폴리카보네이트(예: 레이온, 나일론), 면(예: DuPont에서 제조한 라이크라), 탄소(예: 흑연), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 산화 PAN, 비탄화 열처리 PAN (예: SGL 카본에서 제조한 것), 유리섬유계 재료(예: S-유리, 901 유리, 902 유리, 475 유리, E-유리) 석영과 같은 실리카계 섬유(예: Saint-Gobain에서 제조한 Quartzel), Q - 펠트(Johns Manville 제조), Saffil(Saffil 제조), Durablanket(Unifrax 제조) 및 기타 실리카 섬유, Duraback(Carborundum 제조), Kevlar, Nomex, Sontera와 같은 폴리아라미드 섬유 (모두 DuPont 제조), Conex(Taijin 제조), Tyvek(DuPont 제조), Dyneema(DSM 제조), Spectra(Honeywell 제조)와 같은 폴리올레핀, Typar, Xavan(모두 DuPont 제조)과 같은 폴리프로필렌 섬유, Teflon(DuPont 제조)이라는 상표명을 갖는 PTFE와 같은 불소중합체, Goretex(W.L. GORE 제조), Nicalon과 같은 탄화규소 섬유(COI Ceramics에서 제조), Nextel과 같은 세라믹 섬유(3M에서 제조), 아크릴 폴리머, 양모, 실크, 대마, 가죽, 스웨이드 섬유, PBO-Zylon 섬유(Tyobo에서 제조), Vectan(Hoechst 제조), Cambrelle 섬유(DuPont 제조), 폴리우레탄, 폴리아미드, 목재 섬유, 붕소, 알루미늄, 철, 스테인레스 스틸 섬유 및 PEEK, PES, PEI, PEK, PPS와 같은 기타 열가소성 수지.
본 발명의 한 양상에서, 부직 섬유 강화 재료는 상호 연결되거나 인터레이스된 섬유 강화 재료의 연속 시트로서 에어로겔 복합재에 혼입된다. 이 공정은 겔 전구체 용액을 서로 연결되거나 인터레이스된 섬유 강화 재료의 연속 시트에 캐스팅하거나 함침시켜 섬유 강화 겔의 연속 시트를 초기에 생성하는 단계를 포함한다. 이어서, 액체상은 섬유 강화 겔 시트로부터 적어도 부분적으로 추출되어 시트형 섬유 강화 에어로겔 복합재를 생성할 수 있다.
본 발명의 한 양상에서, 에어로겔 복합재는 열 전달의 복사 성분을 감소시키기 위해 불투명화 첨가제를 포함할 수 있다. 겔 형성 전 임의의 시점에, 불투명화 화합물 또는 이의 전구체가 겔 형성 재료를 포함하는 혼합물에 분산될 수 있다. 예시적인 불투명화 첨가제는 탄화붕소(B4C), 규조토, 망간 페라이트(MnFe2O4), 산화망간(MnO), 산화니켈(NiO), 산화주석(SnO), 산화은(Ag2O), 비스무스 산화물(Bi2O3), 티타늄 카바이드(TiC), 텅스텐 카바이드(WC), 규소 카바이드(SiC), 카본 블랙, 티타늄 산화물(TiO2), 철 티타늄 산화물(FeTiO3), 지르코늄 규산염(ZrSiO4), 지르코늄 산화물(ZrO2), 산화철(II)(FeO), 산화철(III)(Fe2O3), 이산화망간(MnO2), 산화철티타늄(일메나이트, FeTiO3), 산화크롬(CrO2), 또는 이들의 혼합물을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다. 본 발명의 바람직한 양상에서, 에어로겔 복합재는 불투명 첨가제로서 탄화규소를 포함한다.
무기 에어로겔은 또한 안정성 및 소수성과 같은 겔의 특정 특성을 부여하거나 향상시킬 수 있는 알킬 금속 알콕시드, 사이클로알킬 금속 알콕시드 및 아릴 금속 알콕시드와 같은 적어도 하나의 소수성 기를 포함하는 겔 전구체를 포함할 수 있다. 무기 실리카 에어로겔은 특히 알킬실란 또는 아릴실란과 같은 소수성 전구체를 포함할 수 있다. 소수성 겔 전구체는 겔 재료의 골격을 형성하기 위한 주요 전구체 재료로 사용될 수 있다. 그러나 소수성 겔 전구체는 아말감 에어로겔 형성 시 단순 금속 알콕시드와 함께 공동 전구체로 더 일반적으로 사용된다. 실리카계 에어로겔 합성을 위한 소수성 무기 전구체 재료는 비제한적으로 다음을 포함한다: 트리메틸 메톡시실란[TMS], 디메틸 디메톡시실란[DMS], 메틸 트리메톡시실란[MTMS], 트리메틸 에톡시실란; 디메틸 디에톡시실란[DMDS], 메틸 트리에톡시실란[MTES], 에틸 트리에톡시실란[ETES], 디에틸 디에톡시실란, 에틸 트리에톡시실란, 프로필 트리메톡시실란, 프로필 트리에톡시실란, 페닐 트리메톡시실란, 페닐 트리에톡시실란[PhTES], 헥사메틸디실라잔 및 헥사에틸디실라잔.
에어로겔은 소수성을 부여하거나 개선하기 위해 처리될 수도 있다. 소수성 처리는 졸겔 용액, 액상 추출 전의 습윤겔, 액상 추출 후의 에어로겔에 적용할 수 있다. 소수성 처리는 실리카 에어로겔과 같은 금속 산화물 에어로겔 제조에 특히 일반적이다. 소수성 처리는 실리카겔의 골격에 존재하는 실라놀기(Si-OH)와 같은 겔 상의 하이드록시 부분과 소수화제의 작용기를 반응시켜 수행된다. 생성된 반응은 실라놀 기와 소수화제를 실리카겔 골격의 소수성 기로 전환시킨다. 소수화제 화합물은 다음 반응에 따라 겔 상의 수산기와 반응할 수 있다:
RNMX4-N (소수화제) + MOH (실라놀) → MOMRN (소수성 기) + HX
소수성 처리는 실리카겔의 외부 거대 표면뿐만 아니라 겔의 다공성 네트워크 내의 내부 기공 표면에서도 발생할 수 있다.
