TWI717257B

TWI717257B - 耐高溫、隔熱、及防火之氣凝膠/無機纖維複合膠材的製備方法及其產物的應用

Info

Publication number: TWI717257B
Application number: TW109112438A
Authority: TW
Inventors: 陳建宏; 陳秀秀; 彭勝宏; 李洋端
Original assignee: 台灣氣凝膠科技材料開發股份有限公司
Priority date: 2020-04-14
Filing date: 2020-04-14
Publication date: 2021-01-21
Also published as: TW202138333A

Abstract

本發明之親水性氣凝膠/無機纖維複合膠材的製備方法包含下列步驟：（1）混合步驟；（2）水解步驟；（3）縮合步驟；（4）老化步驟；（5）高溫溶劑置換步驟；（6）蒸發乾燥步驟；以及（7）複合步驟。所得的產物為氣凝膠顆粒與無機纖維混合而成的黏滯狀氣凝膠複合膠狀物，乾燥後氣凝膠與無機纖維的含量為25-90wt%。此外，所得的產物可於600℃以上的高溫長時間使用且無有機物裂解與致癌物產生的現象。

Description

耐高溫、隔熱、及防火之氣凝膠/無機纖維複合膠材的製備方法及其產物的應用

本發明關於一種耐高溫、隔熱、及防火之氣凝膠/無機纖維複合膠材的製備方法及其相關產物的應用，特別此複合膠材及所提方法的相關產物具有可耐超過800℃以上之高溫的特性。

氣凝膠為一種具立體網狀結構的多孔隙材料，且為一種具低密度（0.003~0.2g/cm ³）、高比表面積（500~2,000m ²/g）、與低熱導率（0.02~0.036W/mK）等特性的高科技產品。此外，氣凝膠孔隙度高達95%以上且其內部含有大量空氣，故整體呈現透明狀且具低傳熱係數、低傳音速率、與低介電常數等特性，使得氣凝膠成為極優異之隔熱、隔音、電絕緣、吸附、與過濾的材料。然而，實際使用時欲達到上述機能，必須均勻地將氣凝膠分散於岩棉、玻纖棉、或碳纖棉等基材上以形成氣凝膠隔熱毯。常用的氣凝膠隔熱毯有易掉粉的問題，且多數氣凝膠隔熱毯的使用溫度為200℃以下而不耐高溫。此外，市售可於300℃高溫下使用的氣凝膠隔熱毯則會釋放有毒氣體或臭味，經一段時間使用後即明顯產生裂解現象，故於替換過程中會產生大量氣凝膠裂解物或塵埃，極易造成人員健康危害及環境污染。

習知的氣凝膠製備方法為溶膠凝膠合成法，主要先將矽烷氧化合物（alkoxysilane）、正矽酸甲酯、或水玻璃等前驅物與有機溶劑進行混合，再加入酸觸媒進行水解反應（hydrolysis）。待水解一段時間後，添加鹼觸媒進行縮合反應（condensation），且縮合過程中會逐漸形成溶膠。溶膠內的分子繼續進行鍵結，逐漸形成半固態的高分子凝膠。接著，經一段時間熟化（aging）後，使溶膠自半固態結構轉變為結構穩定的立體網狀結構。最後，先利用乙醇、正丁醇、或正丙醇進行溶劑置換，再利用正己烷或環己烷等溶劑進行進一步的溶劑置換，後以超臨界乾燥技術將立體網狀結構內的溶劑萃取乾燥，而獲得多孔性的乾燥疏水性氣凝膠粉末。

