TWI730040B - 絕緣結構 - Google Patents

Abstract

本案的說明為絕緣結構，其包括至少一微孔層，該微孔層包括複數個細孔、與該微孔層相鄰的多孔層、以及延伸穿過該微孔層的複數個細孔並且穿過至少部分的該多孔層之單塊氣凝膠結構。該微孔層過濾來自支架內破裂或損壞的氣凝膠之氣凝膠粉塵，以減緩或避免該絕緣結構粉塵的損失。

Description

絕緣結構

相關申請案之交互參照 本申請案主張於2016年1月27日提申之美國臨時專利申請號62/287,762之優先權，其整體內容係以參照方式併入本案。

領域 本揭示內容一般關於氣凝膠絕緣材料的領域，尤其關於包括在支架內含有氣凝膠材料的絕緣材料、相關的複合結構、和製造方法。

背景 氣凝膠為帶有包含互連結構框架的開孔多孔材料的類型，細孔的相應網絡集成在該框架內，以及在主要包含例如空氣的氣體之細孔網絡內的間隙相。通常氣凝膠的特徵在於低密度、高孔隙率、大表面積、和小孔徑。氣凝膠可藉由其物理和結構性質與其它多孔材料區分。

氣凝膠材料為優異的絕緣體，主要是由於其低密度和高度多孔結構。氣凝膠材料通常包括少於約100 nm尺度的非常小的細孔。氣凝膠結構通常為易碎的，但可強化以實現改良的機械性能，同時維持有益的熱絕緣性質。氣凝膠材料亦可併入多層結構中；然而，氣凝膠材料可能易脆並且難以處理。低密度氣凝膠的脆性在生產和加工過程中可存在顯著的複雜性，其可顯著地限制這些材料的大規模製造。由於粉塵、破裂或結構降解的考量，氣凝膠的脆性亦可使氣凝膠和含氣凝膠的材料之安裝和應用困難。

美國專利號6,544,618說明絕緣複合材料，其具有(a)具有一反射表面和一相對表面的一第一熱反射層，(b)具有一反射表面和一相對表面的一第二熱反射層，以及(c)具有20μm或更小厚度的多孔金屬氧化膜，其位於該第一和第二熱反射層之間，俾使在該第一和第二熱反射層之間基本上無直接實際接觸(熱橋)。同樣地，美國專利號2003/0003284說明一多層複合材料，其帶有至少一層含有氣凝膠和至少一層含有聚對酞酸乙二酯纖維。美國專利號6,316,092教導將氣凝膠塗層施加至膜。

美國專利號2009/0029147提供用於各種用途的強化氣凝膠單塊以及強化複合材料。其提供包含至少一開放氣室發泡體(open cell foam)組分和至少一氣凝膠基質的彈性氣凝膠-開放氣室發泡體複合材料。該彈性氣凝膠-開放氣室發泡體複合材料的開放氣室發泡體組分具有大於50微米的孔徑或在該孔徑中該開放氣室發泡體為粗細胞發泡體。

美國專利號2007/0173157為指向包含至少一纖維層的絕緣結構，該纖維層包含注入在其中的氣凝膠材料連續基質，其用黏著劑固定至聚合物片材。該氣凝膠係併入聚合物片材黏貼的纖維層中。該纖維層係額外地塗佈一材料，例如矽酮、聚胺甲酸酯、或丙烯酸，以減少從該絕緣結構中逸出的粉塵。

美國專利號7,118,801為指向包含氣凝膠顆粒和聚四氟乙烯黏結劑的材料，在大氣條件下其具有少於或等於25 mW/m K的熱導率。該材料為可模製或可成型，具有極少或無填充物顆粒脫落，並且可形成例如膠帶或複合材料的結構，舉例來說，藉由在兩外層之間黏合該材料。這些複合材料可曲撓、拉伸、或彎曲而無顯著的粉塵或絕緣性質的損失。

儘管有現有技術的教示，氣凝膠絕緣結構仍需提供良好的絕緣性質且不允許過量的氣凝膠粉塵逸出該絕緣結構。

概要 所涵蓋的具體例係由申請專利範圍定義，而非此發明概要。此發明概要為各式態樣的高位階概述並且介紹在下文詳細說明部分中將進一步說明的一些概念。此發明概要並非旨在識別申請專利主旨的關鍵或必要特徵，亦非旨在單獨使用以確定申請專利主旨的範圍。該主旨應由參考整個說明書、任何或全部附圖、以及各個申請專利範圍的適當部分來理解。

本案所揭示為包括支架以及在該支架內之單塊氣凝膠結構的絕緣結構。在一些具體例中，該絕緣結構包括存在於該多層支架內之單塊氣凝膠結構的多層支架。在一些具體例中，該支架的至少其中一層為微孔。

本案提供絕緣結構，其包括具有第一複數個細孔的至少一微孔層的支架，以及延伸穿過該微孔層複數個細孔的單塊氣凝膠結構。

在一具體例中提供絕緣結構，其包含至少一微孔層的支架，以及延伸穿過該微孔層複數個細孔的至少一單塊氣凝膠結構。該微孔層為微孔膜，例如膨脹氟聚合物膜、膨脹聚四氟乙烯(ePTFE)膜、膨脹聚乙烯(ePE)膜、或膨脹聚丙烯(ePP)膜。在一具體例中，該微孔層包含從0.03µm至210µm，譬如，從0.03µm至15µm的孔徑。

在另外的具體例中，該支架亦可包含多孔層以及延伸穿過該多孔層複數個細孔的單塊氣凝膠結構。該至少一微孔膜具有比該多孔層較小的孔徑。在一具體例中，該多孔層具有300 sec.或更少，譬如，50 sec.或更少的哥雷數(Gurley number)。該多孔層可為開放氣室發泡體，例如網狀發泡體。適宜的開放氣室發泡體包括網狀玻璃碳發泡體、聚胺甲酸酯發泡體、三聚氰胺發泡體、聚醯亞胺發泡體、陶瓷發泡體、或金屬發泡體。在其他具體例中，該多孔層可為織物層，例如一織造、針織、或非織造織物。

在一具體例中，該單塊氣凝膠結構包含有機、無機或有機-無機的混成材料。該單塊氣凝膠結構可包含氧化矽、氧化鈦、氧化鋯、氧化鋁、氧化鉿、氧化釔、氧化鈰、碳化物、氮化物、前述其等的變化物(variants)或其等的組合。在一具體例中，該單塊氣凝膠結構延伸跨過介於相鄰的微孔和多孔層之間的介面。

在另一個具體例中，提供了包含支架的絕緣結構，該支架包含至少一微孔層，例如膨脹氟聚合物膜、膨脹聚四氟乙烯(ePTFE)膜、膨脹聚乙烯(ePE)膜、或膨脹聚丙烯(ePP)膜以及至少一多孔層，例如相鄰於該微孔層的發泡體層或織物層，以及氣凝膠結構，其中該氣凝膠結構的一部分延伸穿過至少該微孔層的一部分並且亦延伸穿過相鄰的多孔層的至少一部分。

在一具體例中，提供了包含支架的絕緣結構，該支架包含至少一微孔層以及至少一多孔層，其中該至少一微孔層係於該多孔層的至少一側上與多孔層相鄰；以及氣凝膠結構，其中該氣凝膠結構的一部分延伸穿過該微孔層的至少一部分並且亦延伸穿過該多孔層的至少一部分，其中該至少一微孔層包含膨脹聚乙烯(ePE)膜。在一具體例中，該ePE膜包含從0.03µm至210µm，譬如，從0.03 µm至15 µm的孔徑。

在另外的具體例中，提供了包含支架的絕緣結構，該支架包含至少兩微孔層和至少一多孔層，其中該兩微孔層於該多孔層的相對側上與多孔層相鄰；以及氣凝膠結構，其中該氣凝膠結構的一部分延伸穿過該微孔層的至少一部分並且亦延伸穿過該多孔層的至少一部分，其中該至少兩微孔層包含膨脹聚四氟乙烯(ePTFE)膜。在一具體例中，該ePTFE膜包含從0.03µm至210µm，譬如，從0.03 µm至15 µm的孔徑。