겔은 소수화제와 소수화제가 용해 가능하고 습윤 겔 내의 겔 용매와도 혼화성인 임의의 소수성 처리 용매의 혼합물에 침지될 수 있다. 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 자일렌, 톨루엔, 벤젠, 디메틸포름아미드 및 헥산과 같은 용매를 포함하는 광범위한 소수성 처리 용매가 사용될 수 있다. 액체 또는 기체 형태의 소수화제는 겔과 직접 접촉하여 소수성을 부여할 수도 있다.
소수성 처리 공정은 소수화제가 습윤겔에 침투하는 것을 돕기 위해 혼합 또는 교반을 포함할 수 있다. 소수성 처리 공정은 처리 반응을 더욱 향상시키고 최적화하기 위해 온도 및 pH와 같은 다른 조건을 변경하는 것도 포함할 수 있다. 반응이 완료된 후, 습윤겔을 세척하여 미반응 화합물 및 반응 부산물을 제거한다.
에어로겔의 소수성 처리를 위한 소수화제는 일반적으로 다음 식의 화합물이고: RNMX4-N; 여기서 M은 금속이고; R은 CH3, CH2CH3, C6H6, 또는 유사한 소수성 알킬, 사이클로알킬 또는 아릴 부분과 같은 소수성 기이고; X는 할로겐, 보통 Cl이다. 소수화제의 구체적인 예는 비제한적으로 다음을 포함한다: 트리메틸클로로실란[TMCS], 트리에틸클로로실란[TECS], 트리페닐클로로실란[TPCS], 디메틸클로로실란[DMCS], 디메틸디클로로실란[DMDCS] 등. 소수화제는 또한 다음 식을 가질 수 있고: Y(R3M)2; 여기서 M은 금속이고; Y는 NH 또는 O와 같은 가교기이고; R은 CH3, CH2CH3, C6H6, 또는 유사한 소수성 알킬, 시클로알킬 또는 아릴 부분과 같은 소수성 기이다. 이러한 소수화제의 구체적인 예는 비제한적으로 다음을 포함한다: 헥사메틸디실라잔[HMDZ] 및 헥사메틸디실록산[HMDSO]. 소수화제는 다음 식의 화합물을 추가로 포함할 수 있고: RNMV4-N, 여기서 V는 할로겐 이외의 반응성 또는 이탈기이다. 이러한 소수화제의 구체적인 예는 비제한적으로 다음을 포함한다: 비닐트리에톡시실란 및 비닐트리메톡시실란.
본 개시내용의 맥락에서, 용어 "소수성-결합된 규소"는 규소 원자에 공유 결합된 적어도 하나의 소수성 기를 포함하는 겔 또는 에어로겔의 골격 내의 규소 원자를 지칭한다. 소수성-결합된 규소의 예는 비제한적으로, 적어도 하나의 소수성 기(예: MTES 또는 DMDS)를 포함하는 겔 전구체로부터 형성된 겔 골격 내의 실리카 기의 규소 원자를 포함한다. 소수성-결합 규소는 또한 비제한적으로, 소수성-결합 규소를 소수화제(예: HMDZ)로 처리하여 겔 표면에 추가 소수성 기를 조성물 내로 함입시켜 소수성을 부여하거나 향상시키는 겔 골격 또는 겔 표면의 규소 원자를 포함할 수 있다. 본 발명의 소수성 기는 비제한적으로, 메틸 기, 에틸 기, 프로필 기, 이소프로필 기, 부틸 기, 이소부틸 기, tert부틸 기, 옥틸 기, 페닐 기, 또는 당업자에게 공지된 다른 치환 또는 비치환 소수성 유기 기를 포함한다. 본 개시내용의 맥락에서, "소수성 기", "소수성 유기 재료" 및 "소수성 유기 함량"이라는 용어는 유기 용매와 실라놀 기 사이의 반응의 산물인 겔 재료의 골격 상의 쉽게 가수분해 가능한 유기 규소 결합 알콕시 기를 구체적으로 제외한다.
본 개시내용의 맥락에서, 용어 "지방족 소수성 기", "지방족 소수성 유기 재료" 및 "지방족 소수성 유기 함량"은 비제한적으로 포화 또는 불포화(방향족은 아님)일 수 있는 1-40개의 탄소 원자를 함유하는 탄화수소 부분을 포함하는 지방족 탄화수소로 제한되는 소수성-결합 규소 상의 소수성 기를 기술하고, 이는 직쇄, 분지형, 환형 부분(융합, 가교 및 스피로 융합 다환식 포함) 또는 이의 조합, 가령 알킬, 알케닐, 알키닐, (사이클로알킬)알킬, (사이클로알케닐)알킬 또는 (사이클로알케닐)알케닐 부분, 및 헤테로-지방족 부분(여기서 하나 이상의 탄소 원자가 독립적으로 산소, 황, 질소 또는 인으로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 원자로 대체됨)을 포함할 수 있다. 본 개시내용의 특정 구체예에서, 에어로겔 조성물 중 소수성 유기 재료의 50% 이상이 지방족 소수성 기를 포함한다.
본 개시내용의 맥락에서, 용어 "소수성 유기 함량"은 에어로겔 재료 또는 조성물 중 골격에 결합된 소수성 유기 재료의 양을 지칭한다. 에어로겔 재료 또는 조성물의 소수성 유기 함량은 에어로겔 재료 또는 조성물 중 재료의 총량에 대한 에어로겔 골격 상의 소수성 유기 재료 양의 중량%로 표현될 수 있다. 소수성 유기 함량은 에어로겔 재료 또는 조성물을 제조하는데 사용되는 재료의 성질 및 상대 농도를 기초로 당업자에 의해 계산될 수 있다. 소수성 유기 함량은 불활성 분위기에서 열중량 분석(TGA)을 사용하여 측정할 수도 있다. 구체적으로, 에어로겔 내 소수성 유기 재료의 백분율은 TGA 분석 중 연소열 온도에 노출되었을 때 소수성 에어로겔 재료 또는 조성물의 중량 손실 백분율과 상관관계가 있을 수 있으며, TGA 분석 중 수분 손실, 잔류 용매 손실 및 쉽게 가수분해 가능한 알콕시 기의 손실에 대해 조정한다.
본 개시내용의 에어로겔 재료 또는 조성물은 50 중량% 이하, 40 중량% 이하, 30 중량% 이하, 25 중량% 이하, 20 중량% 이하, 15 중량% 이하, 10 중량% 이하, 8 중량% 이하, 6 중량% 이하, 5 중량% 이하, 4 중량% 이하, 3 중량% 이하, 2 중량% 이하, 1 중량% 이하 또는 이들 값 중 임의의 두 개 사이의 범위일 수 있는 소수성 유기 함량을 가질 수 있다.