目前所用之疏水性氣凝膠隔熱毯亦採用溶膠凝膠合成法為起始，主要先將矽烷氧化合物（如：甲基三甲氧基矽烷（methyltrimethoxysilane，MTMS）或甲基三乙氧基矽烷（methyltriethoxysilane，MTES））與有機溶劑混合後，再加入鹼觸媒進行水解反應。待水解一段時間後，進行縮合反應，並於縮合過程中逐漸形成凝膠；隨後以常溫常壓或高溫常壓乾燥。此外，溶膠凝膠合成法亦可先由矽烷氧化合物（如：四乙氧基矽烷（tetraethoxysilane，TEOS）或四甲氧基矽烷（tetramethoxysilane，TMOS））與有機溶劑混合後，再加入酸觸媒進行水解反應。待水解一段時間後，添加鹼觸媒進行縮合反應，並於縮合過程中會逐漸形成結構穩定的立體網狀結構。之後，先利用乙醇、正丁醇、或正丙醇進行溶劑置換，再利用正己烷或環己烷等溶劑進行進一步的溶劑置換，後以三甲基氯矽烷或疏水性矽烷化合物進行疏水改質，使疏水性官能基團與立體網狀結構化學鍵結。然後，利用常壓乾燥技術將立體網狀結構內的溶劑乾燥，而獲得多孔的乾燥氣凝膠塊材。最後，將所衍生的氣凝膠粉末均勻噴灑於無機棉毯上，再噴塗矽油並以針扎定型形成多層氣凝膠隔熱毯。然而，上述疏水氣凝膠與所形成的多層氣凝膠隔熱毯於達350℃的溫度下便開始裂解，並釋放出大量有毒有機物質，因此無法於產業應用。再者，上述疏水氣凝膠於製程中須多次溶劑置換並利用有機物質改質，整體技術相當浪費金錢與時間而不符成本效益。

就耐高溫隔熱陶瓷板而言，如中國發明專利公開號CN105135507A提出發泡陶瓷複合地暖磚及其製備方法，其以0.2至0.8比重的發泡陶瓷作為基板，且陶瓷磚與發泡陶瓷之間的黏合層為快凝水泥。但此項技術存在以下問題：1、發泡陶瓷的導熱率較氣凝膠材料或傳統有機發泡材高，為氣凝膠材料的4至5倍，熱損耗相對較高；2、相關有機發泡材在350度以上高溫環境將產生明顯裂解現象以及產生大量有毒氣體，將影響發泡陶瓷的使用壽命。

另外，中國發明專利公開號CN105025598A提出電熱複合陶瓷磚及其製備方法，其採用電熱膜作為發熱元件，且組分中含有55至75wt%的有機黏結劑，如：環氧樹脂、聚氨酯、或矽膠等有機樹脂。然，其缺點為這些含有機黏結的陶瓷磚無法長時間應用在350度高溫環境中使用，且於高溫加熱過程中容易產生裂解現象並釋放大量有毒氣體。

日本特許專利公開號200835648提出多孔材料及其製備方法，主要將矽烷氧化合物（如：四乙氧基矽烷）或矽酸鹽化合物（如：水玻璃）與有機溶劑混合以溶膠凝膠法合成，並經改質劑改質而製得多孔材料，藉此將多孔材料表面的親水性官能基置換成疏水性官能基，以避免水分表面張力影響氣凝膠造成破裂。其缺點為所得的疏水氣凝膠材料無法於高溫環境下使用，於約350℃下便開始產生裂解而釋放大量有毒氣體。

目前常用的多孔陶瓷板主要屬泡沫陶瓷、蜂窩陶瓷或粒狀陶瓷結體，均為高溫燒制的矽酸鹽陶瓷材料。這些多孔陶瓷板本質上屬高密度陶瓷結構，雖然利用發泡技術使得得到的多孔陶瓷磚輕薄且具高阻燃性。然而，於高溫下的阻熱性仍舊不良，使得材料於高溫環境下的應用效果不佳。

本發明之一目的在於改善目前有機黏結的多孔陶瓷板及疏水性氣凝膠隔熱毯無法於高溫環境長時間使用的缺點。

本發明之另一目的在於加入無機纖維（如：陶瓷纖維、岩棉、玻纖棉、或碳纖棉等）至氣凝膠中，可直接提升氣凝膠相關隔熱產品的耐壓、抗爆等力學性質，且混合所得的氣凝膠複合膠材可直接噴塗或披覆於各種不規則形狀的管柱或設備外觀，而不須將氣凝膠粉末噴灑於無機纖維毯之間以製備成氣凝膠隔熱毯。

本發明之另一目的在於利用無機膠著劑水溶液作為親水性氣凝膠顆粒與無機纖維等材料之間的黏著劑，乾燥後可進一步提升整體材料的孔隙率，進而降低材料密度與提升材料隔熱性。此外，整體產品於高溫環境下無一般有機黏著劑裂解而產生大量致癌毒物的現象。而且，透過無機膠著劑水溶液作為黏著劑可提高親水性氣凝膠與無機纖維於高溫環境下的結構穩定性與隔熱特性，且更重要的是於高溫環境下長時間使用後無粉化掉屑問題。

