KR20240056525A - 실리카 에어로겔의 제조방법 및 이에 의해 제조된 에어로겔 - Google Patents
실리카 에어로겔의 제조방법 및 이에 의해 제조된 에어로겔 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 에어로겔, 및 보다 구체적으로는 실리카 에어로겔의 합성을 위한 주변 압력 방법에 관한 것이다. 구현예에서, 본 발명은 제어된 형상의 섬유 강화된 실리카 에어로겔 복합재를 제조하는 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 에어로겔의 제조 방법, 뿐만 아니라 이에 의해 제조된 에어로겔에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 급속 주변 압력 건조를 사용하여 실리카 에어로겔을 제조하는 방법에 관한 것이다.
에어로겔(aerogel)은 비표면적(specific surface area)이 높은 다공성 물질로 건축, 단열, 촉매 및 약물 전달과 같은 다양한 분야에서 상업적으로 응용될 수 있다. 특히, 에어로겔은 시멘트 응용 분야에서 골재(aggregate)로 사용되어 가볍고 단열 특성을 제공할 수 있다.
에어로겔은 전형적으로 졸-겔(sol-gel) 공정을 통해 제조되며, 이를 통해 3차원 '습윤-겔(wet-gel)' 골격을 얻은 후 용매 교환 및/또는 건조를 수행하여 다공성 에어로겔 구조를 수득한다.
에어로겔의 대규모 상업화에 대한 주요 장애물은 건조 단계이다.
에어로겔 생산을 위한 동결 건조(freeze-drying) 공정은 알려져 있다(Klvana et al. A New Method of Preparation of Aerogel-like Materials using a Freeze-Drying Process. Journal De Physique (1989): 50; C429-432). 그러나, 동결 건조 방법은 진공 하에서 동결 건조 용매의 승화에 의존하며, 에너지 집약적이다. 또 다른 알려진 기술인 초임계(supercritical) 건조는 고압을 활용하여 건조 용매의 초임계점에 도달하며 고압과 고온이 모두 필요하다(Anderson et al., Hydrophobic silica aerogels prepared via rapid supercritical extraction; Journal of Sol-Gel Science and Technology (2010); 53; 199-207). 이러한 공정의 높은 에너지 요구량은 상업적 실행가능성을 제한한다.
따라서 주변 압력 건조(ambient pressure drying, APD) 방법은 에어로겔에 대한 에너지 집약도가 낮은 경로를 제공한다. 기존 APD 방법은 습윤-겔 제조에 사용되는 원래 용매를 헥산, 헵탄 또는 옥탄과 같은 표면 장력이 낮은 유기 용매로 대체하는 데 의존한다. 이 방법에는 실리카 표면의 -OH 그룹을 보다 친유성 그룹으로 대체하여 건조를 촉진하기 위한 추가적인 표면 개질도 포함되는 경우가 많다. 트리메틸클로로실란(TMCS)은 실리카겔의 표면 개질에 사용되었는데 - 그러나, 이로 인해 HCl이 생성되고 이는 전형적으로 제거되어야 한다. WO2016/132117에는 TMCS로 표면 개질하는 동안 생성된 HCl과 실리카 습윤-겔 내 탄산염(carbonate) 또는 중탄산염(bicarbonate) 이온이 반응하여 내부에서 습윤-겔 기공 내에서 CO2 가스를 생성하는 것이 기재되어 있다. 이는 주위 압력 건조와 함께 습윤-겔의 보다 빠른 건조를 가능하게 한다. 그러나 경제성, 효율성 및 생산되는 에어로겔의 형태 측면에서 여전히 개선이 필요하다.
본 발명의 목적은 종래 기술과 관련된 하나 이상의 단점을 제거하거나 완화하는 것이다. 실리카 에어로겔을 제조하기 위한 확장 가능한 방법이 도움이 될 것이다. 용매 사용을 줄일 수 있는 방법과 마찬가지로 에너지 집약도가 낮은 방법이 유용할 것이다. 가공/건조 시간을 단축한 실리카 에어로겔의 제조 방법은 이를 생산하는 비용 효과적인 방법과 마찬가지로 특히 유리할 것이다. 제어된 형상의 에어로겔을 형성하는 데 사용할 수 있는 방법이 특히 유익할 것이다.