詳細說明 本領域技術人員將容易理解，本揭示內容的各式態樣可藉由構形成進行預期功能的任何數量方法和設備實現。 定義

為了本揭示內容的目的「多孔」或「多孔材料」或「多孔層」指用於氣凝膠的強化材料，當材料經受橫跨其上的壓力差或濃度差時(譬如在引入凝膠前驅物溶液的製程期間)，其帶有傳輸流體(液體或氣體)穿過該層的能力且特徵在於300 sec或更少的哥雷數。在一些具體例中，本案說明的多孔材料的特徵在於50 sec或更少、10 sec或更少、或1 sec或更少的哥雷數。多孔材料的特徵在於等於或大於0.03 µm的孔徑。術語多孔指明存在空隙，但不指明材料內空隙的具體尺寸。舉例來說，多孔包括微孔聚合物材料和開放氣室發泡體材料兩者，且本案說明的開放氣室發泡體材料一般包括較大的細孔，並且在一些情況下基本上大於微孔材料的細孔。本案說明的多孔材料為用於氣凝膠的強化材料，所以本案使用的「多孔」和「多孔材料」不包括氣凝膠。有許多技術來測量孔徑，包括但不限於泡點、平均流量孔徑、液體進入壓力、孔隙度、以及用SEM、MicroCT、或其他成像工具的成像分析。細孔的存在可適宜地使用或不使用放大來測定，以及可任擇地藉由去除填充該細孔的材料測定。

為了本揭示內容的目的，「微孔」指多孔材料，其特徵在於由泡點和300秒或更少的哥雷數指示從0.03 µm至210 µm範圍之間的孔徑。在一些具體例中，本案說明的微孔材料可具有0.03至115µm的孔徑，譬如，0.03至15µm或0.03至0.6µm。在一些具體例中，本案說明的微孔材料可具有50秒或更少、譬如，10秒或更少、或1秒或更少的哥雷數。

為了本揭示內容的目的，「氣凝膠」或「氣凝膠材料」指由凝膠形成並包含互連結構框架的乾燥、固體材料，帶有集成在該框架內的互連細孔相應網絡，以及包含例如空氣的氣體作為分散的間隙介質；以及其特徵為可歸因氣凝膠的以下物理和結構性質(根據氮的孔隙度測試)：(a)從約2 nm至約100 nm範圍之間的平均孔徑，(b)至少80%或更多的孔隙率，以及(c)約20 m² /g或更多的表面積。於是本揭示內容的氣凝膠材料包括任何氣凝膠或滿足上述定義元素的其它開孔化合物；包括另外歸類為乾凝膠、冷凍凝膠、二元凝膠(ambigels)、微孔材料、和類似物的化合物。

氣凝膠材料亦可進一步由額外的物理性質表徵，其包括：(d)約2.0 mL/g或更多、較佳地約3.0 mL/g或更多的細孔體積；(e)約0.50 g/cc或更少、較佳地約0.25 g/cc或更少的密度；以及(f) 至少50%的總細孔體積包含具有介於2和50 nm之間孔徑的細孔；儘管作為氣凝膠材料的化合物特徵不需要滿足這些額外的性質。

為了本揭示內容的目的，「單塊氣凝膠結構」指在氣凝膠材料中，其包括在該氣凝膠材料或組成物的氣凝膠的大部分(按重量)是以單一的互連氣凝膠奈米結構的形式。單塊氣凝膠結構包括最初形成具有單一的互連凝膠或氣凝膠奈米結構的氣凝膠材料，但其隨後破裂、斷裂或分段成非單一的氣凝膠納米結構。單塊氣凝膠結構與顆粒氣凝膠材料不同。術語「顆粒氣凝膠材料」指在氣凝膠材料中，其包括在該氣凝膠材料的氣凝膠的大多數(按重量)為微粒、顆粒、細粒、珠、或粉末的形式，其可組合或壓縮在一起，但在各別顆粒之間缺乏互連氣凝膠納米結構。

為了本揭示內容的目的，「支架」指支撐結構，其包括具有可容納另一個材料的空隙之任何固體材料。本案說明的支架功能為氣凝膠材料的強化材料、或強化相。示例的支架結構包括，但不限於，發泡體、纖維、波狀物、網狀物、節點及/或原纖維網絡、以及強化的支架結構。本案說明的支架可包含發泡體和非織造織物。本案說明的支架亦可包含微孔材料，例如聚合物膜。本案說明的支架將氣凝膠和任擇的其它材料容納在該支架的空隙空間內，可藉此包括或包含那些氣凝膠或其它材料，但容納在支架內的氣凝膠或其它材料不是支架本身的一部分。本案說明的支架可包括單一強化材料，或可包括兩個或更多不同的強化材料，例如以層的構形。作為一非限制性的例子，本案說明的支架可包括基底層(例如由發泡體或織物製成的多孔層多孔層)以及一或多個面層(例如微孔聚合物膜)。當支架包括多層時，相鄰的層可定義在其之間的介面。

在本揭示內容的上下文中，術語「面層」指支架的微孔層。在一些具體例中，該面層為膜。該面層係與多孔層或基底層相鄰。在一些具體例中，該面層比相鄰的多孔層更薄。如本案說明，該面層減少包含在支架內的氣凝膠的粉塵。在一些具體例中，面層為最外層並且可具有暴露於環境的一表面。在其他具體例中，在相對於基底層的面層的表面上可有另外的層，所以該面層理解為內層。

在本揭示內容的上下文中，術語「發泡體」指包含互連結構的材料，其帶有互連細孔的相應網絡或集成在材料內的獨立細孔的集合，並且包含例如空氣的氣體作為在材料的細孔內分散的介質。在一些具體例中，本案說明的發泡體具有高於300 µm的平均細孔直徑。在一些具體例中，本案說明的發泡體為聚合物發泡體、陶瓷發泡體、或金屬發泡體。另外，術語「發泡體」可指包含由分散作用形成的多孔固體材料，其中大部分的氣體體積以氣泡的形式分散至液體、固體或凝膠，其中該氣泡通常係藉由固體顆粒或藉由可溶性物質穩定。一般而言，發泡體可使用各式各樣的製程製造—參見，舉例來說，美國專利號6,147,134；5,889,071；6,187,831；以及5,229,429。

在發泡體框架內的細孔亦可指為氣室(cells)。氣室可由氣室壁或薄膜劃分，在發泡體內創建獨立封閉細孔的集合。術語「封閉氣室發泡體」指在發泡體材料中至少50%的細孔體積為由氣室薄膜或氣室壁封閉的密閉氣室。在發泡體中的氣室亦可經由氣室開口互連，在該發泡體內創建互連開孔的網絡。術語「開放氣室發泡體」指在發泡體材料中至少50%的細孔體積為開放氣室。該開放氣室發泡體可包含網狀的開放氣室發泡體、非網狀的開放氣室發泡體、或其等的組合。網狀發泡體為開放氣室發泡體，其係經由消除或刺穿在該發泡體材料內的氣室薄膜的網狀化製程產生。網狀發泡體通常具有比非網狀發泡體更高濃度的開放氣室。一般而言，沒有發泡體材料具有完整一類型的氣室結構(開放氣室或封閉氣室)。發泡體可使用各式各樣的製程製造，其包括在美國專利號6147134、5889071、6187831、5229429、4454248，以及美國專利申請號20070213417中提出的發泡體生產製程。

在本揭示內容的上下文中，術語「再結合的發泡體」指將顆粒的集合或數片發泡體材料(通常為製造的廢料)黏結在一起之製程產生的發泡體。可使用各式黏著劑和結合製程，並且所使用的發泡體可在再結合之前研磨或粉碎。發泡體可經由將成為廢棄物的發泡體之使用以再結合的方式降低成本。再結合的發泡體的典型應用是作為地毯襯墊。

為了本揭示內容的目的，「膜」指由聚合物或共聚物製造之基本上連續、互連的片狀結構。本案使用的膜可包括薄膜。本案使用的膜可包括多層。

在本揭示內容的上下文中，術語「創新的處理和萃取技術」指以引起低細孔塌陷和低凝膠的框架結構收縮的方式，用例如空氣的氣體取代在濕凝膠材料中的液態間隙相的方法。乾燥技術，例如環境壓力蒸發，經常在蒸發或移除的間隙相液體-蒸氣介面處引起強毛細壓力和其他質量轉移限制。由液體-蒸發或移除產生的強毛細力可導致在凝膠材料內顯著的細孔收縮和框架塌陷。在液體間隙相萃取期間使用創新的處理和萃取技術減少在液相萃取期間毛細力對凝膠的細孔和框架之負面影響。

