TWI430976B - 複合物及其製造及使用方法 - Google Patents

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Description

複合物及其製造及使用方法
本文描述為相對輕量、高強度且擁有低熱導率之複合物。本文亦描述該等複合物之製造及使用方法。
氣凝膠為極好之熱絕緣體且具有其他特殊之物理性質。然而，氣凝膠材料本身一般是相當易碎的且缺少多種終端用途應用所需之強度。為此目的，已有多種嘗試來強化氣凝膠，尤其是藉由當其製造時向其添加纖維，諸如藉由熟知之溶膠－凝膠處理或用氣凝膠前驅體組合物滲透較強之多孔結構。此等材料之組合可提供相對於氣凝膠材料或多孔碳結構材料本身具有全面改良性質之複合物材料。此外，此等複合物材料可用於多種應用，諸如用於太空艙等之熱保護系統或作為熔爐絕緣體或防火障壁以及用於隔熱及隔音及用於諸如超級電容器之電子元件中。
此係關於有機氣凝膠與碳發泡材料網狀玻璃質碳(RVC)之複合物。氣凝膠提供特殊之光學、熱、聲學及電性質，而RVC對複合物提供強度。此外，氣凝膠及RVC可均為非常輕量的。為此目的，藉由將氣凝膠前驅體組合物滲入已經處理之RVC發泡體中可能製造氣凝膠與RVC之複合物。然而，習知之氣凝膠滲透方法要求資本密集之大型處理設備。另外，已知氣凝膠之隨後處理導致氣凝膠之收縮及斷裂，其可降低所得複合物之性質。
因此，本文描述由更容易縮放及節省成本之製程產生有機氣凝膠與RVC之複合物之方法。該製程可減少製造複合物所需之總處理時間且進一步減少或消除複合物之習知收縮及斷裂。
本文描述相對輕量、高強度且擁有低熱導率之複合物及其製造及使用方法。
本發明之額外優點將部分陳述於隨後之說明中，且將部分來源於該說明或可由本發明之實務獲知。藉助於在附加之申請專利範圍中特別指出之要素及組合亦將實現且得到除本文中所揭示之彼等優點外之本發明之額外優點。如所主張，應理解前述之發明內容與隨後之實施方式、圖及實例僅為示範性及解釋性的且不限制本發明。
藉由參考下列本發明之較佳態樣之實施方式及本文所包括之實例且參考諸圖及其先前及之後描述可更容易地理解本發明。然而，在揭示且描述本發明之組合物、物件、裝置及/或方法之前，應理解本發明不受限於特定合成方法、特定實施例或本文所揭示之特定裝置，因為其當然可以變化。亦應理解本文所用之術語係僅用於描述本發明之特定態樣且不意謂進行限制。
應注意，除非上下文另外明確指出，否則如在說明書及附加之申請專利範圍中所用之單數形式"一(a)"、"一(an)"及"該"包括複數指示物。
本文中範圍可表示為"約"一個特定值及/或至"約"另一個特定值。當表示該範圍時，另一實施例包括一個特定值及/或至該另一個特定值。類似地，當藉由使用前項"約"將值表示為近似值時，應理解該特定值形成另一實施例。
在此說明書及在隨後之申請專利範圍中，將對許多術語進行引用，該等術語將被定義為具有下列含義：如本文所用，術語"可選的"或"視情況地"意謂隨後所描述之事件或情況可能發生或可能不發生，且該描述包括其中該事件或情況發生之例子及其中其不發生之例子。
如本文所用，藉由使用術語"有效的"、"有效量"或"有效......之條件"，其意謂該量或反應條件可執行化合物或性質之功能，為此表示有效量。如下文中將指出，所需之確切量將視公認變數(諸如起始材料或所用化合物及所觀測之處理條件)自一個態樣至另一態樣變化。因此，並非總是有可能指定確切之"有效量"或"有效......之條件"。然而，鑒於本揭示，應理解一般熟習此項技術者僅使用常規實驗將容易地判定及/或優化適當之有效量。
如本文所用，術語"孔隙率"意欲係指給定材料之每線性吋之微孔數(ppi)之平均數。如本文所用，可對網狀玻璃質碳前驅體、有機氣凝膠、有機氣凝膠與RVC發泡體之複合物或碳氣凝膠複合物量測孔隙率。