요약
본 발명은 에어로겔, 예컨대 실리카 에어로겔을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 제조 중 습윤-겔 내부 및 외부 모두에서 발생하는 화학적으로 구동되는 자가 가압(self-pressurisation) 반응이 주변 압력 조건 하에서 신속한 건조를 촉진한다. 구현예에서, 에어로겔은 제어된 형상의 제품을 제조할 수 있도록 섬유(fibre)를 사용하여 제조될 수 있다. 유리하게는, 에어로겔은 주변 압력 조건에서 신속하게 제조될 수 있어 시간 비용과 에너지 소비가 감소하고 이에 따라 공정 규모 확대가 용이해진다.
따라서, 본 발명의 첫 번째 측면에서는, 규산염(silicate) 및 선택적으로 탄산염 용액을 포함하는 전구체 용액을 제공하는 단계; 및 전구체 용액을 중탄산염 및 실릴화제(silylating agent)와 반응시키는 단계로서, 여기서 중탄산염은 고체 형태인 단계를 포함하는 실리카 에어로겔을 제조하는 방법을 제공한다.
이 공정에서 초기 겔화는 규산염과 중탄산염의 반응에 의해 달성되어 실리카 습윤-겔 쉘(shell), 탄산염 및 물을 생성하고, 실릴화제 또한 규산염과 반응하여 추가 겔화를 일으키고 습윤-겔 쉘 표면을 개질시키는 한편, HCl을 생성한다.
실릴화제는 또한 생성된 HCl, 및 부산물로 형성되거나 전구체 용액에 선택적으로 존재하는 탄산염과 반응하여 CO2를 형성한다. 이러한 방식으로 외부 가압이 발생하며, 즉 습윤-겔 쉘의 외부 표면에서 발생하며, 이는 빠른 건조를 촉진한다.
또한, 습윤-겔의 기공 내에서 미반응 실릴화제와 생성된 HCl이 습윤-겔 쉘 코어로 확산되어 중탄산염과 반응하여 CO2를 생성함으로써 내부에서 가압하여 건조단계를 더욱 촉진시킨다.
전구체 용액을 중탄산염 및 실릴화제와 반응시키는 단계는 순차적으로 수행될 수 있으며, 즉, 전구체 용액을 먼저 중탄산염과 반응시키고, 이어서 실릴화제와 반응시키고; 또는 단계가 동시에 수행될 수도 있다.
따라서, 본 발명의 일 구현예는 규산염 및 선택적으로 탄산염 용액을 포함하는 전구체 용액을 제공하고, 전구체 용액을 중탄산염 및 실릴화제와 반응시켜 습윤-겔을 제조하는 단계로서, 여기서 중탄산염은 고체 형태인 단계; 및 습윤-겔을 건조하여 실리카 에어로겔을 형성하는 단계를 포함하는, 실리카 에어로겔을 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 구현예에서, 전구체 용액과 중탄산염을 반응시키는 단계는 섬유의 존재 하에 수행된다. 반응이 일어나기 전에 섬유를 전구체 용액이나 중탄산염 분말에 첨가할 수 있다. 이는 에어로겔이 제어된 형상을 가지는 것이 요구될 때 유용할 수 있다. 그러나, 구현예에서, 섬유는 존재하지 않으며, 에어로겔은 제어되지 않은 고체로 생성된다. 이는 의도된 용도에 따라 후속적으로 분쇄하거나 갈아서 분말 또는 과립을 형성할 수 있다.
일 구현예에서, 섬유는 세라믹 섬유, 유기 섬유 또는 탄소 섬유이다.
일 구현예에서, 섬유는 세라믹 섬유이다. Triton™ 세라믹 짧은 섬유는 사용될 수 있는 섬유의 예시적인 예이지만, 당업자는 대체 섬유가 사용될 수 있음을 이해할 것이다.
유리하게는, 섬유가 사용되는 경우, 이 방법을 통해 제어된 형상의 강화된 에어로겔 복합재(composite)를 신속하게 생산할 수 있다.