에어로겔 재료 및 에어로겔 복합재의 낮은 열 전도성은 이들을 절연 용도에 이상적인 재료로 만든다. 하나의 예시적인 용도에서, 에어로겔 복합재는 개별 배터리 셀 또는 배터리 셀 그룹 사이의 열 배리어로서 사용될 수 있다. 배터리 셀은 "남용 조건"에서 치명적인 고장을 일으키기 쉽다. 남용 조건은 기계적 남용, 전기적 남용 및 열적 남용을 포함한다. 이러한 남용 조건 중 하나 또는 전부는 외부 또는 내부에서 시작된다. 예를 들어 서비스로 인한 스트레스, 노후화, 설계 오류 예를 들어 셀 간격, 셀 상호 연결 스타일, 셀 형성 인자, 제조, 작동 및 유지 관리와 같은 구성 매개변수 오류는 다양한 종류의 남용을 일으킬 수 있는 내부 기계적 요인이다. 외부 기계적 요인은 추락이나 셀 침투 등으로 인한 LIB 손상이나 피해를 포함한다. 전기적 남용 조건은 주로 배터리 셀의 내부 또는 외부 단락, 과충전 및 과방전을 포함한다. 열 남용은 일반적으로 과열로 인해 발생한다. 예를 들어, 배터리 셀의 과열은 높은 주변 온도에서 배터리 셀을 작동함으로써 발생할 수 있다. 내부적으로 열 남용은 배터리 셀의 전기적, 기계적 결함으로 인해 발생할 수 있다.
전기적 기계적 또는 열적 남용 조건으로 인해 배터리 셀에서 열 폭주가 발생할 수 있다. 열폭주(thermal runaway)는 배터리 셀의 내부 반응속도가 배출할 수 있는 것보다 더 많은 열이 발생하는 수준까지 증가해 반응속도와 발열량이 더욱 증가하는 현상을 말한다. 열 폭주 중에 고온은 배터리에서 일련의 발열 반응을 유발하여 배터리 온도를 빠르게 증가시킨다. 많은 경우, 하나의 배터리 셀에서 열폭주가 발생하면 발생된 열은 열폭주가 발생하는 셀에 근접한 셀을 빠르게 가열한다. 열 폭주 반응에 추가된 각 셀에는 반응을 계속하기 위한 추가 에너지가 포함되어 있어서 배터리 팩 내에서 열 폭주 전파가 발생하여 결국 화재나 폭발로 인해 배터리 팩이 치명적인 고장을 일으키는 원인이 된다. 신속한 열 방출과 열 전달 경로의 효과적인 차단은 열 폭주 전파로 인한 위험을 줄이는 효과적인 대책이 될 수 있다.
본 발명의 한 양상에서, 에어로겔 또는 에어로겔 복합재는 약 200℃ 내지 400℃ 사이의 온도에서 10% 초과의 산소를 포함하는 분위기 하에서 가열되어 에어로겔 재료의 압축 영구 변형을 감소시킨다. ASTM D3574 - 테스트 D에 따라 결정된 압축 영구 변형률이 15% 이하인 가열 에어로겔 또는 가열 에어로겔 복합재는 차단재로 사용하거나 배터리 셀 사이에 위치하는 다층 차단재의 일부로 사용할 수 있다. 개선된 압축 영구 변형은 에어로겔 또는 에어로겔 복합재의 영구 변형 없이 또는 최소한의 영구 변형으로 인접한 배터리 셀의 팽창 및 수축에 각각 반응하여 에어로겔 또는 에어로겔 복합재가 수축 및 팽창할 수 있게 한다.
배터리 모듈 및 배터리 팩은 장치 또는 차량에 전기 에너지를 공급하는 데 사용될 수 있다. 배터리 모듈 또는 배터리 팩을 사용하는 장치는 랩탑 컴퓨터, PDA, 휴대폰, 태그 스캐너, 오디오 장치, 비디오 장치, 디스플레이 패널, 비디오 카메라, 디지털 카메라, 데스크탑 컴퓨터 군용 휴대용 컴퓨터 군용 전화기 레이저 거리 측정기 디지털 통신 장치, 정보 수집 센서, 전자 통합 의류, 야간 투시 장비, 전동 공구, 계산기, 라디오, 원격 제어 기기, GPS 장치, 휴대용 텔레비전, 자동차 시동 장치, 손전등, 음향 장치, 휴대용 난방 장치, 휴대용 진공 청소기 또는 휴대용 의료 도구를 포함한다. 차량에 사용될 경우, 배터리 팩은 순수 전기차 또는 하이브리드 차량에 사용할 수 있다.
실시예
다음 실시예는 본 발명의 바람직한 구체예를 입증하기 위해 포함된다. 당업자는 하기 실시예에 개시된 기술이 본 발명의 실시에서 잘 기능하도록 발명자에 의해 발견된 기술을 나타내고, 따라서 그의 실시를 위한 바람직한 모드를 구성하는 것으로 간주될 수 있음을 이해해야 한다. 그러나, 당업자는 본 개시 내용에 비추어 볼 때, 개시된 특정 구체예에서 많은 변경이 이루어질 수 있고 여전히 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 유사하거나 유사한 결과를 얻을 수 있음을 인식해야 한다.
ASTM D 3574 - 테스트 D를 사용한 에어로겔 복합재의 비교 테스트
테스트 1 - 질소 어닐과 공기 어닐의 비교
2.25mm 두께의 실리카계 에어로겔 복합재를 열처리 전후에 ASTM D 3574 - 테스트 D를 사용하여 테스트했다(에어로겔 샘플 S100142). 에어로겔 복합재의 실리카 밀도는 0.085g/cc, SiC 함량은 35%, 소수성 함량은 36%였다. 샘플 시험은 에어로겔 시편을 응력을 받지 않은 두께의 50%의 최대 변형률로 압축한 후 20분간 압축 상태를 유지한 후 샘플의 압축을 풀고 24시간 후 압축되지 않은 상태에서 시편의 두께 변화를 측정하는 방식으로 진행했다. 이 테스트 결과는 표 1에 요약되어 있다. 표 1에 나타낸 바와 같이, 미처리 에어로겔 복합재는 49.6%의 압축 영구 변형을 가진다. 350℃의 질소 분위기(산소 함량 10% 미만)에서 가열하여 에어로겔 복합재를 처리하면 에어로겔 복합재를 질소 분위기에서 가열한 시간에 따라 압축 영구 변형을 16%, 23% 또는 31%로 향상시킨다. 에어로겔 복합재를 공기 분위기에서 가열함으로써 압축 영구 변형이 훨씬 더 향상되었다. 공기 분위기(산소 함량 약 21%)에서 350℃로 가열하여 에어로겔 복합재를 처리하면 압축 영구 변형을 15% 미만(구체적으로는 에어로겔 복합재를 공기 중에서 가열한 시간에 따라 5.6%, 10.2% 및 2.0%)으로 향상시킨다.