如本文所用，短語"網狀玻璃質碳"(RVC)發泡體為完全由玻璃質碳組成之開孔發泡材料。玻璃質碳為玻璃狀碳之形式，其將一些玻璃性質與彼等普通工業碳之性質相組合。RVC具有低相對密度(3%)、高表面積及硬度、低的抗流體流動性且可在非氧化環境中經受住非常高之溫度。RVC係以約5 PPI至約100 PPI範圍內之多種微孔尺寸級別購得。舉例而言，UltraFoam為一系列購自Ultramet,Inc.之RVC產品。關於UltraFoam，RVC可具有例如10、20、45、65、80或100 ppi之孔隙率。RVC發泡體在非常寬之溫度範圍內均是格外惰性的，且具有非常低之主體熱導率及高的電導率。其特殊之硬質幾何結構對流體流動提供大的表面積及低的壓降。另外，RVC發泡體之結構促進其在受控之孔隙率範圍內容納所注入材料之能力。
如本文所用，短語"網狀玻璃質碳前驅體"為在熱處理(例如熱解)時轉化成網狀玻璃質碳之任何化合物或化合物之混合物。
如本文所用，術語"基質"意欲係指其中嵌入複合物之網狀玻璃質碳組份的多孔氣凝膠材料之網狀物。
如本文所用，短語"緊密接觸"係指至少實質上接觸至少一部分網狀玻璃質碳前驅體或網狀玻璃質碳增強結構之氣凝膠基質。
如本文所用，術語"滲透"係指藉由滲入網狀玻璃質碳前驅體之微孔結構將有機氣凝膠前驅體組合物傳送至網狀玻璃質前驅體中。
如本文所用，術語"熱解(pyrolyze或pyrolysis)"係指由熱引起的有機化合物或組合物至純的或實質上純的碳之分解或轉化。另外，有關碳之術語"實質上純的"意欲係指至少大於80%純的、至少大於85%純的、至少大於90%純的、至少大於95%純的或甚至大於99%純的碳。
如本文所用，術語"碳氣凝膠"係指已經受熱解以便將有機氣凝膠組合物分解或轉化成至少實質上純的碳之有機氣凝膠。
揭示可用於所揭示方法之產物及組合物、可與所揭示方法之產物及組合物組合使用、可用於製備所揭示方法之產物及組合物的化合物、組合物及組份，或揭示所揭示方法之產物及組合物。本文揭示此等材料及其他材料，且應理解當揭示此等材料之組合、子集、相互作用、群組等而同時可能並不明確揭示此等化合物之每一不同個體及總體組合及排列之特定引用時，本文中特定涵蓋且描述每一個。舉例而言，若揭示及討論不同之含羥基化苯化合物之數目及醛之數目，則除非相反地特定指明，否則每一個及含羥基化苯化合物與醛之每一組合及排列均被特定涵蓋。因此，若揭示一類分子A、B及C以及一類分子D、E及F且揭示組合分子A－D之實例，則即使未個別敍述每一個，亦個別及總體涵蓋每一個。因此，在此實例中，特定涵蓋組合A－E、A－F、B－D、B－E、B－F、C－D、C－E及C－F之每一個且應認為其係自下列各項之揭示中揭示而來：A、B及C；D、E及F；及實例組合A－D。同樣，亦特定涵蓋及揭示此等之任何子集或組合。因此，舉例而言，特定涵蓋A－E、B－F及C－E之子群且應認為其係自下列各項之揭示中揭示而來：A、B及C；D、E及F；及實例組合A－D。此概念適用於此揭示之所有態樣，該揭示包括(但不限於)製造及使用所揭示組合物之方法中之步驟。因此，若存在多種可進行之額外步驟，則應理解可以所揭示方法之任何特定實施例或實施例組合來進行此等額外步驟之每一個，且特定涵蓋每一該組合並應認為其被揭示。
在第一態樣中，本文描述產生包含有機氣凝膠及網狀玻璃質碳發泡體之有機氣凝膠複合物之方法。根據該方法，將有機氣凝膠前驅體組合物滲入網狀玻璃質碳前驅體中且接著在有效提供經固化或膠凝之氣凝膠之條件下固化足夠時期。固化後，接著處理且乾燥氣凝膠以至少實質上移除水以提供與網狀玻璃質碳前驅體緊密接觸之多孔有機氣凝膠聚合物基質。在一個態樣中，在乾燥氣凝膠之後，經乾燥及固化之有機氣凝膠與網狀玻璃質碳前驅體之複合物可進行熱解以至少實質上分解氣凝膠聚合物且將有機氣凝膠聚合物還原成實質上純的多孔碳基質。