복합재라는 용어는 에어로겔 구조에 도입될 수 있는 섬유와 같은 하나 이상의 추가 구성요소가 있는 에어로겔을 기술하는 데 사용된다.
일 구현예에서, 섬유는 중탄산염 분말을 둘러싼다. 섬유는 중탄산염 분말을 둘러싸는 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어, 섬유는 중탄산염 분말을 둘러싸는 구체 또는 공 모양으로 형성될 수 있다. 이 구현예에서, 구체는 전구체 용액에 담길 수 있다. 섬유는 생성된 에어로겔에 구조적 완전성을 부여할 수 있어 제어 가능한 중공(hollow) 에어로겔 복합재를 제조할 수 있으며; 이 예에서는 섬유 강화된 중공 에어로겔 복합재(fibre-reinforced hollow aerogel composite, FRHAC)이다.
추가적으로, 이 구현예에서, 습윤-겔 쉘의 외부 표면에서 생성된 CO2는 실리카 습윤-겔의 기공을 통해 방출될 때까지 형상화된 구조 내에 유지된다. 가스가 겔의 액체 성분을 대체할 수 있기 때문에, 낮은 온도와 압력에서 건조가 가능하여 공정의 에너지 효율성이 높아진다.
따라서, 본 발명은 규산염 및 선택적으로 탄산염 용액을 포함하는 전구체 용액을 제공하는 단계; 및 전구체 용액을 중탄산염 및 실릴화제와 반응시키는 단계로서, 여기서 중탄산염은 고체 형태이고, 여기서 전구체 용액과 중탄산염의 반응은 섬유의 존재 하에 수행되는 것인 단계를 포함하는 실리카 에어로겔의 제조 방법에 관한 것이다.
일 구현예에서, 본 발명은 실리카 에어로겔의 제조 방법에 관한 것으로, 이 방법은 규산염 및 선택적으로 탄산염 용액을 포함하는 전구체 용액을 제공하는 단계;
중탄산염 코어를 둘러싸는 섬유를 제공하여 형상화된 구조를 형성하는 단계;
전구체 용액을 중탄산염 및 실릴화제와 반응시키는 단계로서, 여기서 중탄산염은 고체 형태인 단계를 포함한다.
일 구현예에서, 전구체 용액을 중탄산염과 반응시키는 단계에서, 형상화된 구조물이 전구체 용액에 침지된다. 이러한 방식으로 전구체 용액은 섬유를 통해 흡수되어 중탄산염 분말 코어와 반응할 수 있다.
섬유는 생성된 CO2가 습윤-겔의 기공을 통해 확산될 때까지 그 안에 유지되는 형태의 구조를 유리하게 생성하지만, 기판(substrate) 위에서 습윤-겔을 제조함으로써 섬유 없이 유사한 효과를 달성할 수 있다. 전구체가 중탄산염 분말과 반응하면, 습윤-겔이 층으로 형성된다. 이 구현예에서, CO2는 습윤-겔의 기공을 통해 방출될 때까지 기판과 습윤-겔 층의 외부 표면 사이에 유지된다. 적합한 기판은 당업자에게 공지되어 있으며, 예를 들어 유리, 세라믹 및 폴리머 기판을 포함한다.
일 구현예에서, 규산염은 규산나트륨(sodium silicate), 규산칼륨, 규산리튬 또는 규산칼슘으로부터 선택된다.
일 구현예에서, 규산염은 규산나트륨이다.
"물유리(waterglass)"로도 알려진 규산나트륨은 본 발명에 사용하기에 특히 적합하다.
일 구현예에서, 탄산염은 탄산나트륨, 탄산칼륨, 탄산칼슘, 탄산마그네슘, 탄산철 및 탄산암모늄으로부터 선택된다.
일 구현예에서, 탄산염은 탄산나트륨이다.
일 구현예에서, 중탄산염은 중탄산나트륨, 중탄산칼륨, 중탄산칼슘, 중탄산마그네슘, 중탄산철 및 중탄산암모늄으로부터 선택된다.
일 구현예에서, 중탄산염은 중탄산나트륨이다.
일 구현예에서, 실릴화제는 일반식 R3SiX를 가지고, 여기서 R은 C1-C4 알킬 또는 할라이드이고, X는 할라이드, 설페이트 또는 설포네이트 기이다.