표 1
테스트 2 - 처리 온도의 비교
2.25mm 두께의 실리카계 에어로겔 복합재를 열처리 전후에 ASTM D 3574 - 테스트 D를 사용하여 테스트했다(에어로겔 샘플 S100142). 에어로겔 복합재의 실리카 밀도는 0.085g/cc, SiC 함량은 35%, 소수성 함량은 36%였다. 샘플 시험은 에어로겔 시편을 응력을 받지 않은 두께의 60%의 최대 변형률로 압축한 후 20분간 압축 상태를 유지한 후 샘플의 압축을 풀고 24시간 후 압축되지 않은 상태에서 시편의 두께 변화를 측정하는 방식으로 진행했다. 이 테스트 결과는 표 2에 요약되어 있다. 이 테스트에서는 처리 온도의 영향을 연구했다. 표 2에 나타낸 바와 같이, 처리 온도 350°C(2.86% 압축 영구 변형)에서 최상의 결과를 얻었다. 400°C 이상의 공기 중에서 샘플을 처리하면 산화로 인해 샘플이 분해될 수 있으며 이는 이 처리의 상한선을 나타낸다.
표 2
테스트 3 - 압축 영구 변형의 에어로겔 샘플의 두께 비교
4mm 두께의 실리카계 에어로겔 복합재를 열처리 전후에 ASTM D 3574 - 테스트 D를 사용하여 테스트했다(에어로겔 샘플 S100144). 에어로겔 복합재의 실리카 밀도는 0.085g/cc, SiC 함량은 35%, 소수성 함량은 36%였다. 샘플 시험은 에어로겔 시편을 응력을 받지 않은 두께의 60%의 최대 변형률로 압축한 후 10분간 압축 상태를 유지한 후 샘플의 압축을 풀고 24시간 후 압축되지 않은 상태에서 시편의 두께 변화를 측정하는 방식으로 진행했다. 이 테스트 결과는 표 3에 요약되어 있다. 테스트 1의 결과와 유사하게 공기 중 처리 온도 350°C(11.17% 압축 영구 변형)에서 압축 영구 변형이 15% 미만으로 감소했다.
표 3
테스트 4 - 에어로겔 어닐링 온도가 압축 영구 변형에 미치는 영향
4mm 두께의 실리카계 에어로겔 복합재를 열처리 전후에 ASTM D 3574 - 테스트 D를 사용하여 테스트했다(에어로겔 샘플 S100144). 에어로겔 복합재의 실리카 밀도는 0.085g/cc, SiC 함량은 35%, 소수성 함량은 36%였다. 샘플 시험은 에어로겔 시편을 응력을 받지 않은 두께의 50%의 최대 변형률로 압축한 후 960분간 압축 상태를 유지한 후 샘플의 압축을 풀고 24시간 후 압축되지 않은 상태에서 시편의 두께 변화를 측정하는 방식으로 진행했다. 이 테스트 결과는 표 4에 요약되어 있다. 테스트 3의 결과와 유사하게 공기 중 처리 온도 350°C(9.2% 압축 영구 변형)에서 압축 영구 변형이 15% 미만으로 감소했다.
표 4
테스트 5 - 어닐링 온도가 압축 영구 변형에 미치는 영향
4mm 두께의 실리카계 에어로겔 복합재를 열처리 전후에 ASTM D 3574 - 테스트 D를 사용하여 테스트했다(에어로겔 샘플 S100144). 에어로겔 복합재의 실리카 밀도는 0.085g/cc, SiC 함량은 35%, 소수성 함량은 36%였다. 샘플 시험은 에어로겔 시편을 응력을 받지 않은 두께의 60%의 최대 변형률로 압축한 후 20분간 압축 상태를 유지한 후 샘플의 압축을 풀고 24시간 후 압축되지 않은 상태에서 시편의 두께 변화를 측정하는 방식으로 진행했다. 이 테스트 결과는 표 5에 요약되어 있다. 이 테스트에서는 처리 온도의 영향을 연구했다. 표 5에 나타낸 바와 같이, 처리 온도 350°C(12.71% 압축 영구 변형)에서 최상의 결과를 얻었다. 400°C 이상의 공기 중에서 샘플을 처리하면 산화로 인해 샘플이 분해될 수 있으며 이는 이 처리의 상한선을 나타낸다.
표 5
테스트 6 - 에어로겔 에어로겔을 형성하는 데 사용된 염기의 비교
실리카-계 에어로겔 복합재를 열처리 전후에 ASTM D 3574 - 테스트 D를 사용하여 테스트했다. 제1 실리카-에어로겔 복합재(구아니딘)는 습윤겔 형성을 촉매하는 염기로서 구아니딘을 사용하여 형성되었다. 제1 실리카-에어로겔 복합재의 소수성 함량은 36%였다. 제2 실리카-에어로겔 복합재(암모니아)는 습윤겔 형성을 촉매하는 염기로서 암모니아를 사용하여 형성되었다. 제2 실리카-에어로겔 복합재의 소수성 함량은 36%였다. 샘플 시험은 에어로겔 시편을 응력을 받지 않은 두께의 50%의 최대 변형률로 압축한 후 20분간 압축 상태를 유지한 후 샘플의 압축을 풀고 24시간 후 압축되지 않은 상태에서 시편의 두께 변화를 측정하는 방식으로 진행했다. 이 테스트 결과는 표 6에 요약되어 있다. 암모니아로 형성된 샘플에 비해 구아니딘으로 형성된 샘플에서 압축 영구 변형이 더 실질적으로 감소했다.