本發明之再一目的在於所開發的親水性氣凝膠顆粒製備過程中利用高溫溶劑置換技術，可明顯降低傳統親水性氣凝膠製備中的溶劑置換或水洗速度，進而明顯降低製備時間，而降低製造成本與提高產率。

本發明之再一目的在於氣凝膠/無機纖維複合膠材可利用噴塗或擠壓等傳統加工技術將其直接形成於無機纖維毯上以形成一般氣凝膠隔熱毯。而且，氣凝膠/無機纖維複合膠材可與一般纖維毯相互結合形成多層結構，亦可於氣凝膠/無機纖維複合膠材中添入撥水劑，藉此連續式或批式大量生產具撥水性與高溫隔熱性質的氣凝膠隔熱毯，進而提高氣凝膠與纖維毯等布料間的作用力而提升產品應用價值。

根據本發明，提出一種結合親水性氣凝膠與無機纖維的製程技術，其中親水性氣凝膠顆粒為利用改良型溶膠凝膠合成技術所製備的並與無機纖維於無機膠著劑水溶液混合下結合成隔熱的氣凝膠/無機纖維複合膠材，此複合膠材兼具柔軟與高黏結等易加工特性，且此複合膠材經乾燥交聯後即形成耐高溫與高隔熱性質的氣凝膠隔熱板材或氣凝膠隔熱磚。

是以，本發明之親水性氣凝膠/無機纖維複合膠材的製備方法包含下列步驟：係包括：（1）混合步驟：將一矽氧烷類化合物添加至一混合溶劑，使矽氧烷類化合物分散於混合溶劑中而形成一混合溶液；（2）水解步驟：將一酸觸媒加入混合溶液中進行水解反應；（3）縮合步驟：將一鹼觸媒加入混合溶液，以進行縮合反應，其中於縮合反應過程中加入一疏水性分散溶媒，並經高速攪拌使混合溶液形成結構均一的氣凝膠濕膠；或其中於縮合反應過程中加入一疏水性分散溶媒，並經高速攪拌使混合溶液形成結構均一的氣凝膠濕膠，再於一大量疏水性溶媒環境下對氣凝膠濕膠進行破碎，使氣凝膠濕膠破碎成粒徑大小介於數百微米到數十毫米並分散於疏水性溶媒中；（4）老化步驟：於一特定溫度下對氣凝膠濕膠進行老化，使氣凝膠濕膠進一步穩定化；（5）高溫溶劑置換步驟：於一常壓高溫條件下進行疏水性分散溶媒與氣凝膠濕膠內的溶劑置換直至氣凝膠濕膠呈現藍透狀或完全透明狀；（6）蒸發乾燥步驟：利用高溫蒸餾去除或以過濾器濾除疏水性溶媒，後以高溫烘乾氣凝膠濕膠並利用親疏水混合溶劑效應使氣凝膠濕膠結構中的水分子快速脫離以獲得高孔隙率低熱傳性質之氣凝膠顆粒以獲得具有高孔隙度與高比表面積的親水性氣凝膠顆粒；以及（7）複合步驟：將乾燥的親水性氣凝膠顆粒與無機纖維於攪拌機下相互混合形成均勻分散的無機混合物，再添加無機膠著劑水溶液至無機混合物，使氣凝膠顆粒、無機纖維與無機膠著劑水溶液相互作用成一具黏滯性之親水性氣凝膠/無機纖維的複合膠材，隨後添加水、黏稠劑水溶液、分散劑水溶液、或氣凝膠粉末調整複合膠材黏度。其中氣凝膠佔複合膠材的含量介於15-40v/v%，無機纖維介於10-35v/v%，無機膠著劑水溶液介於25-75v/v%。此外，於複合膠材乾燥後所得的氣凝膠隔熱板中氣凝膠與無機纖維的總含量大約25-90wt%。

進一步，矽氧烷類化合物包含親水性矽氧烷化合物（alkoxysilane），如：四甲氧基矽烷（tetramethoxysilane，TMOS）或四乙氧基矽烷（tetraethoxysilane，TEOS），其主要提供網狀結合點密度，以增加氣凝膠柔軟性與結構強度；以及少量疏水性矽氧烷化合物，如：甲基矽酸甲酯（MTMS）或甲基矽酸乙酯（MTES），其主要提供氣凝膠微量的疏水性質，以增加氣凝膠結構的結構穩定性。

進一步，該混合溶劑包含一第一組分與一第二組分，第一組分包含一種或多種選自於由下列所構成群組之成分：水、醇類、及烷類，第二組分包含包含一種或多種選自於由下列所構成群組之成分：乳化劑及界面活性劑。