習知之RVC前驅體為市售的且可以多種尺寸、形狀及組態產生及/或獲得。另外，熟習此項技術者將瞭解RVC前驅體亦可加工成實際上任何所要組態。在美國專利第6,103,149、6,040,266及5,372,380號中揭示且描述產生適合用於本發明中之RVC前驅體之示範性方法；其全部以全文引用之方式併入本文。在一個態樣中，RVC前驅體為藉由羥基化苯與醛之間的反應所產生之聚合物。在另一態樣中，RVC前驅體為用一或多種樹脂浸漬之網狀胺基甲酸酯。在另一態樣中，可自Ultramet,Inc獲得市售之網狀玻璃質碳前驅體，其具有本文所陳述之所要特徵及/或性質中之任一或多種。
在一個態樣中，適合用於本發明以及經熱解之複合物中之RVC前驅體包含每吋約3個微孔(3 ppi)至每吋約150個微孔(150 ppi)之範圍內之平均孔隙率，其包括(但不限於)諸如5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、100、105、110、115、120、125、130、135、140、145之孔隙率及任何源自此等點值之範圍。在另一態樣中，適合用於本發明以及經熱解之複合物中之RVC前驅體具有約0.01 g/cm3 至約0.10 g/cm3 範圍內之容積密度，其包括(但不限於)0.015、0.02、0.025、0.03、0.035、0.04、0.045、0.05、0.055、0.06、0.065、0.07、0.075、0.08、0.085、0.09、0.095 g/cm3 之密度及任何源自此等點值之範圍。
習知之氣凝膠前驅體組合物為包含一或多種羥基化苯化合物、一或多種醛、一或多種催化劑及水之混合物。為此目的，任何習知之氣凝膠前驅體組合物均可用於本發明。例如，在一個態樣中，氣凝膠前驅體組合物包含間苯二酚作為羥基化苯化合物及甲醛作為醛組份。在一替代態樣中，氣凝膠前驅體組合物可包含酚作為羥基化苯化合物及甲醛作為醛化合物。雖然可使用已知用於製造氣凝膠之任何合適之催化劑，但在一個態樣中，碳酸鈉可為催化劑組份。在美國專利第5,945,084號中揭示且描述製備合適之氣凝膠前驅體組合物之示範性方法，該專利之全部揭示以引用之方式併入本文以用於所有目的。在一個態樣中，氣凝膠前驅體包含2,4-二羥基苯甲酸之鈉鹽及甲醛。
在一個態樣中，為將氣凝膠滲入RVC前驅體中，首先將RVC前驅體置入諸如圖1中所描述之流通模或流槽中。如本文所用，術語"流槽"或"流通模"意欲係指在任一或多個本文所述之隨後處理步驟期間可支撐網狀玻璃質碳前驅體之任何流通裝置。舉例而言，在一個態樣中，在用有機氣凝膠前驅體組合物滲透期間流通槽可支撐網狀玻璃質碳前驅體。在另一態樣中，流槽可關閉且在因化有機氣凝膠前驅體組合物時用作模。在另一態樣中，構建且排列流槽以促使隨後之氣凝膠處理流體通過經固化之氣凝膠與RVC之複合物。為此目的，在一個態樣中流槽係由耐溶劑、耐習知氣凝膠處理條件(諸如加壓及高溫)之聚合材料構建。此外，亦應理解在一個實例中可依尺寸製造並成型根據本發明之流槽以支撐及/或產生具有任何所要尺寸及形狀之有機氣凝膠複合物。另外，在另一態樣中，預期根據本發明之流槽可整合入壓力容器系統中。
在一個態樣中且如圖1及圖2中所描述，示範性流槽110包含三個可栓在一起之聚合環110(a)、110(b)及110(c)。為此目的，可使用適合用於流通模中之任何習知之聚合材料。然而，在一個態樣中，流通模包含購自Dupont之Delrin®聚合物。經燒結之不銹鋼圓盤120固定在各環之間且支撐待滲透之網狀玻璃質碳發泡體。應理解當圖1之流槽模經組態以接收圓盤形狀之網狀玻璃質碳前驅體時，可構建且排列流槽以使得其可接收具有任何所要尺寸及形狀之網狀玻璃質碳前驅體。
在另一態樣中，流槽係由不銹鋼組成且設計用於大規模生產複合物。在此態樣中，不需要插入物(例如Delrin)。