표 6
테스트 7 - 에어로겔 복합재의 비교 주기적 테스트
두께 2.25 mm의 실리카계 에어로겔 복합재를 주기 압축을 사용하여 시험했다(에어로겔 샘플 S100142). 에어로겔 복합재의 실리카 밀도는 0.085g/cc, SiC 함량은 35%, 소수성 함량은 36%였다. 이 테스트는 재료에 일련의 압축 주기를 적용하는 주기적 테스트에서 재료 탄력성을 평가하기 위한 맞춤형 방법론에 기초했다. 구체적으로, 재료를 2mm/분의 속도로 피크 변형률 목표(60% 변형률)로 순환시키고, 15분 동안 해당 변형률 목표에서 유지시키고, 더 낮은 변형률 목표(50% 변형률)로 언로드하고, 이 변형률에서 15분 동안 유지시키고 그런 다음 최대 변형률 상태로 돌렸다. 이 주기를 데이터베이스의 각 재료에 대해 35회 반복하고 재료의 회수율(%)은 24시간 복구 기간 후에 보고되었다. 이 테스트 결과는 표 7에 요약되어 있다. 표 7에 나타낸 바와 같이, 미처리 에어로겔 복합재는 49.6%의 압축 영구 변형을 가진다. 350℃의 공기 분위기에서 가열하여 에어로겔 복합재를 처리하면 주기적 테스트 후 압축 영구 변형을 4.6%로 향상시킨다.
표 7
테스트 8 - 노화 온도가 압축 영구 변형에 미치는 영향
실리카계 에어로겔 복합재는 열처리 전후에 ASTM D 3574 - 테스트 D 및 주기적 테스트를 사용하여 테스트했다 (에어로겔 샘플 S100149). 에어로겔 복합재의 실리카 밀도는 0.055g/cc, SiC 함량은 35%, 소수성 함량은 36%였다. 실리카-계 에어로겔 복합재는 표준 노화 조건(Standard) 또는 고온, 고압 노화 조건(87℃, HTHP)에서 제조했다. 모든 샘플을 공기 중에서 350℃에서 어닐링했다. 샘플 시험은 에어로겔 시편을 응력을 받지 않은 두께의 60%의 최대 변형률로 압축한 후 20분간 압축 상태를 유지한 후 샘플의 압축을 풀고 24시간 후 압축되지 않은 상태에서 시편의 두께 변화를 측정하는 방식으로 진행했다. ASTM D 3574 테스트 결과는 표 8에 나와 있다. 주기적 테스트의 경우, 재료를 2mm/분의 속도로 50-60% 범위의 피크 변형률로 순환시키고, 15분 동안 해당 변형률 목표에서 유지시키고, 더 낮은 변형률 목표(50% 변형률)로 언로드하고, 이 변형률에서 15분 동안 유지시키고 그런 다음 최대 변형률 상태로 돌렸다. 이 주기를 데이터베이스의 각 재료에 대해 35회 반복하고 재료의 회수율(%)은 24시간 복구 기간 후에 보고되었다. 주기적 테스트 결과는 표 9에 요약되어 있다. 결과는 어닐링되지 않은 HTHP 샘플이 어닐링되지 않은 표준 샘플보다 성능이 우수하다는 것을 보여준다. 표준 샘플과 비교하여 어닐링된 HTHP 샘플의 모든 이점은 주기적 테스트 후에 실현된다.
표 8
표 9
테스트 9 - 노화 온도가 압축 영구 변형에 미치는 영향
실리카-계 에어로겔 복합재를 단일 압축 및 주기 압축 테스트를 사용하여 테스트했다. 에어로겔 복합재의 실리카 밀도는 0.055g/cc, SiC 함량은 35%, 소수성 함량은 36%였다. 실리카-계 에어로겔 복합재를 80 ℃, 90 ℃, 100 ℃, 및 110 ℃의 온도에서 고온, 고압 노화 조건 (HTHP) 하에서 제조했다. 모든 샘플을 공기 중에서 350℃에서 어닐링했다. 샘플 시험은 에어로겔 시편을 응력을 받지 않은 두께의 50%의 최대 변형률로 압축한 후 24시간 압축 상태를 유지한 후 24시간 후 시편의 두께 변화를 측정하는 방식으로 진행했다. 단일 압축 테스트 결과는 표 10에 나와 있다. 주기적 테스트의 경우, 재료를 2mm/분의 속도로 50-60% 범위의 피크 변형률로 순환시키고, 15분 동안 해당 변형률 목표에서 유지시키고, 더 낮은 변형률 목표(50% 변형률)로 언로드하고, 이 변형률에서 15분 동안 유지시키고 그런 다음 최대 변형률 상태로 돌렸다. 이 주기를 각 재료에 대해 50회 반복하고 재료의 회수율(%)은 24시간 복구 기간 후에 보고되었다. 주기적 테스트 결과는 표 11에 요약되어 있다. 결과는 노화 온도를 높이면 압축 영구 변형 거동이 향상된다는 것을 보여준다. 주기적 테스트 결과는 따르면 노화 온도가 높을수록 압축 영구 변형 이 향상되고 최소 응력 값이 50사이클 후에도 40kPa 이상으로 유지될 수 있다는 것을 보여준다.
표 10
표 11
테스트 10 - 60% 변형률 압축 영구 변형에 대한 노화 온도/실리카 밀도의 효과
실리카-계 에어로겔 복합재를 단일 압축 테스트을 사용하여 테스트했다. 에어로겔 복합재의 SiC 함량은 35%, 소수성 함량은 36%였다. 에어로겔의 실리카 밀도는 0.065 g/cc (Aero65), 0.075 g/cc (Aero75), 0.085 g/cc (Aero85), 또는 0.095 g/cc (Aero95) 실리카 밀도였다. 실리카-계 에어로겔 복합재를 110 ℃에서 고온, 고압 노화 조건 (HTHP) 하에서 제조했다. 에어로겔 복합재 폭은 2.5 mm 또는 5 mm였다. 샘플 시험은 에어로겔 시편을 응력을 받지 않은 두께의 60%의 최대 변형률로 압축한 후 24시간 압축 상태를 유지한 후 샘플의 압축을 풀고 즉시(즉시) 및 24시간 후(24시간) 압축되지 않은 상태에서 시편의 두께 변화를 측정하는 방식으로 진행했다. 2.5mm 샘플 폭에 대한 단일 압축 테스트 결과는 표 12에 나와 있고 5mm 샘플 폭은 표 13에 나와 있다. 즉각적인 스프링 백 및 최종 압축 영구 변형은 실리카 밀도가 증가함에 따라 향상(낮아짐)된다.