進一步，水解步驟中添加的酸觸媒包含一種或多種選自於由下列所構成群組之成分：硫酸、磷酸、硝酸、及硼酸。

進一步，縮合步驟中添加的鹼觸媒包含一種或多種選自於由下列所構成群組之成分：氫氧化鈉、氫氧化鉀、碳酸氫鈉、及碳酸氫鉀。

進一步，界面活性劑包含一種或多種選自於由下列所構成群組之成分：陽離子界面活性劑、陰離子界面活性劑、雙性離子界面活性劑、及非離子界面活性劑。

進一步，縮合步驟中所用的疏水性分散溶媒可依據製程需求包含親水性溶劑與疏水性溶劑調和而成的分散溶媒。於縮合破碎反應過程中添加大量分散溶媒（如：醇類、芳香族類、烷類及有機鹵化物類之一種或多種），可使氣凝膠濕膠於大量疏水性分散溶媒作用下擁有大量孔洞，並利用親水性溶劑與疏水性溶劑的調和比例控制分散溶媒與氣凝膠濕膠分子間的相互作用，進而控制氣凝膠濕膠分子於聚集結合過程中的微相分離行為，從而控制所形成之氣凝膠濕膠的分子顆粒大小與孔洞分布特性。

進一步，於本方法中利用一般常壓高溫疏水溶劑置換方式進行溶劑置換以加速溶劑置換效率並降低氣凝膠製程時間。本方法利用不同親水性及疏水性溶劑間的混溶共沸效應，使得在高溫溶劑置換過程中濕膠內部的水分子或其他親水性分子與大量疏水性溶媒間混溶共沸，進而快速置換濕膠中的溶劑直至呈現藍透狀或完全透明狀，因而製備出低密度且高孔隙率的親水性氣凝膠顆粒。

進一步，本方法利用一般常壓高溫方式進行溶劑蒸發及乾燥。乾燥後即可獲得粒徑介於數百微米到數十毫米的親水性氣凝膠顆粒。整體而言，製程簡易且可依基材性質進行不同親水性官能基表面改質的氣凝膠顆粒。製程速度可快速縮短至8至12小時內完成且可連續生產製備具有一般親水性基團或特殊親水基團的氣凝膠顆粒，藉此提高生產效率。

進一步，於常壓高溫下進行溶劑蒸發及乾燥所得的透明狀氣凝膠顆粒可直接與無機纖維在攪拌機攪拌力下相互混合形成均勻分散的氣凝膠無機混合物，隨後再添加無機膠著劑，使氣凝膠顆粒、無機纖維與無機膠著劑相互作用成一黏滯狀氣凝膠複合膠狀物，隨後添加水、黏稠劑水溶液、分散劑水溶液、或氣凝膠粉末調整氣凝膠複合膠狀物的黏度即可。本發明氣凝膠複合膠材中氣凝膠含量介於15-40v/v%，無機纖維含量介於10-35v/v%，無機膠與水總含量介於25-75v/v%。本發明氣凝膠複合膠材具有高黏著性，可直接填注或披覆於高溫鍋爐或內燃機等高溫設備上，或利用壓鑄成型法製備成氣凝膠隔熱磚或板材等應用產品，氣凝膠隔熱磚或板材中氣凝膠與無機纖維總含量大約25-90wt%。

進一步，氣凝膠複合膠材乾燥後所形成的氣凝膠隔熱板中氣凝膠與無機纖維總含量大約90wt%，可耐溫達800 ℃以上，於室溫及500℃下的熱傳係數分別為0.04W/mK及0.095W/mK。

進一步，無機纖維可為一種或多種選自於由下列所構成群組之材料：陶瓷纖維、玻璃纖維、碳纖維、氧化纖維、及岩棉纖維等無機材料。

本發明具有下列功效：

1、本發明製備方法利用縮合步驟中於疏水性分散溶媒作用下，使氣凝膠濕膠內部的親水性溶劑與疏水性分散溶媒相互作用混合，使濕膠表層快速進行凝膠化而形成一緻密氣凝膠殼層。另一方面，疏水性分散溶媒也滲入氣凝膠濕膠內部促進凝膠化，並因疏水性溶劑的滲入而造成液-固相分離(liquid-solid phase-separation)，促進濕膠產生大量奈米孔至中孔結構。另一方面，疏水溶劑滲入濕膠內部後亦會與乙醇及水互溶，因此改變水分子的介面張力，故可明顯降低氣凝膠濕膠結構於後續老化及乾燥過程中的收縮性，以生產多孔隙率的親水性氣凝膠顆粒。藉此，可明顯提高親水性氣凝膠顆粒的隔熱與防火性能，可明顯提高混摻材料中氣凝膠顆粒含量，提高氣凝膠的實用性質。