在一個態樣中，將RVC前驅體密閉在流槽中且接著抽空。接著允許氣凝膠前驅體組合物流入流通模中進行滲透且至少實質上填滿RVC前驅體之微孔。為促進氣凝膠前驅體滲入RVC前驅體中，可應用真空。使用流槽方法之一個優點為用於最終產生氣凝膠複合物之處理流體得以減少。
在一個態樣中，在氣凝膠前驅體組合物已滲入RVC前驅體之後，接著關閉流通模且將氣凝膠前驅體組合物加熱足夠時期並加熱至足夠溫度以固化氣凝膠前驅體組合物。例如可使用任何習知之方式加熱有機氣凝膠。或者，可使用連續流動儀器。在一個態樣中，關閉之流動模本身為耐熱容器以使得含有用有機氣凝膠前驅體組合物滲透之RVC前驅體之整個流槽可置於恆溫器控制之烘箱中。為此目的，在固化期間通常要求沒有特殊氣氛。
在另一態樣中，可將RVC前驅體置於作為用於增強RVC前驅體之框架之"軟模"中。在此態樣中，將含有RVC前驅體之軟模置於真空袋中。接著將氣凝膠前驅體添加至RVC前驅體中，且接著應用真空以移除過量之氣凝膠前驅體且真空袋為密閉的。接著可將含有該模之袋子轉移至用於隨後加熱及固化之烘箱中。軟模可由諸如不銹鋼之多種材料製成。使用軟模允許形成實際上任何形狀或尺寸而不需要巨大的刀具加工成本。
一般熟習此項技術者應瞭解，固化週期(意即所需之固化時間及溫度概況)將取決於所用之特定氣凝膠前驅體組合物。在一個態樣中，固化週期包含將關閉之模(例如流槽或軟模)加熱至約60℃至約100℃範圍內之固化溫度，其包括(但不限於)諸如65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、90℃及95℃之溫度。另外，固化氣凝膠前驅體組合物所需之時期可視所用之特定氣凝膠前驅體組合物、固化溫度及有待固化之氣凝膠前驅體組合物之數量而變化。在一個態樣中，固化氣凝膠前驅體組合物所需之時期可在約2小時至約500小時之範圍內，其包括(但不限於)諸如5、10、15、20、25、30、35、40、45、55、60、65、70、75、80、85、90、95、100、150、200、250、300、350、400、450小時之時期及任何源自此等點值之範圍。
在一個態樣中，固化後，有機氣凝膠聚合物可以流通製程進行洗滌及乾燥以移除殘餘之水且提供與網狀玻璃質碳前驅體緊密接觸之乾燥有機氣凝膠基質。在一個態樣中，流通製程首先包含溶劑交換步驟以自有機氣凝膠複合物中移除水。為此目的，任何適於影響與水之溶劑交換之有機溶劑可用於本發明之製程中。在本發明之一個態樣中，丙酮用於自經固化之有機氣凝膠中移除水。其他溶劑包含(但不限於)輕醇(例如乙醇、甲醇、丙醇、異丙醇)。在一個態樣中，當使用流槽時，將含有經固化之氣凝膠複合物之流槽置於諸如帕爾壓力容器系統(Parr pressure vessel system)之加壓容器中。接著用足夠之有機溶劑填充壓力容器以完全覆蓋有機氣凝膠。在壓力下，接著促使諸如丙酮之有機溶劑通過流槽或流通模以至少實質上移除任何存在於經固化之氣凝膠複合物內部之水。一般熟習此項技術者可判定有機溶劑之用量及洗滌步驟之持續時間/壓力。
在藉由與有機溶劑之溶劑交換已經至少實質上自複合物中移除水(例如大於80%、大於85%、大於90%、大於95%或甚至大於99%之水)之後，在一個態樣中接著藉由與液體二氧化碳之溶劑交換製程可將有機溶劑自經固化之氣凝膠中移除。在此態樣中，再次將流槽置於加壓容器中且促使液體二氧化碳通過流槽。一般熟習此項技術者可判定CO2 之壓力。在一個態樣中，在800 psi下於20℃下進行此步驟。
在已經至少實質上自經固化之氣凝膠中移除有機溶劑(例如大於80%、大於85%、大於90%、大於95%或甚至大於99%之有機溶劑)之後，接著可將含有氣凝膠複合物及液體二氧化碳之加壓流槽處理成超臨界狀態以將液體二氧化碳轉變成其氣相。一旦將二氧化碳至少實質上轉變成氣相，則在高於二氧化碳之臨界溫度之溫度下釋放流槽系統內部之壓力以確保經固化之氣凝膠內部沒有液體冷凝物形成。所得之經乾燥及固化之複合物包含與網狀玻璃質碳前驅體緊密接觸之乾燥有機氣凝膠基質。