표 12
표 13
테스트 11 - 80% 변형률 압축 영구 변형에 대한 노화 온도/실리카 밀도의 효과
실리카-계 에어로겔 복합재를 단일 압축 테스트을 사용하여 테스트했다. 에어로겔 복합재의 SiC 함량은 35%, 소수성 함량은 36%였다. 에어로겔의 실리카 밀도는 0.065 g/cc (Aero65), 0.075 g/cc (Aero75), 0.085 g/cc (Aero85), 또는 0.095 g/cc (Aero95) 실리카 밀도였다. 실리카-계 에어로겔 복합재를 110 ℃에서 고온, 고압 노화 조건 (HTHP) 하에서 제조했다. 에어로겔 복합재 폭은 2.5 mm 또는 5 mm였다. 샘플 시험은 에어로겔 시편을 응력을 받지 않은 두께의 80%의 최대 변형률로 압축한 후 24시간 압축 상태를 유지한 후 샘플의 압축을 풀고 즉시(즉시) 및 24시간 후(24시간) 압축되지 않은 상태에서 시편의 두께 변화를 측정하는 방식으로 진행했다. 2.5mm 샘플 폭에 대한 단일 압축 테스트 결과는 표 14에 나와 있다. 5mm 샘플 폭은 표 15에 나와 있다. 즉각적인 스프링 백 및 최종 압축 영구 변형은 실리카 밀도가 증가함에 따라 향상(낮아짐)된다.
표 14
표 15
테스트 12 - HTHP 샘플의 압축 영구 변형에 대한 어닐링 온도의 영향
실리카-계 에어로겔 복합재를 단일 압축 테스트 및 주기적 테스트를 사용하여 테스트했다. 에어로겔 복합재의 SiC 함량은 35%, 소수성 함량은 36%였다. 실리카-계 에어로겔 복합재를 110 ℃에서 고온, 고압 노화 조건 (HTHP) 하에서 제조했다. 에어로겔 복합재 폭은 5 mm였다. 샘플를 공기 중에서 250°C, 275°C, 300°C, 325°C 또는 350°C에서 어닐링했다. 샘플 시험은 에어로겔 시편을 응력을 받지 않은 두께의 60% 또는 80%의 최대 변형률로 단일 압축한 후 20분간 압축 상태를 유지한 후 샘플의 압축을 풀고 압축되지 않은 상태에서 시편의 두께 변화를 측정하는 방식으로 진행했다. 주기적 테스트의 경우, 재료를 2mm/분의 속도로 50-60% 범위의 피크 변형률로 순환시키고, 15분 동안 해당 변형률 목표에서 유지시키고, 더 낮은 변형률 목표(50% 변형률)로 언로드하고, 이 변형률에서 15분 동안 유지시키고 그런 다음 최대 변형률 상태로 돌렸다. 이 주기를 각 재료에 대해 50회 반복하고 재료의 회수율(%)은 24시간 복구 기간 후에 보고되었다. 60% 변형 압축에 대한 단일 압축 테스트 결과는 표 16에 나와 있다. 80% 변형 압축에 대한 단일 압축 테스트 결과는 표 17에 나와 있다. 주기 압축 테스트 결과는 표 18에 나와 있다. 점점 더 심한 기계적 압축(80%, 주기적 테스트)에 대한 탄력성을 유지하려면 더 높은 열처리 온도가 필요한 것으로 나타났다.
표 16
표 17
표 18
테스트 13 - MTES Sol 분자량이 압축 영구 변형에 미치는 영향
실리카-계 에어로겔 복합재를 단일 압축 테스트을 사용하여 테스트했다. 에어로겔 복합재의 SiC 함량은 35%, 소수성 함량은 36%였다. 고분자량 에어로겔 조성물(고분자량)은 가수분해 중 고형분 증가를 통해 MTES 졸의 분자량을 증가시켜 제조했다. MTES 졸의 분자량은 표준 분자량 제제에 비해 2배 내지 3배 범위로 증가했다. 고분자량 에어로겔 조성물을 표준 분자량 제제(표준)와 비교했다. 실리카-계 에어로겔 복합재를 90 ℃에서 고온, 고압 노화 조건 (HTHP) 하에서 제조했다. 에어로겔 복합재를 보강재로서 포모사(Formosa) 배팅(Formosa) 또는 카뉴에(Canyue) 배팅(Canyue) 상에서 형성했다. 포모사 에어로겔 복합재의 두께는 3.2mm였다. 카뉴에 에어로겔 복합재의 두께는 2.5mm였다. 샘플를 공기 중에서 250°C, 300°C 또는 350°C에서 어닐링했다. 샘플 시험은 에어로겔 시편을 응력을 받지 않은 두께의 60%의 최대 변형률(Formosa) 또는 50% 최대 변형률 (Canyue)로 압축한 후 24시간 동안 압축 상태를 유지한 후 샘플의 압축을 풀고 24시간 후 압축되지 않은 상태에서 시편의 두께 변화를 측정하는 방식으로 진행했다. Formosa 샘플에 대한 단일 압축 테스트 결과는 표 19에 나와 있다. Canyue 샘플에 대한 단일 압축 테스트 결과는 표 20에 나와 있다. 증가된 MTES 분자량은 표준 MW 제제에 비해 압축 영구 변형 거동을 개선하며, 특히 어닐링 이후에 더욱 두드러진다.
표 19
표 20
테스트 14 - 강화 에어로겔의 밀도가 압축 영구 변형에 미치는 영향
실리카-계 에어로겔 복합재를 단일 압축 테스트을 사용하여 테스트했다. 에어로겔 복합재의 소수성 함량은 36%였다. 에어로겔 재료의 실리카 밀도는 0.045g/cc(Aero45R), 0.065g/cc(Aero65R) 또는 0.085g/cc(Aero85R) 실리카 밀도였다. 에어로겔 복합재를 습윤겔 형성 동안 구아니딘을 염기로 사용하여 보강재로서의 멜라민 폼 위에 형성했다. 멜라민 에어로겔 복합재의 두께는 10mm였다. 샘플를 공기 중에서 250°C에서 어닐링했다. 샘플 시험은 에어로겔 시편을 응력을 받지 않은 두께의 80%의 최대 변형률로 압축한 후 1분간 압축 상태를 유지한 후 샘플의 압축을 풀고 압축되지 않은 상태에서 시편의 두께 변화를 측정하는 방식으로 진행했다. 멜라민 에어로겔 복합재에 대한 단일 압축 테스트 결과는 표 21에 나와 있다.