2、本發明製備方法所得的親水性氣凝膠顆粒，其密度、粒徑、空孔率及孔洞大小可依製備條件，如：親水性矽氧烷化合物含量、疏水性矽氧烷化合物含量、溶劑含量、酸觸媒或鹼觸媒含量、界面活性劑含量、疏水性分散溶媒成分及其含量、疏水性溶媒成分及其含量、溶劑置換溫度、與攪拌速率等。

3、本發明製備方法於縮合分散步驟中藉由大量疏水性溶媒下進行破碎與快速攪拌，隨後進行乾燥去除疏水性溶媒，即可生產粒徑大小介於數百微米到數十毫米的親水性氣凝膠顆粒。所生產的親水性氣凝膠顆粒具有優異分散性且可高含量地混摻於基材，並可於基材中保持氣凝膠內部的高空孔率，以提升親水性氣凝膠顆粒於各類不同基材中的隔熱及防火性質。

4、本發明利用高溫溶劑置換步驟中控制溶劑含量以及溫度等條件，即可縮短整體氣凝膠的置換時間，最快可在12至24小時內即完成大量（體積約500至5000L）親水性氣凝膠顆粒的製備，藉此提高氣凝膠的生產效率。

5、本發明以親水性氣凝膠顆粒添加無機纖維進行混合並利用無機膠著劑水溶液調配形成高溫用氣凝膠/無機纖維隔熱複合膠材，相關產品可於600℃以上溫度長時間使用，或於1000℃極高溫環境下短時間隔熱。

請參閱圖1，揭示本發明實施例親水性氣凝膠複合膠材的製備方法，其包含下列步驟：混合步驟（S1）、水解步驟（S2）、縮合分散步驟（S3）或縮合破碎步驟（S3’）、老化步驟（S4）、高溫溶劑置換步驟（S5）、蒸發乾燥步驟（S6）、及複合步驟（S7），藉此可應用於製備出耐高溫的氣凝膠隔熱磚材。

混合步驟（S1）：混合一矽氧烷類化合物與一混合溶劑。矽氧烷類化合物為一種或多種選自於由下列所組成之群組：親水性矽氧烷化合物（alkoxysilane），如：四甲氧基矽烷（tetramethoxysilane，TMOS）或四乙氧基矽烷（tetraethoxysilane，TEOS），以及少量疏水性烷基矽氧烷化合物，如：甲基矽酸甲酯（MTMS）或甲基矽酸乙酯（MTES），以上疏水性分子於本文主要提供氣凝膠微量的疏水性質，以增加氣凝膠結構的結構穩定性。此外，可另添加極少量另一親水性矽氧烷化合物：R-矽氧烷化合物，主要為進行氣凝膠微細結構改質與控制官能基含量，其中R為親水性官能基，其包含：酸基-COOH、胺基-NH ₂、亞胺基-NH-、羥基-OH、醯胺基-CONH-、或環氧基-COH-COH，且親水性官能基碳數由C1至C8。以混合溶液的總含量計，矽氧烷類化合物的總含量為3.0mol%至60.0mol%之間，其中疏水性烷基矽氧烷化合物含量為0.05mol%至6.0mol%之間，溶劑的含量為97.0mol%至40.0mol%之間。

混合步驟（S1）中所用的溶劑可為水、處理水、去離子水、二次水、C1至C8醇類、C1至C8烷類、高分子乳化劑、或界面活性劑。具體而言，混合溶劑為水、處理水、去離子水、乙醇、甲苯、正己烷、環己烷、聚乙烯醇、或十六烷基三甲基氯化銨。

水解步驟（S2）：將一酸觸媒加入混合溶液，以進行水解反應。矽氧烷類化合物的總含量與酸觸媒的含量比為1:0.5至1:0.0001；此外，於含有某些特定R-矽氧烷化合物下可不添加酸觸媒即可直接水解。另外，矽氧烷類化合物的總含量與酸觸媒的含量比為1:0.0001時，水解反應時間須達360分鐘；矽氧烷類化合物的總含量與酸觸媒的含量比為1:0.5時，水解時間須達5分鐘。由此可知，水解時間可隨酸觸媒含量的增加而減少。