對於本文所述之流槽方法之實務應瞭解，在流槽中處理經固化之氣凝膠促使處理流體(意即有機溶劑、液體二氧化碳及氣態二氧化碳)流經流槽之經燒結之鋼圓盤且流入經固化之氣凝膠中。此減小與依賴於相對緩慢之擴散速率之習知蒸發乾燥方法相關之處理時間。舉例而言，已知典型及習知之氣凝膠處理時間需要長達約兩個月(60天)來完成。然而，當使用流通處理製程時，提供乾燥有機氣凝膠與網狀玻璃質碳發泡體之複合物所需之全部處理時間可減小至約兩週或甚至更少。此外，流通製程限制或甚至消除處理階段期間有機氣凝膠基質之收縮且可因此提供作為一種實質上無需分離之材料之有機氣凝膠複合物。
若需要，則可使用習知方式進行有機氣凝膠與RVC前驅體之複合物之熱解以形成在本文中被稱為經熱解複合物之碳氣凝膠複合物。在一個態樣中，將低密度之經乾燥及固化之氣凝膠置於恆溫烘箱中，且在相容氣氛下加熱至熱解溫度持續熱解時間。如本文所用之術語"相容氣氛"係關於任何將允許高溫熱解經固化及乾燥之有機氣凝膠以形成低密度之開孔碳氣凝膠複合物之氣氛。在一個態樣中，相容氣氛為非氧化性的。相容氣氛可為相對惰性的，例如乾燥氮。或者，相容氣氛可為諸如氫之還原氣氛。熱解溫度可根據熱解時間、經乾燥及固化之有機氣凝膠之特定組成及待熱解之複合物數量而變化。熱解溫度通常為約200℃至1,500℃，且包括任何其間之溫度梯度。熱解時間可根據熱解溫度、經乾燥及固化之有機氣凝膠之特定組成及待熱解之複合物數量而變化。在一個態樣中，熱解時間為約1至24小時。
在另一態樣中，本發明提供包含多孔有機氣凝膠基質及網狀玻璃質碳發泡體之有機氣凝膠複合物，其中多孔碳氣凝膠基質與網狀玻璃質碳發泡體緊密接觸。本發明之有機氣凝膠之特徵在於其相對高之表面積、相對高之強度、相對低之熱導率及相對高之孔隙率。舉例而言，本文所述之經熱解之有機氣凝膠與RVC發泡體之複合物具有0.05 g/cm3 至約0.35 g/cm3 範圍內之密度，其包括(但不限於)0.10 g/cm3 、0.15 g/cm3 、0.20 g/cm3 、0.25 g/cm3 、0.30 g/cm3 之密度或任何源自此等點值之範圍。
在另一態樣中，本文所述之經熱解複合物具有約100 m2 /g至約1000 m2 /g範圍內之表面積，其包括(但不限於)150 m2 /g、200 m2 /g、250 m2 /g、300 m2 /g、350 m2 /g、400 m2 /g、450 m2 /g,500 m2 /g、550 m2 /g、600 m2 /g、650 m2 /g、700 m2 /g、750 m2 /g、800 m2 /g、850 m2 /g、900 m2 /g、950 m2 /g之表面積或任何源自此等點值之範圍。
本文所述之複合物及方法之眾多優點之一為複合物之附加的強度及空間穩定性。舉例而言，本文所述之複合物在處理期間之失效率為約5%；然而對於純氣凝膠而言該失效率接近50%。此係歸因於由本文所述之方法所產生之複合物之空間穩定性。與降低之熱導率組合之高空間穩定性使得本文所述之複合物適用於多種應用中。
在另一態樣中，本發明提供包含本文所述之碳氣凝膠複合物之若干製品物件。舉例而言，涵蓋包含本文所述之碳氣凝膠複合物之熱保護系統。在一個態樣中，熱保護系統為包含如本文所述之氣凝膠複合物之瓦片。為此目的，在一個態樣中，熱保護系統瓦片可進一步包含氧化保護系統。在另一態樣中，熱保護系統瓦片可包含輻射保護系統。一般熟習此項技術者應瞭解，在另一態樣中預期本發明之熱保護系統可用在為太空旅行及隨後再次進入地球大氣所設計之飛行器上。