在某些具體例中，創新的處理和萃取技術使用接近臨界或超臨界流體，或接近臨界或超臨界條件，從濕凝膠材料萃取液體間隙相。此可藉由從接近或高於液體或液體混合物的臨界點的凝膠中移除液體間隙相來實現。可用共溶劑和溶劑交換最佳化近臨界或超臨界流體的萃取製程。

在本揭示內容的上下文中，術語「框架」或「框架結構」指形成凝膠或氣凝膠的固體結構之互連的低聚物、聚合物或膠體顆粒的網絡。構成框架結構的聚合物或顆粒通常具有約100埃的直徑。然而，本揭示內容的框架結構亦可包括在凝膠或氣凝膠內形成固體結構的所有直徑尺寸的互連低聚物、聚合物或膠體顆粒的網絡。再者，術語「以氧化矽為主的氣凝膠」或「以氧化矽為主的框架」指在氣凝膠框架中，氧化矽包含在凝膠或氣凝膠內形成固體框架結構之至少50%(按重量)的低聚物、聚合物或膠體顆粒。

在本發明的上下文中，術語「濕凝膠」指在凝膠中在互連細孔網絡內的移動間隙相係主要包含例如傳統溶劑的液相、例如液態二氧化碳的液態氣體、或其等的組合。氣凝膠通常需要濕凝膠的最初生產，接著創新的處理和萃取，以空氣取代在該濕凝膠中的移動液體間隙相，形成乾凝膠。濕凝膠的例子包括，但不限於：醇凝膠、水凝膠、酮凝膠、碳凝膠、以及本領域習知的任何其他濕凝膠。

在本發明的上下文中，術語「添加劑」或「添加元素」指在生產氣凝膠之前、期間、或之後可加至氣凝膠的材料。可加至添加劑以改變或改良在氣凝膠中所欲的性質，或抵消在氣凝膠中非所欲的性質。添加劑通常在凝膠化之前或期間加至氣凝膠材料。添加劑的例子包括，但不限於：微纖維、填充物、強化劑、穩定劑、增稠劑、彈性化合物、乳白劑、著色劑或色素沉著化合物、輻射吸收化合物、輻射反射化合物、腐蝕抑制劑、導熱成分、相變材料、pH調節劑、氧化還原調節劑、HCN緩和劑、廢氣緩和劑、導電化合物、電介質化合物、磁性化合物、雷達阻絕成分、硬化劑、抗收縮劑、以及本領域習知的其它氣凝膠添加劑。添加劑的其他例子包括煙霧抑制劑和滅火劑。已公開的美國專利申請號20070272902 A1 (段落[0008]以及[0010]-[0039])包括煙霧抑制劑和滅火劑的教示，並且根據個別引用的段落以參照方式併入本案。

在本揭示內容的上下文中，術語「有彈性」和「彈性」指氣凝膠材料或組成物可被彎曲或彎折而無巨觀結構失效之能力。較佳地，本揭示內容的絕緣結構能夠彎曲至少5°、至少25°、至少45°、至少65°、或至少85°而無巨觀的失效；及/或具有少於4呎、少於2呎、少於1呎、少於6英吋、少於3英吋、少於2英吋、少於1英吋、或少於½英吋之彎曲半徑而無巨觀失效。同樣的，術語「高度彈性」或「高彈性」指氣凝膠材料或組成物可被彎曲成至少90°及/或具有少於½英吋之彎曲半徑而無巨觀失效。再者，術語「分級彈性」和「分級為有彈性」指氣凝膠材料或組成物，其可根據ASTM分類標準C1101 (ASTM International, West Conshohocken, PA)分級為有彈性。

本發明的氣凝膠材料或組成物可為有彈性、高度彈性、及/或分級彈性。本發明的氣凝膠材料或組成物亦可為可懸垂。在本發明的上下文中，術語「可懸垂」和「懸垂性」指氣凝膠材料或組成物以約4英吋或更少的曲率半徑彎曲或彎折成90°或更多而無巨觀結構失效之能力。本發明的氣凝膠材料或組成物較佳為有彈性，俾使該組成物為非剛性並可應用與順應至三維表面或物體，或預成型為各種形狀和構造，以簡化安裝或應用。

在本揭示內容的上下文中，術語「回彈性」和「回彈力」指氣凝膠材料或組成物在經由壓縮、彎折、或彎曲變形之後至少部分地回復至原始的形式或尺寸之能力。回彈力可為完全或部分，以及其可以百分比回復的形式表示。本揭示內容的氣凝膠材料或組成物在變形之後較佳具有大於25%、大於50%、大於60%、大於70%、大於75%、大於80%、大於85%、大於90%、或大於95%回復到原始形式或尺寸的回彈力。同樣地，術語「分級回彈性」和「分級回彈力」指本揭示內容的氣凝膠材料或組成物，其可根據ASTM分類標準C1101 (ASTM International, West Conshohocken, PA)分級為回彈彈性。

在本揭示內容的上下文中，術語「自支撐」指氣凝膠材料或組成物主要基於該氣凝膠以及在絕緣結構中任何強化相的物理性質成為有彈性及/或回彈性之能力。本揭示內容的自支撐的氣凝膠材料或組成物可與其他氣凝膠材料不同，例如依賴底下的基板向材料提供彈性及/或回彈力的塗料。

在本揭示內容的上下文中，術語「收縮率」指下列的比率：1)在乾燥氣凝膠材料或組成物的測量的最終密度以及從在溶膠-凝膠前驅物溶液中的固含量計算的目標密度之間的差，相對於2)從溶膠-凝膠前驅物溶液的固含量中計算的目標密度。收縮率可由下列方程式計算：收縮率= [最終密度(g/cm³ ) -目標密度(g/cm³ )] / [目標密度 (g/cm³ )]。較佳地，本揭示內容的氣凝膠材料的收縮率較佳為50%或更少、25%或更少、10%或更少、8%或更少、6%或更少、5%或更少、4%或更少、3%或更少、2%或更少、1%或更少、0.1%或更少、約0.01%或更少、或介於這些值的任兩個之間的範圍內。

在本揭示內容的上下文中，術語「熱導率」和“TC”指測量材料或組成物在該材料或組成物的任一側上的兩表面之間傳遞熱量的能力，其中兩表面之間帶有溫度差。熱導率係明確地測量為每單位時間和每單位表面積轉移的熱能除以溫度差。熱導率可以記錄為mW/m*K (毫瓦每米*絕對溫度(Kelvin)的SI單位)。材料的熱導率可由本領域習知的方法測定，包括但不限於：藉由熱流計設備的方式對於穩態熱傳遞性質的測試方法(ASTM C518, ASTM International, West Conshohocken, PA)；藉由保溫熱板設備的方式對於穩態熱助焊劑測量和熱傳遞性質的測試方法(ASTM C177, ASTM International, West Conshohocken, PA)；對於管道絕緣的穩態熱轉移性質的測試方法(ASTM C335, ASTM International, West Conshohocken, PA)；薄加熱器熱導率測試(ASTM C1114, ASTM International, West Conshohocken, PA)；以保溫熱板和熱流計方法的方式測定熱阻(EN 12667，英國標準協會，英國)；或穩態熱阻和相關性質的測定-保溫熱板設備(ISO 8203，國際標準化組織，瑞士)。在本揭示內容的上下文中，除非另有說明，熱導率的測量係根據ASTM C177或C518的標準取得，在約37.5°C的溫度，在大氣壓力下以及壓縮約2 psi。較佳地，本揭示內容的氣凝膠材料或組成物具有約50 mW/mK或更少、約40 mW/mK或更少、約30 mW/mK或更少、約25 mW/mK或更少、約20 mW/mK或更少、約18 mW/mK或更少、約16 mW/mK或更少、約14 mW/mK或更少、約12 mW/mK或更少、約10 mW/mK或更少、約5 mW/mK或更少、或介於這些值的任兩個範圍之間的熱導率。