縮合分散步驟（S3）或縮合破碎步驟（S3’）：將一鹼觸媒加入混合溶液，以進行縮合反應。酸觸媒與鹼觸媒的莫耳比例為1:1至1:4。於混合溶液中，鹼觸媒含量增加會明顯縮短縮合反應時間（即凝膠化時間）。酸觸媒與鹼觸媒的莫耳比為1:1時，凝膠化時間約1,200分鐘；酸觸媒與鹼觸媒的莫耳比例為1:3時，凝膠化時間下降至約3-5分鐘；故可調配鹼觸媒含量以調整凝膠化時間。

於縮合反應接近完成前，混合溶液會形成溶膠溶液狀（solution-like sol）。於縮合分散步驟（S3）中將混合溶液控制於溶膠狀的條件下加入大量非相容體系的疏水性分散溶媒，並進行轉速100rpm至500rpm快速攪拌，使混合溶液受分散溶媒的混合溶劑效應作用力影響，且使混合溶液中水分子的水合作用力受到抑制，隨後凝膠化形成親水性氣凝膠濕膠。混合溶劑與疏水性分散溶媒的體積比為1:0.05至1:0.5，而疏水性分散溶媒含量越高，後續所製備之氣凝膠顆粒收縮率越低，巨觀相分離行為越嚴重且呈不透明外觀，但其結構孔隙度相對地越高且密度越低。而於縮合破碎步驟（S3’）中更進一步地於大量疏水性溶媒條件下進行破碎親水性氣凝膠濕膠，使濕膠破碎成粒徑大小介於數百微米到數十毫米並分散於疏水性溶媒中。

縮合分散步驟（S3）或縮合破碎步驟（S3’）所用的疏水性分散溶媒可為C2至C4醇類、C6至C12芳香族類、C5至C9烷類、或C7至C12芳香族醇類。具體而言，如：乙醇、己烷、環己烷、戊烷、苯、甲苯、苯甲醇、或苯乙醇。

老化步驟（S4）：所形成的親水性氣凝膠濕膠結構於一特定溫度（如：35至80℃，進一步地如40至50℃）下進行老化，促使親水性氣凝膠濕膠結構穩定。

高溫溶劑置換步驟（S5）：利用常壓高溫（如：50至160℃）對濕膠進行溶劑置換。高溫溶劑置換步驟（S6）利用親水性及疏水性溶劑間的互溶性質，使得濕膠內部的水分子或其他親水性分子與大量疏水性溶媒混溶共沸，進而快速置換濕膠中的溶劑至呈現藍透狀或完全透明狀，因此於後續可製備出低密度且高孔隙率的親水性氣凝膠顆粒。

蒸發乾燥步驟（S6）：高溫蒸餾排除前述剩餘的疏水性溶媒或用過濾器濾除前述剩餘的疏水性溶媒後，利用60至160℃且常壓條件下快速乾燥濕膠，即可獲得高密度的親水性氣凝膠顆粒。之後，進一步地以90至250℃流動床乾燥機、恆溫烘箱、滾筒式乾燥機、攪拌乾燥機、噴霧式乾燥機、或真空乾燥機進行氣凝膠顆粒乾燥，以獲得乾親水性氣凝膠顆粒。

至此，可製備出粒徑大小介於數百微米到數十毫米的多孔性親水性氣凝膠顆粒。另外，透過本技術亦可製備出親水性官能基改質的氣凝膠顆粒，而如與水泥、水泥漆、黏膠、或漆類等材料混合以應用於各種防火隔熱產品，提高氣凝膠顆粒的應用性質。特別是所製備氣凝膠顆粒可應用於耐高溫氣凝膠隔熱板材或磚材的製備與應用。

複合步驟（S7）：將透明狀氣凝膠顆粒直接與無機纖維於攪拌機攪拌力下相互混合形成均勻分散的無機混合物，隨後再添加無機膠著劑，使氣凝膠顆粒、無機纖維與無機膠著劑相互作用成一黏滯狀氣凝膠複合膠狀物，隨後添加水、黏稠劑水溶液、分散劑水溶液、或氣凝膠粉末調整氣凝膠複合膠狀物的黏度即可取得氣凝膠複合膠材。