亦涵蓋本文所述之複合物可用於熱管理汽車或其他機器中之燃料電池或內部燃燒引擎。在另一態樣中，本文所述之複合物可用於燃料電池堆疊之膜電極總成(MEA)材料中。在又一態樣中，複合物可用於汽車或工廠之熱回收系統中。在另一態樣中，複合物可用於電容器或其他電子元件中。在一個態樣中，複合物可用作污染減小或化學處理之催化劑或催化劑支撐物。在另一個態樣中，複合物可用於為汽車、住宅或商用建築物、公用運輸、封裝、太空探險飛行器或星際結構隔熱。
實例
列出下列實例及實驗資料以便對一般熟習此項技術者提供如何製成、使用及/或評估本文中所揭示且主張之氧化劑擴散裝置之完整揭示及描述，且下列實例及實驗資料意欲單純示範本發明且不意欲限制發明者視為其發明之範疇。已盡力確保關於數字(例如量、溫度等)之精確性。但應解釋一些錯誤及偏差。除非另外指出，否則份數係以重量份數計，溫度係以℃表示或在周圍溫度下，且壓力係在大氣壓下或接近大氣壓。
實例1－臺式(低壓)流槽及不銹鋼模
1.對購自Ultramet,Inc.之RVC前驅體Ultrafoam進行切割以完全填充四個200 ml不銹鋼靜態模及一個300 ml不銹鋼流槽。
2.將RVC前驅體置於各模中且將該等模栓在一起。
3.混合2,000.0 g水、256.80 g間苯二酚、392.80 g甲醛及1.3607 g碳酸鈉。攪拌直至所有固體溶解且材料充分混合。
此混合物為表1中之調配物4。表1亦提供其他氣凝膠前驅體調配物。
4.將各模抽空至至少29吋之汞真空，接著使用入口閥控制自(3)進入模之樹脂混合物之流量直至流量停止。稱量各模以確保完全滲透，接著置於80℃烘箱中歷時33小時。關掉烘箱且使其冷卻隔夜。
5.當冷卻時，自靜態模中移除潮濕之氣凝膠複合物且將其置於至少15公升丙酮中進行擴散。每天交換丙酮持續至少三天。當水擴散出之後，自丙酮移除氣凝膠且將其置於壓力容器中進行二氧化碳交換。密封容器且用液體二氧化碳填充。將容器壓力抽至1,400 psi。抽汲液體二氧化碳通過壓力容器，收集且量測排出液。當排出液中沒有丙酮時，關閉壓力容器且加熱至50℃。使用出口閥控制容器壓力至低於1,800 psig。在50℃下維持至少一小時，接著以每小時不超過200 psig之速率自容器中放出二氧化碳。在壓力低於600 psig之後，使容器冷卻至室內條件。當自容器中解除所有壓力時，打開且移除經乾燥之有機氣凝膠複合物。
6.在丙酮交換擴散樣品期間，將冷的流槽連接至丙酮進料容器且抽汲。控制進料壓力至50 psig且使2公升丙酮流經氣凝膠持續四天。洗滌後，自流槽中移除氣凝膠且將其置於壓力容器中進行二氧化碳交換。密封容器且用液體二氧化碳填充。將容器壓力抽至1,400 psi。抽汲液體二氧化碳通過壓力容器，收集且量測排出液。當排出液中沒有丙酮時，關閉壓力容器且加熱至50℃。使用出口閥控制容器壓力至低於1,800 psig。在50℃下維持至少一小時，接著以每小時不超過200 psig之速率自容器中放出二氧化碳。在壓力低於600 psig之後，使容器冷卻至室內條件。當自容器中解除所有壓力時，打開且移除經乾燥之有機氣凝膠複合物。量測且稱量：(36 g，直徑3.33，高1.62)。
實例2－軟模
1.切割Ultrafoam之13.6×8.8×2.2"塊狀物。置於軟模框架中。圖3描述可用於本文之框架之一個態樣。使用適當材料，真空裝袋至滲透板。使用真空泵，抽出大於29"Hg之真空且保持以確保系統維持真空。
2.混合2,000.0 g水、256.80 g間苯二酚、392.80 g甲醛及1.3604 g碳酸鈉(表1中之調配物4)。攪拌直至所有固體溶解且材料充分混合。將濃縮之樹脂溶液添加至6,000 g水中。攪拌直至充分混合。
3.使用入口閥控制，用樹脂溶液緩慢填充經抽空之RVC前驅體直至所有流量停止。使用真空泵自模中移除過量樹脂直至真空袋再次密閉。稱量以確保完全滲透，接著置於80℃烘箱中歷時兩週。圖4描述烘箱中大的氣凝膠複合物。圖5描述在固化後真空袋中之複合物。