할라이드는 염화물, 브롬화물 또는 요오드화물일 수 있다.
설포네이트는 메틸 설포네이트, 트리플루오로메틸설포네이트, 벤질설포네이트 또는 톨루엔설포네이트일 수 있다.
설페이트는 -O-S(O)2-OSiR3일 수 있다.
일 구현예에서, 실릴화제는 트리메틸클로로실란(TMCS), 디메틸디클로로실란, 메틸트리클로로실란 및 비스(트리메틸실릴)설페이트이다.
일 구현예에서, 실릴화제는 트리메틸클로로실란(TMCS)이다.
본 발명의 방법은 부분적으로 건조된 에어로겔을 생성하고, 이는 최종 생성물이 될 수 있다. 그러나, 일 구현예에서, 최종 에어로겔 제품을 얻기 위해 하나 이상의 세척 및/또는 건조 단계가 수행될 수 있다.
일 구현예에서, 방법은 하나 이상의 세척 단계를 포함한다.
일 구현예에서, 방법은 하나 이상의 건조 단계를 포함한다. 건조 단계(들)는 오븐이나 열판(heat plate)과 같은 통상적인 수단에 의해 수행될 수 있다. 적합한 가열 방법은 당업자에게 명백할 것이다.
건조 단계는 주변 압력 하에서 가열하는 것을 포함한다.
가열은 60℃ 내지 500℃의 온도에서 수행될 수 있다. 일 구현예에서, 가열은 60℃ 내지 150℃에서 수행된다.
액체상의 끓는점이 100℃ 이하이기 때문에 약 100℃의 온도(예를 들어, 80℃ 내지 120℃)가 바람직할 수 있다.
건조 단계는 15분 내지 24시간 동안 수행될 수 있다. 당업자가 이해하는 바와 같이, 건조 단계의 길이는 가열 온도에 따라 달라지며, 온도가 낮을수록 더 긴 건조 시간이 필요하다. 일 구현예에서, 건조 단계는 15분 내지 12시간, 또는 15분 내지 6시간 동안 수행된다. 일 구현예에서, 건조 단계는 20분 내지 3시간, 또는 30분 내지 2시간 동안 수행된다. 건조 온도가 60℃ 내지 150℃인 경우, 건조 시간은 30분 내지 12시간, 30분 내지 8시간, 30분 내지 6시간 또는 30분 내지 2시간일 수 있다.
실시예
:
본 발명은 이제 첨부된 도면을 참조하여 단지 예로서 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 구현예에 따른 방법의 개략도를 예시한 것이고;
도 2는 본 발명의 구현예에 따라 제조된 FRHAC의 X선 단층촬영 이미지를 나타낸 것이고;
도 3은 본 발명의 구현예에 따라 제조된 섬유 강화된 에어로겔 복합재의 질량 변화를 나타낸 것이고;
도 4는 본 발명에 따라 제조된 (a) 및 (b) 섬유 강화된 에어로겔 복합재와 (c) 및 (d) 에어로겔의 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 구현예에 따라 제조된 FRHAC의 X선 단층촬영 이미지를 나타낸 것이고;
도 3은 본 발명의 구현예에 따라 제조된 섬유 강화된 에어로겔 복합재의 질량 변화를 나타낸 것이고;
도 4는 본 발명에 따라 제조된 (a) 및 (b) 섬유 강화된 에어로겔 복합재와 (c) 및 (d) 에어로겔의 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
본 발명의 구현예는 이제 도 1을 참조하고 아래 나열된 반응을 참조하여 자세히 설명될 것이다. 도 1(a)에서, 세라믹 짧은 섬유의 공(ball)이 중탄산염 분말의 코어를 둘러싸도록 형상화된 것이다. 제조된 복합재 에어로겔의 크기는 사용되는 짧은 섬유의 양을 변경하여 조절할 수 있다.
도 1(b)에 나타난 바와 같이, 겔화는 규산나트륨과 중탄산나트륨 코어의 반응을 통해 발생하며, 실리카겔 쉘이 형성된다.