在本揭示內容的上下文中，術語「密度」指每單位體積的氣凝膠材料或組成物的質量的測量值。術語「密度」一般指氣凝膠材料的真密度，以及絕緣結構的總體密度。密度通常記錄為kg/m³ 或g/cc。氣凝膠材料或組成物的密度可由本領域習知的方法測定，包括但不限於：對於熱絕緣類型的預製塊的尺寸和密度的標準測試方法(ASTM C303, ASTM International, West Conshohocken, PA)；對於毯子或褥墊熱絕緣的厚度和密度的標準測試方法(ASTM C167, ASTM International, West Conshohocken, PA)；或預製的管道絕緣的視密度的測定(ISO 18098，國際標準化組織，瑞士)。在本揭示內容的上下文中，除非另有說明，密度的測量係根據ASTM C167或C303的標準取得。較佳地，本揭示內容的氣凝膠材料或組成物具有約0.60 g/cc或更少、約0.50 g/cc或更少、約0.40 g/cc或更少、約0.30 g/cc或更少、約0.25 g/cc或更少、約0.20 g/cc或更少、約0.18 g/cc或更少、約0.16 g/cc或更少、約0.14 g/cc或更少、約0.12 g/cc或更少、約0.10 g/cc或更少、約0.05 g/cc或更少、約0.01 g/cc或更少、或介於這些值的任兩個範圍之間的密度。

在本揭示內容的上下文中，術語「疏水性」指氣凝膠材料或組成物排斥水的能力的測量。氣凝膠材料或組成物的疏水性可用液態水的吸收表示。在本揭示內容的上下文中，術語「液態水的吸收」指氣凝膠材料或組成物吸收或以其它方式保持液態水的潛能的測量。液態水的吸收可表示為當在某些測量條件下暴露於液態水時被氣凝膠材料或組成物吸收或以其它方式保持的水的百分比(按重量或按體積)。氣凝膠材料或組成物的液態水的吸收可由本領域習知的方法測定，包括但不限於：用於測定玻璃纖維絕緣材料的保水性(排斥)特性的標準測試方法(ASTM C1511, ASTM International, West Conshohocken, PA)；藉由絕熱材料的浸漬對於吸水率的標準試驗方法(ASTM C1763, ASTM International, West Conshohocken, PA)；對於建築應用的隔熱產品：藉由部分浸漬測定短期吸水率(EN 1609，英國標準協會，英國)。

在本揭示內容的上下文中，在環境壓力和溫度下，除非另有說明，液態水吸收的測量係根據ASTM C1511標準在環境壓力和溫度下取得。在一些具體例中，本揭示內容的氣凝膠材料或組成物可具有根據ASTM C1511的液態水吸收約100 wt%或更少、約80 wt%或更少、約60 wt%或更少、約50 wt%或更少、約40 wt%或更少、約30 wt%或更少、約20 wt%或更少、約15 wt%或更少、約10 wt%或更少、約8 wt%或更少、約3 wt%或更少、約2 wt%或更少、約1 wt%或更少、約0.1 wt%或更少、或介於這些值的任兩個範圍之間。在一些具體例中，本揭示內容的氣凝膠材料或組成物可具有根據ASTM C1763的液態水吸收約100 vol wt%或更少、約80 wt%或更少、約60 wt%或更少、約50 wt%或更少、約40 wt%或更少、約30 wt%或更少、約20 wt%或更少、約15 wt%或更少、約10 wt%或更少、約8 wt%或更少、約3 wt%或更少、約2 wt%或更少、約1 wt%或更少、約0.1 wt%或更少、或介於這些值的任兩個範圍之間。相對於另一個氣凝膠材料或組成物，具有改良的液態水吸收的氣凝膠材料或組成物相對於參照的氣凝膠材料或組成物將具有較低百分比的液態水吸收/保持。

氣凝膠材料或組成物的疏水性可藉由測量在材料表面界面處的水滴平衡接觸角來表示。在一些具體例中，本揭示內容的氣凝膠材料或組成物可具有約90°或更多、約120°或更多、約130°或更多、約140°或更多、約150°或更多、約160°或更多、約170°或更多、約175°或更多、或介於這些值的任兩個範圍之間的水滴接觸角。

氣凝膠係說明為互連結構的框架，其最常包含互連的低聚物、聚合物或膠體顆粒。氣凝膠框架可從一系列的前驅物材料製成，其包括：無機前驅物材料(例如用在生產以氧化矽為主的氣凝膠的前驅物)；有機前驅物材料(此類前驅物用在生產以碳為主的氣凝膠)；混成無機/有機前驅物材料；以及其等的組合。在本發明的上下文中，術語「汞齊氣凝膠」指從兩或多個不同的凝膠前驅物的組合產生之氣凝膠。

無機氣凝膠一般從金屬氧化物或金屬烷氧化物材料形成。該金屬氧化物或金屬烷氧化物材料可以能形成氧化物之任何金屬的氧化物或烷氧化物為主。此類金屬包括，但不限於：矽、鋁、鈦、鋯、鉿、釔、釩、鈰、和類似物。無機氧化矽氣凝膠傳統上經由以氧化矽為主的烷氧化物(例如四乙氧基矽烷)的水解和縮合、或經由矽酸或水玻璃的膠化製成。其他用於以氧化矽為主的氣凝膠的合成之相關無機前驅物材料包括，但不限於：金屬矽酸鹽，例如矽酸鈉或矽酸鉀、烷氧基矽烷、部分水解的烷氧基矽烷、四乙氧基矽烷(TEOS)、部分水解的TEOS、TEOS的縮合聚合物、四甲氧基矽烷(TMOS)、部分水解的TMOS、TMOS的縮合聚合物、四-n-丙氧基矽烷、部分水解及/或縮合的四-n-丙氧基矽烷聚合物、聚乙基矽酸鹽、部分水解的聚乙基矽酸鹽、單體烷基烷氧基矽烷、雙-三烷氧基烷基或芳基矽烷、多面體矽倍半氧烷、或其等的組合。

在本發明的一具體例中，預水解的TEOS，例如Silbond H-5 (SBH5, Silbond Corp)，係以水/氧化矽約1.9-2的比例水解，可作為市售產品使用或可在併入凝膠製程之前進一步水解。部分水解的TEOS或TMOS，例如聚乙基矽酸鹽(Silbond 40)或聚甲基矽酸鹽亦作為市售產品使用或可在併入凝膠製程之前進一步水解。

無機氣凝膠亦可包括凝膠前驅物，其包含至少一疏水基，例如烷基金屬烷氧化物、環烷基金屬烷氧化物、以及芳基金屬烷氧化物，可賦予或改良凝膠中的某些性質，例如穩定性和疏水性。無機氧化矽氣凝膠可明確地包括疏水性前驅物，例如烷基矽烷或芳基矽烷。疏水性凝膠前驅物可用作主要的前驅物材料，以形成凝膠材料的框架。然而，疏水性凝膠前驅物在形成汞齊氣凝膠時更常用於與簡單金屬烷氧化物組合的共前驅物。用於以氧化矽為主的氣凝膠合成的疏水性無機前驅物材料包括，但不限於：三甲基甲氧基矽烷[TMS]、二甲基二甲氧基矽烷[DMS]、甲基三甲氧基矽烷[MTMS]、三甲基乙氧基矽烷、二甲基二乙氧基矽烷[DMDS]、甲基三乙氧基矽烷[MTES]、乙基三乙氧基矽烷[ETES]、二乙基二乙氧基矽烷、乙基三乙氧基矽烷、丙基三甲氧基矽烷、丙基三乙氧基矽烷、苯基三甲氧基矽烷、苯基三乙氧基矽烷[PhTES]、六甲基二矽氮烷以及六乙基二矽氮烷、和類似物。

氣凝膠亦可處理以賦予或改良疏水性。疏水性處理可應用至溶膠-凝膠溶液，在液相萃取之前的濕凝膠，或應用至在液相萃取後的氣凝膠。疏水性處理在例如氧化矽氣凝膠的金屬氧化物氣凝膠的生產中特別常見。下文將更詳細討論凝膠的疏水性處理的例子，特別是在處理氧化矽濕凝膠的上下文。然而，本案提供的明確例子和例示並不意圖將本發明的範圍限制於疏水性處理程序或氣凝膠基質的任何特定類型。本發明可包括本領域習知的任何凝膠或氣凝膠，以及以濕凝膠形式或以乾的氣凝膠形式的氣凝膠疏水性處理的相關方法。