표 21
테스트 15 - 강화 에어로겔의 소수성 함량이 압축 영구 변형에 미치는 영향
단일 압축 테스트를 사용하여 실리카계 에어로겔 복합재를 테스트했다. 에어로겔 복합재는 36% MTES, 50% MTES, 65% MTES, 80% MTES, 100% MTES 또는 100% MTMS의 소수성 함량을 가졌다. "100% MTES"는 표준 제제와 같지만 36% MTES 대신 100%를 사용한다. "100% MTMS"는 일반 인산 대신 옥살산으로 가수분해된 MTES이며, 용매는 에탄올이 아닌 메탄올이다. 에어로겔 재료의 실리카 밀도는 0.065g/cc였다. 에어로겔 복합재를 습윤 겔 형성 동안 MTES의 염기로서 구아니딘을 사용하고 MTMS의 염기로서 암모니아를 사용하여 보강재로서의 멜라민 폼 위에 형성했다. 멜라민 에어로겔 복합재의 두께는 10mm였다. 샘플를 공기 중에서 250°C에서 어닐링했다. 샘플 시험은 에어로겔 시편을 응력을 받지 않은 두께의 80%의 최대 변형률로 압축한 후 1분간 압축 상태를 유지한 후 샘플의 압축을 풀고 압축되지 않은 상태에서 시편의 두께 변화를 측정하는 방식으로 진행했다. 멜라민 에어로겔 복합재에 대한 모노-압축 테스트 결과는 표 22에 나와 있다. 열처리 없이 36-80% MTES의 탄력성은 유사하며 100% MTES까지 개선되지 않는다. 열처리 후 % MTES가 증가할수록 탄력성이 향상되는 경향이 있다. MTES 유래 에어로겔은 가교 밀도가 낮기 때문에 실리카보다 탄력성이 더 뛰어날 수 있다. 100% MTES와 100% MTMS는 표준 제제에 비해 비슷한 크기의 큰 기공을 가지지만 100% MTMS는 탄력성이 있는 반면 100% MTES는 그다지 탄력성이 없는 것으로 나타났다. 어떤 이론에도 얽매이지 않고, 탄력성의 이러한 차이는 아마도 100% MTMS의 낮은 가교 밀도 때문일 것이다. 100% MTES의 탄력성은 열처리를 통해 향상될 수 있지만 여전히 100% MTMS만큼 낮지는 않는다.
표 22
테스트 16 - 유리섬유 강화 에어로겔의 소수성 함량이 압축 영구 변형에 미치는 영향
단일 압축 테스트를 사용하여 실리카계 에어로겔 복합재를 테스트했다. 에어로겔 복합재는 36% MTES, 50% MTES, 65% MTES, 80% MTES, 100% MTES 또는 100% MTMS의 소수성 함량을 가졌다. "100% MTES"는 표준 제제와 같지만 36% MTES 대신 100%를 사용한다. "100% MTMS"는 일반 인산 대신 옥살산으로 가수분해된 MTES이며, 용매는 에탄올이 아닌 메탄올이다. 에어로겔 재료의 실리카 밀도는 0.065g/cc였다. 에어로겔 복합재를 습윤 겔 형성 동안 MTES의 염기로서 구아니딘을 사용하고 MTMS의 염기로서 암모니아를 사용하여 보강재로서의 유리섬유 위에 형성했다. 멜라민 에어로겔 복합재의 두께는 3mm였다. 샘플를 공기 중에서 350°C에서 어닐링했다. 샘플 시험은 에어로겔 시편을 응력을 받지 않은 두께의 약 56%의 최대 변형률로 압축한 후 24시간 동안 압축 상태를 유지한 후 샘플의 압축을 풀고 압축되지 않은 상태에서 시편의 두께 변화를 측정하는 방식으로 진행했다. 멜라민 에어로겔 복합재에 대한 모노-압축 테스트 결과는 표 23에 나와 있다. 에어로겔 복합재의 주기 압축도 수행했다. 주기적 테스트를 위해 재료를 2mm/min에서 50-60% 범위의 변형률로 순환시키고 낮은 변형률 목표(50% 변형률)까지 언로드하고, 이후 다시 최고 변형률 조건으로 돌렸다. 이 주기는 각 재료에 대해 35회 반복되었으며 재료의 회수율(%)이 보고되었다. 멜라민 에어로겔 복합재에 대한 주기 압축 테스트 결과는 표 24에 나와 있다. 테스트 15에서 볼 수 있듯이, 열처리 없이 36-80% MTES의 탄력성은 유사하며 100% MTES까지 크게 개선되지 않는다.
표 23
표 24
본 특허에는 특정 미국 특허, 미국 특허 출원 및 기타 자료(예: 논문)가 참조로 포함되어 있다. 그러나 그러한 미국 특허, 미국 특허 출원 및 기타 자료의 텍스트는 해당 텍스트와 여기에 설명된 다른 설명 및 그림 사이에 충돌이 존재하지 않는 범위 내에서만 참조로 포함된다. 그러한 상충이 있는 경우, 참조로 포함된 미국 특허, 미국 특허 출원 및 기타 자료의 충돌하는 텍스트는 특별히 본 특허에 참조로 포함되지 않는다.
본 설명을 고려하면 본 발명의 다양한 양상의 추가적인 수정 및 대안적인 구체예가 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 이 설명은 단지 예시적인 것으로 해석되어야 하며, 본 발명을 수행하는 일반적인 방식을 당업자에게 교시할 목적을 위한 것이다. 본 명세서에 도시되고 설명된 본 발명의 형태는 구체예의 예로서 받아들여져야 한다는 것이 이해되어야 한다. 요소 및 재료는 본 명세서에 도시되고 설명된 것을 대체할 수 있고, 부분 및 공정은 반대가 될 수 있으며, 본 발명의 특정 특징은 독립적으로 활용될 수 있으며, 이는 모두 본발명의 설명의 이점을 얻은 후 당업자에게 명백할 것이다. 다음의 청구범위에 설명된 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않고 여기에 설명된 요소에 변경이 이루어질 수 있다.