나타낸 도면에는 탄산나트륨이 전구체에 포함되어 있지만, 당업자는 규산나트륨과 중탄산나트륨 사이의 반응 생성물로서 탄산나트륨이 형성됨에 따라 전구체 용액에 탄산나트륨이 필요하지 않다는 것을 인식할 것이며, 즉, 선택적 구성 요소이다.
그런 다음 실릴화제를 실리카겔의 표면에 적가하면(도 1(c)) 표면 개질 및 추가 겔 형성을 유도하는 동시에 HCl을 형성한다. 실릴화제와 생성된 HCl 또한 탄산염과 반응하여 CO2를 형성한다. 또한, 겔의 기공 내에서 미반응 실릴화제와 생성된 HCl이 코어로 확산되어(도 1(d)) 고체 중탄산염과 반응하여 CO2를 생성한다. 실리카겔 쉘은 짧은 섬유에 의해 기계적으로 강화되므로, 빠른 가스 생성 단계 동안 실리카겔 쉘은 팽창하지 않으며(도 1(e)) CO2가 쉘의 기공을 통해 방출될 때까지 가스 생성으로 인해 생성된 증가된 압력을 유지한다.
이 과정에서 일어나는 반응은 다음과 같다:
공정 초기에 규산나트륨(Na2SiO3) 용액은 짧은 섬유와 혼합되고 중탄산나트륨(NaHCO3) 분말 코어와 반응하여 (반응 1)로 인해 실리카겔 쉘을 형성한다.
실릴화제, 이 구현예에서는 트리메틸클로로실란(TMCS)을 실리카겔 쉘에 첨가한 후, TMCS와 나머지 규산나트륨 사이의 반응으로 인해 추가 실리카겔이 형성되고(반응 2), 실리카겔의 표면이 TMCS에 의해 개질된다. TMCS에 의한 표면 개질의 결과로 FRHAC는 소수성을 갖게 된다. 이 반응은 또한 결과적으로 염산(HCl)을 생성한다(반응 3). TMCS와 생성된 HCl은 탄산나트륨(Na2CO3)과 반응하여 이산화탄소(CO2) 가스를 생성한다(반응 4 및 5).
생성된 실리카겔 쉘의 기공에서 미반응 TMCS와 생성된 HCl은 중탄산나트륨 코어로 확산된다. CO2 가스가 생성되어 실리카겔 쉘에 대한 압력이 갑자기 증가한다(반응 6 및 7). 실리카겔은 비-뉴턴(non-Newtonian) 방식으로 거동할 수 있고 실리카겔 쉘은 짧은 섬유에 의해 기계적으로 강화되므로, 실리카겔 쉘은 빠른 가스 생성 단계에서 팽창하지 않으며 생성된 CO2 가스가 실리카겔 쉘의 기공을 통해 천천히 방출될 때까지 급격한 압력 증가를 유지한다. 따라서 X-선 단층촬영 이미지에 도시된 바와 같이 중공 구조가 획득된다(도 2).
반응 7은 TMCS와 중탄산나트륨 용액 사이의 전체 반응이다. 따라서 이 화학 공정은 CO2 가스를 형성할 뿐만 아니라 물을 소비하여 습윤-겔의 열 건조에 큰 이점을 제공한다.
실시예
:
이제 본 발명은 하기의 예시적인 실시예를 참조하여 완전히 설명될 것이다.
실시예
1:
재료 및 방법
탄산나트륨(≥99%), 중탄산나트륨(≥99.7%) 및 트리메틸클로로실란(TMCS, ≥97%)은 Sigma-Aldrich™에서 구입하여 추가 정제 없이 사용하였다. 세라믹 짧은 섬유 Triton™ 및 규산나트륨(물유리) 용액은 Fisher Scientific™에서 구입하였다.