疏水性處理可藉由在凝膠上的羥基部分的反應執行，例如存在於矽膠的框架上的矽烷醇基(Si-OH)與疏水化劑的官能基的反應。該反應結果將矽烷醇基和疏水化劑轉換成在該矽膠上的框架的疏水基。該疏水化劑化合物可根據下列反應與凝膠上的羥基反應：R_N MX_4-N (疏水化劑) + MOH (矽烷醇) → MOMR_N (疏水基) + HX。疏水性處理可在矽膠的外部巨觀表面上，以及在凝膠的多孔網絡內的內孔表面上進行。

凝膠可浸入疏水化劑和任擇的疏水性處理溶劑的混合物中，其中該疏水化劑為可溶的，並且其亦可與濕凝膠中的凝膠溶劑混溶。可使用廣大範圍的疏水性處理溶劑，包括例如甲醇、乙醇、異丙醇、二甲苯、甲苯、苯、二甲基甲醯胺、以及己烷的溶劑。液體或氣體形式的疏水化劑亦可與該凝膠直接接觸，以賦予疏水性。

疏水性處理製程可包括混合或攪拌，以幫助疏水化劑滲透濕凝膠。該疏水性處理製程亦可包括改變其它條件，例如溫度和pH，以進一步增強和最佳化該處理的反應。在反應完成之後，清洗濕凝膠以移除未反應的化合物和反應副產物。

用於氣凝膠的疏水性處理的疏水性處理劑一般為下列化學式的化合物：RNMX4-N；其中M為金屬；R為疏水基，例如CH3、CH2CH3、C6H6、或類似的疏水烷基、環烷基、或芳基部分；以及X為鹵素，通常為Cl。疏水化劑的明確例子包括，但不限於：三甲基氯矽烷[TMCS]、三乙基氯矽烷[TECS]、三苯基氯矽烷[TPCS]、二甲基氯矽烷[DMCS]、二甲基二氯矽烷[DMDCS]、和類似物。疏水化劑亦可為以下化學式：Y(R3M)2；其中M為金屬；Y為橋基，例如NH或O；以及R為疏水基，例如CH3、CH2CH3、C6H6、或類似的疏水烷基、環烷基、或芳基部分。此類疏水化劑的明確例子包括，但不限於：六甲基二矽氮烷[HMDZ]和六甲基二矽氧烷[HMDSO]。疏水化劑更可包括以下化學式的化合物：RNMV4-N，其中V為非鹵素的反應基或脫離基。此類疏水化劑的明確例子包括，但不限於：乙烯基三乙氧基矽烷和乙烯基三甲氧基矽烷。

有機氣凝膠一般從以碳為主的聚合物前驅物形成。此類聚合物的材料包括，但不限於：間苯二酚甲醛(RF)、聚醯亞胺、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸酯低聚物、聚氧化烯(polyoxyalkylene)、聚胺甲酸酯、多酚、聚丁二烯、三烷氧基矽烷封端聚二甲基矽氧烷、聚苯乙烯、聚丙烯腈、聚糠醛、三聚氰胺-甲醛、甲酚甲醛、苯酚-糠醛、聚醚、多元醇、聚異氰酸酯、聚羥基苯、聚乙烯醇二醛、聚異氰脲酸酯、聚丙醯胺、各式環氧樹脂、瓊脂、瓊脂糖、聚葡萄胺糖、以及其等的組合。作為一個例子，有機RF氣凝膠通常在鹼性條件下由間苯二酚或三聚氰胺與甲醛的溶膠-凝膠聚合製成。

有機/無機混成氣凝膠主要包含有機修飾氧化矽(有機改性氧化矽)的氣凝膠。這些有機修飾氧化矽材料包括共價鍵結至氧化矽網絡的有機成分。有機修飾氧化矽通常經由有機改性矽烷R--Si(OX)₃ 與傳統的烷氧化物前驅物Y(OX)₄ 水解和縮合形成。在這些化學式中：X可代表，舉例來說，CH₃ 、C₂ H₅ 、C₃ H₇ 、C₄ H₉ ；Y可代表，舉例來說，Si、Ti、Zr、或Al；以及R可為任何有機碎片，例如甲基、乙基、丙基、丁基、異丙基、甲基丙烯酸酯、丙烯酸酯、乙烯基、環氧基、和類似物。在有機修飾氧化矽的氣凝膠中的有機成分亦可分散在整個氧化矽網絡中或化學鍵結至氧化矽網絡上。

在本發明的上下文中，術語「有機修飾氧化矽」包含前述的材料以及其他有機改性陶瓷，有時稱為「有機修飾陶瓷」。有機修飾氧化矽經常用作塗層，其中經由，舉例來說，溶膠-凝膠的製程將有機修飾氧化矽膜澆鑄在基板材料上。本發明的其他有機-無機混成氣凝膠的例子包括，但不限於，氧化矽-聚醚、氧化矽-PMMA、氧化矽-聚葡萄胺糖、碳化物、氮化物、以及其他前述的有機和無機氣凝膠形成化合物的組合物。公開的美國專利申請號20050192367 (段落[0022]-[0038]和[0044]-[0058])包括此類混成的有機-無機材料的教示，並且根據個別引用的段落以參照方式併入本案。

本發明的氣凝膠可包括主要從矽烷氧化物形成的水解矽酸酯的醇溶液形成之無機氧化矽氣凝膠。然而，本發明作為一個整體可用本領域習知的任何其它氣凝膠的組成物實施，並且不限於前驅物材料的任何一前驅物材料或汞齊混合物。裝置和方法

本案揭示絕緣材料，其包括具有單塊氣凝膠結構配置在其中的支架。該支架有足夠多孔使氣凝膠前驅物滲入該支架。然而一旦該氣凝膠前驅物固化，該支架展現高度氣凝膠粉塵保持性。相較之下，非多孔結構可保持氣凝膠粉塵，但不允許滲透。

本案說明的絕緣結構係有用於服飾、鞋、織物、和其它應用。在一些具體例中，本案說明的絕緣結構包括支架，其包含包括第一複數個細孔，以及延伸穿過該微孔層複數個細孔的單塊氣凝膠結構的至少一微孔層。該微孔層為容納該單塊氣凝膠結構的支架。在一些具體例中，該微孔層為微孔膜。在一些具體例中，該微孔層或膜包括具有少於210 μm孔徑的細孔。該單塊氣凝膠結構延伸穿過複數個該等細孔，該複數孔可為在該微孔層或膜中的全部細孔的子集。在一些具體例中，單塊氣凝膠結構延伸穿過微孔層或膜多數的細孔，或大於細孔的50%。亦即，該單塊氣凝膠結構延伸穿過多個細孔，但無須穿過整個微孔層。例如，在一些具體例中，整個微孔層可包括兩個或更多各自延伸穿過在該微孔層中的複數個細孔的單塊氣凝膠結構。另外，在一些具體例中，單個單塊氣凝膠結構延伸穿過整個微孔層。在一些具體例中，單個單塊氣凝膠結構最初延伸穿過整個微孔層，但隨著時間推移可能破裂或斷成多個單塊氣凝膠結構，其各自延伸穿過該微孔層的複數個細孔。在這些具體例的各者中，微孔層包括複數個細孔以及延伸穿過該複數個細孔的單塊氣凝膠結構。

本案說明的單塊氣凝膠結構為單一的互連氣凝膠奈米結構。作為一非限制性的例子，單塊氣凝膠結構可藉由製備包含凝膠前驅物材料的溶液，將該溶液引入微孔層，隨後凝膠化、老化及/或乾燥溶液而製成。此為可產生單一的互連結構的一製程。如上文定義，本案使用的「單塊氣凝膠結構」不包括個別氣凝膠顆粒的凝聚。

如本案說明，用於微孔層、或微孔膜有用的材料包括但不限於膨脹氟聚合物、膨脹PTFE (ePTFE)、改性的PTFE聚合物、TFE共聚物、膨脹聚丙烯(ePP)、膨脹聚乙烯(ePE)、以及多孔聚偏二氟乙烯。有用的ePTFE材料可具有包含節點、原纖維、以及在該等節點和原纖維之間的空隙的微結構。在此類結構中，該等空隙可至少部分地由單塊氣凝膠結構填充。為了本揭示內容的目的，用於微孔層的有用的材料不包括從微孔纖維創造的織物或纖維層。

在一具體例中，該微孔層包含氟聚合物材料，例如聚四氟乙烯(PTFE)；聚氟乙烯(PVF)；聚偏二氟乙烯(PVDF)；全氟烷氧基(PFA)；聚氟乙烯丙烯(FEP)；聚氯三氟乙烯(PCTFE)；乙烯-四氟乙烯(ETFE)；聚偏二氟乙烯(PVDF)；乙烯-三氟氯乙烯(ECTFE)；或其等的共聚物或混合物。