4.自烘箱中移除。當冷卻時，移除真空袋材料及滲透板。將潮濕之氣凝膠複合物及框架置於至少15公升丙酮中進行擴散。圖6中描述此態樣。每天交換丙酮持續至少三天。當水擴散出之後，自丙酮中移除氣凝膠且將其置於壓力容器中進行二氧化碳交換。密封容器且用液體二氧化碳填充。將容器壓力抽至1,400 psi。抽汲液體二氧化碳通過壓力容器，收集且量測排出液。當排出液中沒有丙酮時，關閉壓力容器且加熱至50℃。使用出口閥控制容器壓力至低於1,800 psig。在50℃下維持至少一小時，接著以每小時不超過200 psig之速率自容器中放出二氧化碳。在壓力低於600 psig之後，使容器冷卻至室內條件。當自容器中解除所有壓力時，打開且移除經乾燥之有機氣凝膠複合物。
5.將經乾燥之有機氣凝膠複合物置於碳化熔爐中。抽空熔爐，接著用氬淨化。繼續氬淨化，在8小時內加熱至290℃且保持兩小時，接著加熱至490℃持續8小時且保持兩小時。關掉熔爐且使其冷卻至室溫。量測經碳化之氣凝膠以得到重215.25 g之10.66×7.06×1.87"單石。使用表1中之調配物1及2產生下列複合物：調配物1：12.7 in×6.2 in×2.1 in/密度為0.13 g/cm3 。調配物2：13.4 in×7.8 in×2.0 in/密度為0.09 g/cm3 。
實例3－複合物之電腦輔助斷層攝影
進行電腦輔助斷層攝影(CT掃描)以校驗經乾燥之氣凝膠複合物之滲透及稠度。圖7為三個滲入不銹鋼模(流槽)中之氣凝膠圓盤之掃描。頂部材料係源自調配物4(45 ppi；0.18 g/cm3 )，中間材料係來自調配物2(65 ppi；0.09 g/cm3 )且底部材料係來自調配物2(45 ppi；0.13 g/cm3 )。在氣凝膠中可看見發泡結構，但不可看見多孔結構。圖8中，在氣凝膠中觀察到與圖7比較時更明顯之結構。用呈現遍及樣本中之蟲孔外觀之結構在視覺上校驗此狀況。圖9亦展示遍及由調配物2(65 ppi；0.09 g/cm3 )產生之複合物中之增加的密度之直線。此等狀況可能由工具及發泡體在滲透前抽空時之部分粉碎而引起。
實例4－熱導率研究
參考圖10，當與單獨碳氣凝膠相比時，本文所述之本發明之兩種複合物(用表1中之碳氣凝膠1填充之45 ppi及65 ppi Ultrafoam)具有相似之熱導率。開孔碳發泡體Ultrafoam具有高熱導率。本發明之複合物因此具有作為所要性質之低熱導率及空間強度。
貫穿本申請案引用多種公開案。藉由將此等公開案之揭示之全文引用入本申請案中而將其併入本文以便更全面地描述本發明所關於之技術狀態。
可在不偏離本發明之範疇或精神之情況下在本發明中進行多種修改及變化對於熟習此項技術者將顯而易見。藉由考慮本文所揭示之本發明之詳細說明及實務，本發明之其他實施例對於熟習此項技術者將顯而易見。意欲認為詳細說明及實例僅為示範性的，其中本發明之真實範疇及精神由下列申請專利範圍指定。
110‧‧‧流槽
110(a)‧‧‧聚合環
110(b)‧‧‧聚合環
110(c)‧‧‧聚合環
120‧‧‧經燒結之不銹鋼圓盤
圖1展示未組裝之流槽之透視圖。
圖2展示經組裝之流槽之透視圖。
圖3展示用於軟模製程之不銹鋼氣凝膠複合物處理工具。
圖4展示烘箱中大的氣凝膠複合物。
圖5展示真空袋中經固化之複合物。
圖6展示溶劑洗滌中具有處理工具之氣凝膠複合物。
圖7展示三種氣凝膠複合物之電腦輔助斷層攝影。
圖8展示氣凝膠複合物之橫截面之電腦輔助斷層攝影。
圖9展示氣凝膠複合物之電腦輔助斷層攝影掃描之拼貼圖。
圖10展示本發明之碳發泡體、碳氣凝膠及氣凝膠複合物之熱導率對溫度之曲線圖。
110‧‧‧流槽
110(a)‧‧‧聚合環
110(b)‧‧‧聚合環
110(c)‧‧‧聚合環
120‧‧‧經燒結之不銹鋼圓盤

Claims (25)