뉴캐슬(Newcastle) 대학교의 FEI XL30 ESEM-FEG(환경 주사 전자 현미경-전계 방출 총(Environmental Scanning Electron Microscope-Field Emission Gun))을 사용하여 10 keV 가속 전압의 고진공 모드에서 샘플을 이미지화하였다. SEM 이미징 전에 모든 샘플은 전기 전도성을 높이기 위해 금으로 코팅하였다. 샘플의 비표면적과 다공성은 뉴캐슬 대학교의 Thermo Scientific ™ SURFER를 통한 질소 흡착-탈착 방법으로 특성화하였다. 더럼(Durham) 대학교의 4 μm 등방성 복셀(isotropic voxel) 크기의 μCT, Xradia 410 Versa를 X선 미세 단층촬영 스캐닝에 사용하였다. 소프트웨어 Avizo 9를 사용하여 수득한 단층촬영 데이터 세트를 처리하였다.
1.1 섬유 강화된 중공
에어로겔
복합재(
FRHAC
)
섬유-강화된 중공 에어로겔 복합재(FRHAC)를 제조하기 위해, 물유리, 탈이온수 및 탄산나트륨 용액(몰비 Si : H2O : Na2CO3 = 5 : 167 : 1)의 혼합물을 사용하여 전구체를 초기에 제조하였다. 0.1 g의 중탄산나트륨 코어를 덮고 있는 0.03 g 무게의 세라믹 짧은 섬유의 성형된 볼을 섬유를 수동으로 성형하여 제조하였다. 그런 다음 성형된 볼을 1 ml의 전구체에 담근 후 1 ml의 트리메틸클로로실란을 표면에 적가하였다. 10분 후, 탈이온수로 3회 세척하였다. 마지막으로 FRHAC 샘플을 100℃에서 24시간 동안 건조하였다.
1.2
비강화된
에어로겔
(non-reinforced
aerogel
,
NRA
)
세라믹 짧은 섬유가 없는 에어로겔 샘플은 교반하지 않고 중탄산나트륨 분말 1 g에 전구체 1 ml를 직접 첨가한 후 표면에 TMCS 1 ml를 첨가하여 제조하였다. 습윤-겔의 기공을 통해 기체가 방출되는 동안 액체가 이동하면서 표면 상의 버블링이 관찰되었다. 버블링이 멈춘 후, 겔을 탈이온수로 3회 세척하고, 마지막으로 핫플레이트에서 100℃에서 24시간 동안 건조시켰다.
1.3 특성화
막힌 기공을 기계적으로 열고 실제 표면적을 결정하기 위해 NRA 샘플을 분말로 분쇄하였다. 분쇄된 분말을 먼저 탈이온수로 두 번 세척하고 건조하고 특성화하였다. 또한, 분쇄된 분말을 에탄올로 3회 세척하여 모든 합성 부산물을 제거한 후 반복적으로 특성화하였다.
1.3.1 최소 열 건조
실시예 1.1에서 합성된 FRHAC에 대한 최소 열 건조 시간을 건조 시작부터 질량 손실을 모니터링하여 결정하였다. 각 실험은 3번씩 수행하였으며, 그 결과를 도 3에 나타내었다. 이는 100℃에서 30분 동안 열 건조시킨 후 질량 손실이 멈추고 겔이 완전히 건조되었음을 보여준다.
1.3.2
SEM
FRHAC의 SEM 이미지(도 4 (a) 및 (b))에서는 미세 기공부터 거대 기공까지 다양한 크기의 기공을 관찰할 수 있다. 섬유 강화가 없는 에어로겔 샘플(NRA)의 다공성 구조는 도 4(c)와 (d)에서 관찰할 수 있다.
FRHAC와 NRA의 벌크 밀도를 무게와 부피로부터 구하여 아래 표 1에 나타내었다. FRHAC와 NRA 샘플의 기공을 질소 흡착-탈착 등온선 방법으로 분석한 결과 FRHAC의 비표면적은 약 36 m2/g인 것으로 나타났다. 작은 비표면적(6 m2/g)을 갖는 짧은 섬유는 짧은 섬유가 없는 NRA보다 낮은 비표면적을 갖는 FRHAC로 이어질 수 있지만 NRA 비표면적은 크게 증가하지 않고 약 39 m2/g에 불과하다. FRHAC의 에어로겔 성분의 특성을 추가로 연구하기 위해, NRA를 분말로 분쇄하여 비표면적을 약 128 m2/g로 증가시켰는데, 이는 원래 NRA에서 거대 기공이 우세함을 나타낸다. 마지막으로, 분쇄된 NRA 분말을 추가로 물로 세척하였다. 세척된 NRA 분말의 비표면적은 원래 NRA보다 10배 이상 높았으며, 이는 질소 흡착으로 분석한 바와 같이 반응 2, 4, 5, 6 및 7에서 생성된 부산물 염이 원래 NRA의 비표면적을 낮추는 원인이 되었음을 시사한다. 분쇄 및 세척 과정 또한 기공 부피를 0.55 cm3/g에서 4.33 cm3/g으로 증가시켰으며(표 1), 이는 원래 FRHAC 샘플에서 확인되지 않은 미세 기공과 중간 기공을 보여준다.