在一些具體例中，本案說明包括支架的絕緣結構，該支架包括至少一微孔膜和至少一多孔層。該多孔層通常比該微孔膜厚，實質上可能更厚。於是，該微孔膜可作為該多孔層面層的功能，該多孔層亦可稱為基底層。在一些具體例中，面層無須為最外層。

該微孔膜面層和該多孔基底層不需具有不同的性質；然而，在一些具體例中，該多孔層包括具有比微孔膜更大尺寸的細孔，其由泡點指明。在一些具體例中，該多孔層具有1 sec或更少的哥雷數。在一些具體例中，該微孔膜具有300 sec或更少的哥雷數。在一些具體例中，該微孔和多孔材料的一些細孔的尺寸可重疊。該多孔層可包括具有比該微孔膜平均孔徑大的平均孔徑的細孔。

該微孔膜的支架材料和至少一多孔層可為相同或不同的材料。舉例來說，該支架可包括其為聚合物材料(例如ePTFE、ePP、ePE、或任何其他適宜的微孔材料)的微孔膜以及其為發泡體或織物的多孔層。在一具體例中，該支架可包含在多孔層的相對表面上具有包含ePTFE的微孔膜的多孔發泡體層，並且該氣凝膠延伸穿過該發泡體層和ePTFE膜之間的界面，以形成單塊氣凝膠結構。在一具體例中，該支架可包含在多孔發泡體的相對表面上具有包含ePTFE的微孔膜的多孔非織造層的微孔膜，並且該氣凝膠延伸穿過該非織造織物和ePTFE膜之間的界面，以形成單塊氣凝膠結構。在另一個具體例中，該支架可包含在多孔層的相對表面上具有包含ePE的微孔膜的多孔發泡體層，並且該氣凝膠延伸穿過該發泡體層和ePE膜之間的界面，以形成單塊氣凝膠結構。在另一個具體例中，該支架可包含在多孔層的相對表面上具有包含ePE的微孔膜的多孔非織造層，並且該氣凝膠延伸穿過該非織造層和ePE膜之間的界面，以形成單塊氣凝膠結構。應理解的是，可使用聚合物材料的組合。

當支架包括微孔膜和多孔層兩者時，該微孔膜可稱為面層以及該多孔層可稱為基底層。該多孔基底層可具有上表面和相對的下表面，其中該上表面和下表面的至少一者與微孔膜面層的表面相鄰。在一些具體例中，該面層接附至該基底層，舉例來說，藉由使用黏著劑。可用於本案揭示具體例的黏著劑的例子包括，但不限於：以膠合劑為主的黏著劑、矽酸鈉、乳膠、壓敏黏著劑、矽酮、聚苯乙烯、氣溶膠黏著劑、胺基甲酸乙脂、丙烯酸酯黏著劑、熱熔化鍵結系統、可購自3M的鍵結系統、環氧樹脂、橡膠樹脂黏著劑、聚胺甲酸酯黏著劑混合物，例如在美國專利4,532,316中說明的該等。

該面層亦可藉由使用非黏性材料或技術接附至基底層，該非黏著性材料或技術適用於將無機或有機面的材料固定至基底層的強化材料。可使用於本發明的非黏著性材料或技術的例子包括，但不限於：熱密封、超音波縫合、RF密封、縫合或螺紋、密封袋、鉚釘或按鈕、夾具、纏繞、或其他非黏著性積層材料。在較佳的具體例中，該面層係藉由縫合或鉚釘接附至該基底層。在另一個較佳的具體例中，該面層係藉由超音波縫合或結合接附至該基底層。

該面層材料(即，該微孔層或膜)和該基底層材料(即，該多孔層)兩者皆具有足夠的孔隙率使氣凝膠前驅物流體滲入強化材料的細孔。於是，在將譬如溶膠凝膠溶液的氣凝膠前驅物溶液注入至該面層和基底層材料之前，該微孔膜面層可接附至該多孔基底層。由於該材料的孔隙率，氣凝膠前驅物可直接地注入該基底層或注入並且穿過該面層至該基底層。該氣凝膠前驅物可部分或完全地填充微孔面層和多孔基底層的細孔，俾使以單塊氣凝膠結構存在之得到的乾氣凝膠材料部分或完全地貫穿該微孔面層和該多孔基層兩者。在一些具體例中，至少該面層材料具有足夠小的孔隙率，以保留可能在最終絕緣結構的使用期間形成的氣凝膠粉塵。

在某些具體例中，該多孔基底層可為開放氣室發泡體。作為非限制性的例子，該開放氣室發泡體可為網狀玻璃碳、聚胺甲酸酯發泡體、三聚氰胺發泡體、陶瓷發泡體、金屬發泡體、聚醯亞胺發泡體或另一個聚合物發泡體。其他有用的發泡體的例子包括，但不限於，聚烯、酚醛樹脂、乙酸纖維素、和聚苯乙烯製造的發泡體。在一些具體例中，該發泡體為聚醚聚胺甲酸酯發泡體。在一些具體例中，該發泡體可為網狀形式。有用的網狀發泡體的例子包括，但不限於，聚酯聚胺甲酸酯。本發明有用的聚胺甲酸酯和多環氧化物發泡體的例子係存在於美國專利號2117605、3094433、2739134、3112524、2789095、3129191、2811499、3171820、2831820、2920983、3342922、2926390、3386877、2936294、3459274、2993869、3504064、3025200、3506600、3055360、3650993、3057750、3860537、3060137、4252517、3075926、3082611和3090094。本發明使用的三聚氰胺發泡體的例子係存在於美國專利號8546457、4666948、和WO 2001/094436。該發泡體強化材料可為再結合的發泡體。

在其他具體例中，該多孔層可為纖維層，舉例來說，織物。作為非限制性的例子，該多孔層可包含織物，其為織物材料、針織材料、或非織造材料。應認知的是在本領域中，織物為多孔。用於纖維層的材料的例子包括，但不限於，離散的纖維、毛絮、棉網、墊子、毛毯、或其等的組合。纖維強化材料可包含以下範圍的材料、包括但不限於：聚酯、聚烯烴對苯二甲酸酯、聚萘二甲酸乙二酯、聚碳酸酯(例如人造絲、尼龍)、棉(譬如由DuPont製造的萊卡(Lycra))、碳(譬如石墨)、聚丙烯腈(PAN)、氧化PAN、未碳化熱處理的PANs (例如由SGL carbon製造的該等)、以玻璃纖維為主的材料(類似S-玻璃、901玻璃、902玻璃、475玻璃、E-玻璃)以氧化矽為主的纖維類似石英、(譬如由Saint-Gobain製造的Quartzel)、Q-felt (由Johns Manville製造)、Saffil (由Saffil製造)、Durablanket (由Unifrax製造)以及其他氧化矽纖維、Duraback (由Carborundum製造)、類似Kevlar、Nomex、Sontera的聚芳醯胺纖維(全部由DuPont製造)、Conex (由Taijin製造)、類似Tyvek的聚烯(由DuPont製造)、Dyneema (由DSM製造)、Spectra (由Honeywell製造)、類似Typar、Xavan的其他聚丙烯纖維(兩者皆由DuPont製造)、類似PTFE帶有商品名為鐵氟龍的氟聚合物(由DuPont製造)、Goretex (由W.L. GORE製造)、類似Nicalon的碳化矽纖維(由COI Ceramics製造)、類似Nextel的陶瓷纖維(由3M製造)、丙烯酸聚合物、毛、絲、麻、皮革、絨面纖維、PBO—Zylon纖維(由Tyobo製造)、類似Vectan的液晶材料(由Hoechst製造)、Cambrelle纖維(由DuPont製造)、聚胺甲酸酯、聚醯胺(polyamaides)、木纖維、硼、鋁、鐵、不銹鋼纖維和類似PEEK，PES，PEI，PEK，PPS的其他熱塑性塑膠。

在一具體例中，單塊氣凝膠結構延伸穿過微孔膜的複數個細孔並且亦穿過多孔基底層的至少一部分。該微孔膜和該多孔基底層可在介面處彼此接觸，使彼等形成多層支架。在一些具體例中，該單塊氣凝膠結構延伸跨過該介面。