Claims (34)

  1. 다음을 포함하는 방법:
    (a) ASTM D3574 - 테스트 D에 의해 결정된 압축 영구 변형이 15%를 초과하는 제1 에어로겔을 제공하는 단계;
    (b) 10% 초과의 산소를 포함하는 분위기 하에서 약 200℃ 내지 400℃의 온도에서 제1 에어로겔을 가열하여 제2 에어로겔을 얻는 단계;
    여기서, 제1 에어로겔은, 얻어진 제2 에어로겔이 ASTM D3574 - 테스트 D에 의해 결정된 압축 영구 변형이 15% 이하가 되도록 제1 에어로겔의 압축 영구 변형을 변경하기에 충분한 시간 동안 가열됨.
  2. 제1항에 있어서, 분위기가 약 15% 내지 약 25%의 산소를 포함하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 분위기가 공기인 방법.
  4. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 에어로겔을 약 30초 이상의 시간 동안 가열하는 방법.
  5. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 에어로겔을 약 30초 내지 약 3시간 동안 가열하는 방법.
  6. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 에어로겔을 가열하는 동안 온도가 400℃ 미만의 온도로 제한되는 방법.
  7. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 에어로겔이 실리카를 포함하는 방법.
  8. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 에어로겔이 염기를 포함하는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 염기가 아민 염기인 방법.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 제1 에어로겔이 0.5% 이상의 염기를 포함하는 것인 방법.
  11. 제8항 또는 제9항에 있어서, 제1 에어로겔이 0.5% 내지 약 10%의 염기를 포함하는 것인 방법.
  12. 제8항 또는 제9항에 있어서, 제1 에어로겔 중 염기의 양이 제2 에어로겔 중 염기의 양보다 많은 것인 방법.
  13. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 에어로겔이 강화 재료를 포함하는 에어로겔 복합재인 방법.
  14. 제13항에 있어서, 강화 재료는 섬유 강화 재료인 방법.
  15. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 에어로겔이 불투명화 첨가제를 포함하는 에어로겔 복합재인 방법.
  16. 제15항에 있어서, 불투명화 첨가제가 B4C, 규조토, 망간 페라이트, MnO, NiO, SnO, Ag2O, Bi2O3, TiC, WC, 카본 블랙, 산화 티타늄, 산화 철 티타늄, 규산지르코늄, 산화지르코늄, 산화철(I), 산화철(III), 이산화망간, 산화철티탄(일메나이트), 산화크롬, 또는 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
  17. 제15항에 있어서, 불투명화 첨가제가 탄화규소를 포함하는 방법.
  18. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서, 다음을 포함하는 공정에 의해 제1 에어로겔을 제조하는 단계를 추가로 포함하는 방법:
    습윤 겔 재료를 형성하는 단계;
    노화 온도 및 노화 압력에서 노화 유체와 함께 습윤 겔 재료를 가열함으로써 습윤 겔 재료를 노화시키는 단계, 여기서 노화 온도는 노화 유체의 정상 끓는점보다 높고, 여기서 용기의 압력은 가열 중 노화 유체의 증기압 이상으로 유지됨; 그리고
    가열된 습윤겔 재료로부터 노화 유체를 추출하여 제1 에어로겔을 형성하는 단계.
  19. 선행하는 항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 에어로겔.
  20. 다공성 골격을 포함하는 에어로겔로서, ASTM D3574 - 시험 D에 의해 결정된 영구 압축률이 15% 이하인 에어로겔.
  21. 제19항에 있어서, 다공성 골격이 실리카를 포함하는 에어로겔.
  22. 제19항에 있어서, 시트 형태인 에어로겔.
  23. 제19항에 있어서, ASTM D3574 - 시험 D에 의해 결정된 압축 영구 변형이 10% 이하인 에어로겔.
  24. 제19항에 있어서, 에어로겔이 강화 재료를 포함하는 에어로겔 복합재인 에어로겔.
  25. 제23항에 있어서, 강화 재료가 섬유 강화 재료인 에어로겔 조성물.
  26. 제19항에 있어서, 에어로겔이 불투명화 첨가제를 포함하는 에어로겔 복합재인 에어로겔 조성물.
  27. 제25항에 있어서, 불투명화 첨가제가 B4C, 규조토, 망간 페라이트, MnO, NiO, SnO, Ag2O, Bi2O3, TiC, WC, 카본 블랙, 산화 티타늄, 산화 철 티타늄, 규산지르코늄, 산화지르코늄, 산화철(I), 산화철(III), 이산화망간, 산화철티탄(일메나이트), 산화크롬, 또는 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 에어로겔 조성물.
  28. 제25항에 있어서, 불투명화 첨가제가 탄화규소를 포함하는 에어로겔 조성물.
  29. 전기 저장 시스템에 사용하기 위한 절연 배리어로서, 제19항 내지 제27항 중 어느 한 항에 따른 에어로겔을 포함하는 절연층을 하나 이상 포함하는 절연 배리어.
  30. 다음을 포함하는 배터리 모듈:
    다수의 배터리 셀, 및
    제29항에 따르는 하나 이상의 절연 배리어, 여기서 적어도 하나의 절연 배리어가 인접한 배터리 셀 사이에 배치됨.
  31. 제29항에 기재된 하나 이상의 배터리 모듈을 포함하는 전력 시스템.
  32. 제29항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 장치 또는 차량.
  33. 제31항에 있어서, 상기 장치는 랩탑 컴퓨터, PDA, 휴대폰, 태그 스캐너, 오디오 장치, 비디오 장치, 디스플레이 패널, 비디오 카메라, 디지털 카메라, 데스크탑 컴퓨터 군용 휴대용 컴퓨터 군용 전화기 레이저 거리 측정기 디지털 통신 장치, 정보 수집 센서, 전자 통합 의류, 야간 투시 장비, 전동 공구, 계산기, 라디오, 원격 제어 기기, GPS 장치, 휴대용 텔레비전, 자동차 시동 장치, 손전등, 음향 장치, 휴대용 난방 장치, 휴대용 진공 청소기 또는 휴대용 의료 도구인 장치.
  34. 제31항에 있어서, 상기 차량은 전기자동차인 차량.
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US20220131208A1 (en) * 2019-03-21 2022-04-28 Hefei Gotion High-Tech Power Energy Co., Ltd. Multilayer composite materials with anisotropic thermal conductivity for high safety pack design
JP2023514344A (ja) * 2020-02-18 2023-04-05 ロジャーズ・コーポレイション 電池用熱管理多層シート
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