표 1: 섬유-강화된 중공 에어로겔 복합재(FRHAC), 비강화된 에어로겔 샘플(NRA) 및 짧은 섬유의 벌크 밀도, BET 표면적 및 기공 분석.
결과는 본 발명의 방법을 사용하여 시간과 에너지 소비를 크게 줄이면서 에어로겔을 신속하게 제조할 수 있음을 보여준다. 특히, 결과는 30분 정도의 건조 시간으로 에어로겔을 제조하고 완전히 건조시킬 수 있음을 보여준다. 구현예에서, 짧은 섬유에 의해 강화된 것은 광범위한 잠재적인 상업적 적용을 갖는 제어된 형상의 에어로겔 제품의 생산을 가능하게 한다.
본 명세서(수반된 청구범위, 요약 및 도면 포함)에 개시된 모든 특징, 및/또는 그렇게 개시된 방법 또는 프로세스의 모든 단계는 임의의 조합으로 결합될 수 있으며, 단 그러한 특징 및/또는 단계 중 적어도 일부가 상호 배타적인 조합은 제외된다. 본 명세서(수반된 청구범위, 요약 및 도면 포함)에 개시된 각 특징은 달리 명시적으로 언급되지 않는 한 동일하거나 동등하거나 유사한 목적을 제공하는 대안적 특징으로 대체될 수 있다. 따라서 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 개시된 각 특징은 동등하거나 유사한 특징의 일반적인 시리즈 중 하나의 예일 뿐이다. 본 발명은 전술한 구현예(들)의 세부 사항에 제한되지 않는다. 본 발명은 본 명세서(수반된 청구범위, 요약 및 도면 포함)에 개시된 특징 중 임의의 신규한 것 또는 임의의 신규한 조합으로 확장되거나, 또는 그렇게 개시된 임의의 방법 또는 프로세스 단계의 임의의 신규한 것 또는 임의의 신규한 조합으로 확장된다.
본 명세서에서 실질적으로 임의의 복수 및/또는 단수 용어의 사용과 관련하여, 당업자는 문맥 및/또는 적용에 적절하게 복수에서 단수로 및/또는 단수에서 복수로 번역할 수 있다. 다양한 단수/복수 순열은 명확성을 위해 본 명세서에서 명시적으로 설명될 수 있다.
일반적으로 본 명세서, 특히 첨부된 청구범위에 사용된 용어는 일반적으로 "개방(open)" 용어로 의도된다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다(예를 들어, "포함하는(including)"이라는 용어는 "포함하지만 이에 국한되지 않는"으로 해석되어야 하고, "갖는(having)"이라는 용어는 "적어도 갖는"으로 해석되어야 하며, "포함한다(include)"라는 용어는 "포함하지만 이에 국한되지 않는다"로 해석되어야 한다, 등.). 도입된 청구항 기재의 특정 개수를 의도하는 경우, 그러한 의도는 청구항에 명시적으로 기재될 것이며, 그러한 기재가 없으면 그러한 의도는 존재하지 않는다는 것을 당업자는 또한 이해할 것이다. 예를 들어, 이해를 돕기 위해, 다음 첨부된 청구범위에는 청구항 기재를 도입하기 위해 도입 문구 "적어도 하나" 및 "하나 이상"의 사용이 포함될 수 있다. 그러나, 그러한 문구의 사용은, 동일한 청구항에 "하나 이상" 또는 "적어도 하나"라는 도입 문구와 "a" 또는 "an"과 같은 부정관사가 포함되어 있는 경우에도, 부정관사 "a" 또는 "an"에 의한 청구항 기재의 도입이 그러한 도입된 청구항 기재를 포함하는 특정 청구항을 단지 하나의 그러한 기재만을 포함하는 구현예로 제한한다는 것을 의미하는 것으로 해석되어서는 안 되며(예를 들어, "a" 및/또는 "an"은 "적어도 하나" 또는 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 함); 청구범위 기재를 도입하는 데 사용되는 정관사의 사용의 경우에도 마찬가지이다. 또한, 도입된 청구항 기재의 특정 개수가 명시적으로 인용된 경우에도, 당업자는 그러한 기재가 적어도 기재된 개수를 의미하는 것으로 해석되어야 함을 인식할 것이다(예를 들어, 다른 수식어 없이 "2개의 기재"라고만 기재하는 것은 적어도 2개의 기재, 또는 2개 이상의 기재를 의미한다).