  1. 一種製造碳氣凝膠複合物之方法，其包含下列步驟：a)將一網狀玻璃質碳前驅體置於可支撐該網狀玻璃質碳前驅體之流槽；b)將一有機氣凝膠前驅體組合物滲入該網狀玻璃質碳前驅體中；c)在有效提供經固化之一有機氣凝膠之條件下固化該經滲透之有機氣凝膠前驅體組合物，以形成固化之有機氣凝膠；及d)在有效提供經乾燥及固化之一有機氣凝膠之條件下乾燥該經固化之有機氣凝膠；其中該經乾燥及固化之有機氣凝膠與該網狀玻璃質碳前驅體緊密接觸，及其中滲透及固化於該流槽中進行。
  2. 如請求項1之方法，其中該網狀玻璃質碳前驅體包含一在每吋約3個微孔至每吋約150個微孔之範圍內之孔隙率。
  3. 如請求項1之方法，其中該網狀玻璃質碳前驅體具有一在約0.01至約0.10g/cm3 之範圍內之容積密度。
  4. 如請求項1之方法，其中該有機氣凝膠前驅體組合物包含間苯二酚及甲醛。
  5. 如請求項1之方法，其中該有機氣凝膠前驅體聚合物包含酚及甲醛。
  6. 2、3、4或5之方法，其中在步驟b)之該滲透之前抽空該網狀玻璃質碳前驅體。
  7. 如請求項6之方法，其中在一流槽中抽空該網狀玻璃質碳 前驅體。
  8. 2、3、4或5之方法，其中在一流槽中將該有機氣凝膠前驅體組合物滲入該網狀玻璃質碳前驅體中。
  9. 如請求項1之方法，其中步驟c)之該固化包含將該經滲透之有機氣凝膠前驅體組合物加熱至一約60℃至約100℃範圍內之溫度持續一約2小時至約500小時範圍內之時期。
  10. 如請求項1之方法，其中在一流槽中固化該經滲透之有機氣凝膠前驅體組合物。
  11. 如請求項1之方法，其中該網狀玻璃質碳前驅體包含網狀胺基甲酸酯。
  12. 如請求項1之方法，其中步驟d)包含：i)用一有機溶劑洗滌該經固化之有機氣凝膠，以實質上自該經固化之有機氣凝膠中移除水；ii)用液體二氧化碳洗滌i)之該實質上無水之經固化之有機氣凝膠以實質上自該經固化之有機氣凝膠中移除有機溶劑；及iii)使ii)之該實質上無有機溶劑之經固化之有機氣凝膠經受超臨界條件以實質上移除液體二氧化碳。
  13. 如請求項12之方法，其中在一流槽中及在壓力下進行步驟d)。
  14. 如請求項13之方法，其中步驟d)不引起該經固化之有機氣凝膠自該網狀玻璃質碳前驅體中分離。
  15. 如請求項13之方法，其中該溶劑包含丙酮。
  16. 如請求項1之方法，其進一步包含熱解該經乾燥及固化之 有機氣凝膠，以提供一包含嵌入一多孔碳氣凝膠基質中之一網狀玻璃質碳的碳氣凝膠複合物。
  17. 一種由請求項1之方法產生之碳氣凝膠複合物，其中該複合物可經受住約-250℃至約2,150℃範圍內之溫度。
  18. 一種由請求項1之方法產生之碳氣凝膠複合物，其包含：a)一網狀玻璃質碳發泡體；及b)一多孔碳氣凝膠基質，其中該多孔碳氣凝膠基質與該網狀玻璃質碳發泡體緊密接觸，且其中該碳氣凝膠複合物包含一在0.05至約0.35g/cm3 範圍內之密度。
  19. 一種由請求項1之方法產生之碳氣凝膠複合物，其包含：a)一網狀玻璃質碳發泡體；及b)一多孔碳氣凝膠基質，其中該多孔碳氣凝膠基質與該網狀玻璃質碳發泡體緊密接觸，且其中該碳氣凝膠複合物包含一在約100m2 /g至約1000m2 /g範圍內之表面積。
  20. 如請求項17、18或19之碳氣凝膠複合物，其中該複合物可被加工成任何所要尺寸及形狀。
  21. 一種包含請求項17、18或19之碳氣凝膠複合物之物件。
  22. 一種包含請求項17、18或19之碳氣凝膠複合物之熱保護系統。
  23. 如請求項22之熱保護系統，其中該熱保護系統包含一瓦片。
  24. 如請求項22之熱保護系統，其進一步包含一氧化保護系 統。
  25. 如請求項22之熱保護系統，其進一步包含一輻射保護系統。
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