複合步驟（S7）中所用的無機膠著劑可為一種或多種選自於由下列所組成之群組：磷酸鹽、矽酸鹽、硫酸鹽、硼酸鹽、金屬氧化物。具體而言，磷酸鹽如磷酸鋯或磷酸-氧化銅，矽酸鹽如矽酸鋁或水玻璃，金屬氧化物如銅、鋁、鋯、釔及鑭系元素的金屬氧化物。

請參閱圖2及圖3，利用一般相機觀察親水性氣凝膠顆粒的外觀尺寸，其中圖2顯示微米級親水性氣凝膠顆粒尺寸約為50微米至200微米，圖3顯示毫米級親水性氣凝膠顆粒尺寸約為3毫米至20毫米。

請參閱圖4，利用掃描式電子顯微鏡觀察親水性氣凝膠顆粒的微細結構，其表面及內部含有大量的孔洞。

請續參閱圖5，所製備10.5公分 x 10.5公分 x 9.5公分的高溫隔熱氣凝膠磚外觀。由照片顯示其重量為277.1g。經計算後可知，高溫隔熱氣凝膠磚的密度為0.265g/cm ³，具有優異輕量化效果。

請續參閱圖6，取厚度3cm的高溫隔熱氣凝膠磚於1200℃火焰加熱3小時期間的背面溫度進行比對。由比對結果顯示出室溫溫度為25℃，高溫隔熱氣凝膠磚於1200℃加熱3小時後的背面溫度約為175℃，顯示本實施方式的產品具有極優異的耐高溫與隔熱性質。

綜合上述實施例之說明，當可充分瞭解本發明之製作、應用及本發明產生之功效，惟以上所述實施例僅係為本發明之較佳實施例，當不能以此限定本發明實施之範圍，即依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作簡單的等效變化與修飾，皆屬本發明涵蓋之範圍內。

（S1）:混合步驟

（S2）:水解步驟

（S3）:縮合分散步驟

（S3’）:縮合破碎步驟

（S4）:老化步驟

（S5）:高溫溶劑置換步驟

（S6）:蒸發乾燥步驟

（S7）:複合步驟

圖1為本發明實施例親水性氣凝膠複合膠材之製備方法的步驟流程圖。圖2為本發明所製備之親水性氣凝膠顆粒的外觀照片圖。圖3為本發明所製備之親水性氣凝膠顆粒的外觀照片圖。圖4為本發明所製備之親水性氣凝膠顆粒的掃描式電子顯微鏡照片圖。圖5為10.5公分 x 10.5公分 x 9.5公分之高溫隔熱氣凝膠磚的外觀照片圖。圖6為厚度3cm之高溫隔熱氣凝膠磚於1200℃條件下加熱3小時的背面溫度變化曲線圖，其中比例為體積比。