본 개시내용의 다양한 구현예는 예시의 목적으로 본원에 기술되었으며, 본 개시내용의 범위를 벗어나지 않고 다양한 변형이 이루어질 수 있다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 본 명세서에 개시된 다양한 구현예는 제한하려는 의도가 아니며, 실제 범위는 다음 청구범위에 의해 표시된다.
Claims (17)
- 하기 단계를 포함하는 실리카 에어로겔(silica aerogel)의 제조방법:
규산염(silicate) 및 선택적으로 탄산염(carbonate) 용액을 포함하는 전구체 용액을 제공하는 단계;
및
전구체 용액을 중탄산염(bicarbonate)과 반응시키는 단계;
및 실릴화제와 함께;
여기서 중탄산염은 고체 형태이다. - 제1항에 있어서, 전구체 용액을 중탄산염과 반응시키는 단계가 섬유(fibre)의 존재 하에 수행되는 것인, 방법.
- 제2항에 있어서, 섬유가 세라믹 섬유, 유기 섬유 또는 탄소 섬유인, 방법.
- 제3항에 있어서, 섬유가 세라믹 섬유인, 방법.
- 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 전구체 용액을 중탄산염과 반응시키기 전에 중탄산염 코어를 둘러싸는 섬유를 제공하여 형상화된 구조를 형성하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
- 제5항에 있어서, 전구체 용액을 중탄산염과 반응시키는 단계가 형상화된 구조를 전구체 용액에 침지시키는 단계를 포함하는 것인, 방법.
- 임의의 선행하는 청구항에 있어서, 규산염이 규산나트륨(sodium silicate), 규산칼륨, 규산리튬 또는 규산칼슘으로부터 선택되는 것인, 방법.
- 제7항에 있어서, 규산염이 규산나트륨인, 방법.
- 임의의 선행하는 청구항에 있어서, 탄산염이 탄산나트륨(sodium carbonate), 탄산칼륨, 탄산칼슘, 탄산마그네슘, 탄산철 및 탄산암모늄으로부터 선택되는 것인, 방법.
- 제9항에 있어서, 탄산염이 탄산나트륨인, 방법.
- 임의의 선행하는 청구항에 있어서, 중탄산염이 중탄산나트륨(sodium bicarbonate), 중탄산칼륨, 중탄산칼슘, 중탄산마그네슘, 중탄산철 및 중탄산암모늄으로부터 선택되는 것인, 방법.
- 제11항에 있어서, 중탄산염이 중탄산나트륨인, 방법.
- 임의의 선행하는 청구항에 있어서, 실릴화제가 일반식 R3SiX를 가지고, 여기서 R은 C1-C4 알킬 또는 할라이드이고, X는 할라이드, 설페이트 또는 설포네이트 기인, 방법.
- 제13항에 있어서, 실릴화제가 트리메틸클로로실란(TMCS), 디메틸디클로로실란, 메틸트리클로로실란 및 비스(트리메틸실릴)설페이트인, 방법.
- 제14항에 있어서, 실릴화제가 트리메틸클로로실란(TMCS)인, 방법.
- 임의의 선행하는 청구항에 있어서, 건조 단계를 추가로 포함하는 방법.
- 제16항에 있어서, 건조 단계가 주변 압력 조건 하에서 가열하는 것을 포함하는 방법.
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