本案說明包括支架的絕緣結構，該支架包括至少一多孔層和在該多孔層的各側上的兩個微孔膜。在一些具體例中，該多孔層具有上表面和相對的下表面。該上表面可與第一微孔膜的表面相鄰以及該下表面可與第二微孔膜的表面相鄰。在一些具體例中，單塊氣凝膠結構延伸穿過第一和第二微孔膜各者的複數個細孔並且亦穿過該多孔層的至少一部分。該第一微孔膜和該多孔層可在第一介面彼此接觸，而該第二微孔膜和該多孔層可在第二介面彼此接觸，使得該兩個微孔膜和該多孔層形成多層支架。在一些具體例中，該單塊氣凝膠結構延伸跨過該第一和第二介面。

在本案說明的絕緣結構中的微孔和多孔層的數目並無限制，並且本領域的技術人員可基於絕緣結構的預定應用來決定層的所欲數目和順序。

回到圖1，該絕緣結構100具有用作單塊氣凝膠結構104的支架的一微孔膜102。微孔膜102包含複數個細孔並且該單塊氣凝膠結構104延伸穿過該等細孔。在一具體例中，該單塊氣凝膠結構104為連續的並且在細孔內連接。此允許該單塊氣凝膠結構104從該微孔膜102的相對表面延伸並且貫穿該微孔膜102的長度和寬度。該氣凝膠材料至少部分地，或在一些具體例中完全地，填充該微孔膜102的細孔。

該微孔膜102可避免氣凝膠粉塵從其中釋放。釋放的粉塵降低熱性質，並造成製造問題。在一些具體例中，微孔膜102可黏附或積層至例如織物層的結構層(未顯示)。該織物層可為織造、針織或非織造材料。

在一些具體例中，微孔膜102可與多孔層108相鄰，如圖2顯示。該單塊氣凝膠結構104可延伸穿過該微孔薄膜102和多孔層108的界面(相鄰表面)。該微孔和多孔層為該單塊氣凝膠結構104創造支架。

在一些具體例中，微孔膜102可與多孔層108相鄰，如圖3顯示。可採用黏著劑層106，以連接該微孔膜102和多孔層108。在一具體例中，該黏著劑層106為包含點或線的不連續層。此允許當形成絕緣結構100時，該氣凝膠材料穿過黏著劑層106。儘管黏著劑層106顯示於圖3，應理解的是在其他具體例中，例如在圖2中顯示，該黏著劑層106可為任擇或非必要的。該單塊氣凝膠結構104可延伸穿過該微孔薄膜102和多孔層108的界面(相鄰表面)。該微孔和多孔層為該單塊氣凝膠結構104創造支架。

該微孔膜102可捕獲從該多孔層108釋放的粉塵並且避免從該微孔膜102釋放粉塵。該粉塵通常為從該氣凝膠釋放。

雖然該微孔膜102的孔徑小到足以將氣凝膠粉塵保留在支架內，但是微孔膜102亦足夠開放，其允許氣凝膠前驅物藉由流經在微孔膜中的細孔引入該微孔膜和該多孔層兩者中。

在一具體例中，該氣凝膠材料係藉由將溶膠凝膠流入該微孔膜102的表面形成，經由該微孔膜102並進入該多孔層108，並且處理該溶膠凝膠，以創造氣凝膠材料。該氣凝膠材料至少部分地，或在一些具體例中完全地，填充該多孔層108的細孔。

在圖2和3中的絕緣構造100的各層厚度可變化，但在某些具體例中，該多孔層108比該微孔膜102更厚，以及在一些具體例中其至少為兩倍厚。

在一些具體例中，微孔膜102及/或多孔層108可黏附或積層至例如織物層的結構層(未顯示)。該織物層可為一織造、針織、或非織造材料。

取決於該絕緣結構100的預定用途(譬如，進入各式服飾、衣物、鞋、織物中)，在該多孔層的相對表面上具有微孔膜，以進一步捕獲並減少釋放的粉塵可為有利的。圖4顯示一絕緣結構100，其在多孔層108的一表面上具有微孔膜102並且在多孔層108的一相對表面上具有第二微孔膜112。黏著劑層106和110可用於結合該表面。如上所述該黏著劑層可為不連續，以及在其他具體例中該黏著劑層可為任擇的。該單塊氣凝膠結構104延伸穿過介於該微孔膜和多孔層之間的兩介面。

該微孔膜102、112的孔隙率並無限制，可相似或不同，但兩者具有比該多孔層108孔隙率更小的孔隙率。

在一具體例中，該單塊氣凝膠結構104至少部分地填充在其中的細孔而延伸穿過微孔膜102和多孔層108，但不填充該第二微孔膜112的細孔。

圖5為包含一支架500的絕緣結構的掃描式電子顯微鏡(SEM)圖，該支架包括與發泡體多孔層504相鄰的ePTFE微孔膜502，根據本案揭示的具體例，其中該支架500包括配置在其中的氣凝膠結構506。該氣凝膠結構506完全地填充該發泡體多孔層504的細孔，並且如圖5顯示與該發泡體多孔層在視覺上不可區分。圖5顯示氣凝膠506完全地填充該ePTFE微孔膜502的細孔並且轉換跨越該ePTFE/發泡體介面。

圖6為絕緣結構的掃描式電子顯微鏡(SEM)圖，該絕緣結構包含在發泡體多孔層604兩側上的兩微孔膜601、602的支架600，根據本案揭示的具體例，其中該支架600包括配置在其中的氣凝膠結構606。該氣凝膠結構606完全地填充發泡體多孔層604的細孔，並且如圖6顯示與該發泡體多孔層在視覺上不可區分。圖6顯示氣凝膠606完全地填充該微孔和多孔層的細孔並且延伸跨越該多孔/微孔介面。

圖7在多孔層704的兩側上的兩微孔膜701、702的支架700的掃描式電子顯微鏡(SEM)圖，根據本案揭示的具體例，其中該支架700包括配置在其中的氣凝膠結構706。圖7顯示在氣凝膠使用一段期間之後，該氣凝膠706已變為破裂。

儘管具體例係顯示為多層，應理解的是其他具體例可包括形成支架的微孔和多孔層的額外層。方法

多層絕緣結構的生產可包括下列步驟：a)將流體可滲透的面層接附至以多孔為主的材料以產生積層的強化片，其中該面層含有細孔或孔，該細孔或孔帶有足夠大的直徑以允許流體經由該面層材料擴散；b)將凝膠前驅物溶液注入該強化片中，其中至少一部分的凝膠前驅物溶液經由該面層滲入基底層，其中該凝膠前驅物溶液與該積層的強化片以允許凝膠前驅物溶液經由該面層並滲入該增強片的速率結合；以及c)將該凝膠前驅物材料轉換為包含凝膠框架的凝膠材料。該凝膠前驅物溶液的一部分被保留在該面層的細孔或孔內，使得該凝膠延伸至該面層的至少一部分，並且亦延伸至該基底層的至少一部分。得到的產物為多層凝膠組成物，其包含：a)至少一基底層，其包含多孔強化材料以及集成在該多孔強化材料內的單塊氣凝膠結構；以及b)至少一面層，其包含流體可滲透的微孔強化材料以及集成在流體可滲透的微孔面層材料內的單塊氣凝膠結構；其中該基底層的單塊氣凝膠結構的至少一部分延伸至該面層的單塊氣凝膠結構的至少一部分並與其相連。

絕緣結構的大規模生產可包括輸送機系統，其將凝膠前驅物與連續的強化片，例如聚合物強化片、纖維強化片、開孔泡沫強化片或其等的組合在輸送機的一端組合在一起，以產生連續的強化凝膠片。此強化凝膠片可捲繞成複數個層(較佳以均勻拉力在捲筒的周圍)並且在隨後的化學處理、老化和乾燥步驟中進行處理。隔離層可共同捲繞在凝膠片層之間，以利於凝膠材料的老化或乾燥，例如為老化劑或乾燥材料提供流動路徑。該隔離層可為不可滲透(較佳為流體在低於1 psi、5psi或10 psi的壓力下不可滲透)或可滲透。可滲透層可以多孔塑膠片、類似網目的材料、多孔薄片、或類似物的形式。在一些具體例中，該面層提供用於老化劑或乾燥材料的流動路徑，俾使不需要額外的隔離層用於凝膠材料的老化和乾燥。