(S1):混合步驟

(S2):水解步驟

(S3):縮合分散步驟

(S3’):縮合破碎步驟

(S4):老化步驟

(S5):高溫溶劑置換步驟

(S6):蒸發乾燥步驟

(S7):複合步驟

Claims

一種親水性氣凝膠/無機纖維複合膠材的製備方法，係包括：混合步驟：將一矽氧烷類化合物及一混合溶劑混合，以形成一混合溶液；水解步驟：將一酸觸媒加入該混合溶液，以進行水解反應；縮合步驟：將一鹼觸媒加入該混合溶液，以進行縮合反應，其中於該縮合反應過程中加入一疏水性分散溶媒，並經高速攪拌使該混合溶液形成結構均一的氣凝膠濕膠；或其中於該縮合反應過程中加入一疏水性分散溶媒，並經高速攪拌使該混合溶液形成結構均一的氣凝膠濕膠，再於一大量疏水性溶媒環境下對該氣凝膠濕膠進行破碎，使該氣凝膠濕膠破碎成粒徑大小介於數百微米到數十毫米並分散於該疏水性溶媒中；老化步驟：於一特定溫度下對該氣凝膠濕膠進行老化，使該氣凝膠濕膠進一步穩定化；高溫溶劑置換步驟：於一常壓高溫條件下進行該疏水性分散溶媒與該氣凝膠濕膠內的溶劑置換直至該氣凝膠濕膠呈現藍透狀或完全透明狀；蒸發乾燥步驟：利用高溫蒸餾去除或以過濾器濾除該疏水性溶媒，後以高溫烘乾該氣凝膠濕膠以獲得具有高孔隙度與高比表面積的親水性氣凝膠顆粒；以及複合步驟：將該乾燥的親水性氣凝膠顆粒與無機纖維於攪拌機下相互混合形成均勻分散的無機混合物，再添加無機膠著劑水溶液至該無機混合物，使該氣凝膠顆粒、該無機纖維與該無機膠著劑水溶液相互作用成一具黏滯性之親水性氣凝膠/無機纖維的複合膠材，隨後添加水、黏稠劑水溶液、分散劑水溶液、或氣凝膠粉末調整該複合膠材黏度，其中該氣凝膠佔該複合膠材的含量介於 15-40v/v%，該無機纖維介於10-35v/v%，該無機膠著劑水溶液介於25-75v/v%，且於該複合膠材乾燥後所得的氣凝膠隔熱板中該氣凝膠與該無機纖維的總含量為25-90wt%。
如請求項1所述之製備方法，其中該矽氧烷類化合物包括：一第一親水性矽氧烷化合物(alkoxysilane)、一少量的第二親水性矽氧烷化合物、及一少量的疏水性矽氧烷化合物，該第一親水性矽氧烷化合物選自四甲氧基矽烷(tetramethoxysilane，TMOS)或四乙氧基矽烷(tetraethoxysilane，TEOS)，該疏水性烷基矽氧烷化合物選自甲基三甲氧基矽烷(MTMS)或甲基三乙氧基矽烷(MTES)，該第二親水性矽氧烷化合物為R-矽氧烷化合物，其中R為親水性官能基而包含：酸基-COOH、胺基-NH₂、亞胺基-NH-、羥基-OH、醯胺基-CONH-、或環氧基-COH-COH，且該親水性官能基的碳數由C1至C8。
如請求項1所述之製備方法，其中該混合溶劑包含一第一組分與一第二組分，該第一組分包含一種或多種選自於由下列所構成群組之成分：水、醇類、及烷類，該第二組分包含一種或多種選自於由下列所構成群組之成分：乳化劑及界面活性劑。
如請求項1所述之製備方法，其中該疏水性分散溶媒為C2至C4醇類、C6至C12芳香族類、C5至C9烷類、C7至C12芳香族醇類等，該醇類為乙醇，該烷類為己烷、環己烷、或戊烷，該芳香族類為苯或甲苯，該芳香族醇類為苯甲醇或苯乙醇。
如請求項1所述之製備方法，其中該溶劑置換步驟為於50至160℃與常壓下進行。
如請求項1所述之製備方法，其中該蒸發乾燥步驟中的高溫蒸餾為於60至160℃且常壓條件下快速乾燥，而高溫烘乾為以90至250℃流動床乾燥機、恆溫烘箱、滾筒式乾燥機、攪拌乾燥機、噴霧式乾燥機、或真空乾燥機進行。
如請求項2所述之製備方法，其中該氣凝膠顆粒的密度、粒徑、空孔率、及孔洞大小受以下條件所調控：第一親水性矽氧烷化合物含量、第二親水性矽氧烷化合物含量、疏水性矽氧烷化合物含量、溶劑含量、溶劑黏度、酸觸媒含量、鹼觸媒含量、疏水性分散溶媒種類或含量、疏水性溶媒種類或含量、溶劑置換溫度、以及攪拌速度。
如請求項第1項所述之製備方法，其中該複合步驟替代為將該乾燥的親水性氣凝膠顆粒直接與無機纖維於攪拌機攪拌力下相互混合形成均勻分散的無機混合物，再添加無機膠著劑至該無機混合物，使該氣凝膠顆粒、該無機纖維與該無機膠著劑相互作用成一黏滯狀的氣凝膠複合膠狀物，隨後添加水、黏稠劑水溶液、分散劑水溶液、或氣凝膠粉末調整該氣凝膠複合膠狀物的黏度。
如請求項8所述之製備方法，其中該無機膠著劑選自：磷酸鹽、矽酸鹽、硫酸鹽、硼酸鹽、或金屬氧化物，該磷酸鹽為磷酸鋯、磷酸-氧化銅，該矽酸鹽為矽酸鋁或水玻璃，該金屬氧化物為含銅、鋁、鋯系元素的氧化物。
如請求項1所述之製備方法，其中該複合膠材乾燥後所得的氣凝膠隔熱板用於600℃以上溫度長時間使用，或於1000℃極高溫環境下短時間隔熱。