圖8例示以輸送機為主的系統800用於絕緣結構的大規模生產的一具體例。凝膠前驅物溶液810係在混合段814中與催化劑溶液820混合。凝膠前驅物溶液810和催化劑溶液820的流動係由流動控制器830控制。強化材料850係設置在輸送機系統840上。該強化材料850可為來自一卷強化材料的連續片材。該強化材料850亦可包含強化材料片段。在較佳的具體例中，該強化材料850為聚合物強化材料、纖維強化材料、開放氣室發泡體強化材料、或其等的組合。該前驅物溶液(包含凝膠前驅物和催化劑)係分配至輸送帶840上並與強化材料850組合。當該強化材料由該輸送機系統840推進時，在凝膠前驅物溶液中凝膠形成的前驅物轉換成凝膠材料。將得到的強化凝膠片材捲繞用於隨後的化學處理、老化和乾燥步驟。可將額外的隔離層864共同捲繞在凝膠片材層860之間。

絕緣結構的大規模生產可包含半連續的、以批量為主的製程，其通常稱為輥軸凝膠(jel-in-a-roll)製程，其中該生產包含下列步驟：a)將包含第一強化材料的面層接附至一片第二強化材料，其中該面層含有帶有足夠大的直徑以允許流體擴散穿過的細孔或孔；b)將積層的強化材料輥成複數個層作為預成型卷；以及c)將凝膠前驅物溶液與該預成型卷組合。隔離層可與在該預成型卷中的強化材料共輥，以提供凝膠前驅物溶液、老化劑、和乾燥材料的流動路徑。在較佳的具體例中，該面層提供流動路徑用於該凝膠前驅物溶液、老化劑、和乾燥材料，使得不需要額外的隔離層。在一些具體例中，該第一強化材料包含微孔聚合物材料以及該第二強化材料包含開放氣室發泡體強化材料。

圖9例示用於絕緣結構之大規模生產的半連續、以批量為主的系統900的一具體例。強化材料片材被輥成複數個層作為預成型卷920並且放入容器910中。額外的隔離層950可與在該預成型卷920中的強化材料共輥。該隔離層可為不可滲透(較佳為流體在低於1 psi、5 psi或10 psi的壓力下不可滲透)或可滲透。可滲透層可以多孔塑膠片、類似網目的材料、多孔薄片、或類似物的形式。凝膠前驅物溶液940係注入或與該預成型卷920的強化材料組合。在凝膠前驅物溶液中的凝膠形成前驅物係轉換成凝膠材料。得到的強化凝膠片材可立即前進用於之後的化學處理、老化和乾燥步驟。該得到的強化凝膠片材亦可展開，然後在之後的化學處理、老化和乾燥步驟之前用不同的隔離層再進行捲繞。

氣凝膠的生產一般包括下列步驟：i)形成溶膠-凝膠溶液；ii)從該溶膠-凝膠溶液形成凝膠；以及iii)經由創新的處理和萃取從凝膠材料中萃取溶劑，以獲得乾燥的氣凝膠材料。此製程在下文將更詳細的討論，特別是在形成例如氧化矽氣凝膠的無機氣凝膠的上下文。然而，本案提供的明確例子和例示圖並不意欲將本發明限制在任何特定類型的氣凝膠及/或製備方法。本發明可包括由本領域習知的任何相關製備方法形成的任何氣凝膠。

形成無機氣凝膠的第一步驟一般為經由金屬烷氧化物前驅物在醇類溶劑中的水解和縮合形成溶膠-凝膠溶液。形成無機氣凝膠的主要變量包括在該溶膠-凝膠溶液中包括的烷氧化物前驅物的類型、溶劑的性質、該溶膠-凝膠溶液的處理溫度和PH(其可藉由酸或鹼的添加改變)、以及在該溶膠-凝膠溶液內的前驅物/溶劑/水的比例。在形成溶膠-凝膠溶液中控制這些變量可容許在之後的凝膠材料從「溶膠」狀態轉換為「凝膠」狀態期間控制凝膠框架的生長和聚集。雖然得到的氣凝膠的性質係由前驅物溶液的PH以及反應物的莫耳比例影響，但是本揭示內容可使用容許形成凝膠的任何pH和任何莫耳比例。

溶膠-凝膠溶液係由至少一凝膠前驅物與溶劑組合形成。儘管可使用本領域技術人員習知的該等其他溶劑，用於形成溶膠-凝膠溶液的適宜溶劑包括1至6個碳原子，較佳為2至4個的低級醇。有用的溶劑的例子包括，但不限於：甲醇、乙醇、異丙醇、乙酸乙酯、乙醯乙酸乙酯、丙酮、二氯甲烷、四氫呋喃、和類似物。亦可組合多個溶劑，以達成所欲位準的分散或凝膠材料的最佳化性質。於是，用於溶膠-凝膠和凝膠的形成步驟之最佳溶劑的選擇取決於併入溶膠-凝膠溶液中的特定前驅物、填充物和添加劑；以及用於凝膠和液相萃取的目標處理條件，以及最終氣凝膠材料的所欲性質。

水亦可存在於前驅物-溶劑溶液中。水用於將金屬烷氧化物前驅物水解成金屬氫氧化物前驅物。該水解的反應式可為(在乙醇溶劑中使用TEOS作為例子)：Si(OC₂ H₅ )₄ + 4H₂ O → Si(OH)₄ + 4(C₂ H₅ OH)。得到的水解金屬氫氧化物前驅物以「溶膠」狀態維持懸浮在溶劑溶液中，作為個別分子或作為分子的小聚合(或寡聚化)膠體團。舉例來說，該Si(OH)₄ 前驅物的聚合作用/縮合可如下式進行：2 Si(OH)₄ = (OH)₃ Si-O-Si(OH)₃ + H₂ O。此聚合作用可繼續進行，直到聚合(或寡聚化)的SiO₂ (氧化矽)分子的膠體團形成。

可將酸和鹼併入溶膠-凝膠溶液以控制溶液的pH，並催化前驅物材料的水解和縮合反應。雖然可用任何酸催化前驅物的反應並且獲得較低pH的溶液，較佳的酸包括：HCl、H₂ SO₄ 、H₃ PO₄ 、草酸和醋酸。同樣的可用任何鹼催化前驅物的反應並且獲得較高pH的溶液，較佳的鹼包含NH₄ OH。

該溶膠-凝膠溶液可包括額外的共凝膠前驅物，以及填充物材料和其他添加劑。填充物材料和其他添加劑可在形成凝膠之前或期間的任何時間點配送至溶膠-凝膠溶液中。填充物材料和其他添加劑亦可在膠化之後經由本領域習知的各式技術併入凝膠材料中。較佳地，包含凝膠前驅物、溶劑、催化劑、水、填料劑材料和其它添加劑的溶膠-凝膠溶液為能夠在適宜條件下有效形成凝膠的均勻溶液。

一旦溶膠-凝膠溶液已經形成和最佳化，在該溶膠-凝膠中的凝膠形成組分可轉換成凝膠材料。將凝膠-成形組件轉換成凝膠材料的製程包含最初凝膠形成步驟，其中該凝膠凝固直到凝膠材料的凝膠點。該凝膠材料的凝膠點可視為凝膠溶液展現抗流動性的點及/或在其整個體積內形成基本上連續的聚合框架的點。本領域人員習知一系列的凝膠-成形技術。例子包括，但不限於：將混合物保持在靜止狀態足夠的時間；調整溶液的pH；調整溶液的溫度；將能量形式引導至混合物上(紫外線、可見光、紅外線、微波、超音波、粒子輻射、電磁)；或其等的組合。

將凝膠-成形組分轉換成凝膠材料的方法亦可包括在液相萃取之前的老化步驟(亦稱為固化)。在凝膠材料達到其凝膠點之後使凝膠材料老化可藉由增加網絡內的交聯的數目進一步增強凝膠框架。可調整凝膠老化的持續時間，以控制在得到的氣凝膠材料內的各種性質。此老化程序可為有用以避免在液相萃取期間潛在的體積損失和收縮。老化可涉及：保持該凝膠(在萃取之前)在靜止狀態達較長時間；保持該凝膠在升高的溫度；加入交聯促進化合物；或其等的任何組合。老化的較佳溫度經常介於約10°C和約100°C之間。凝膠材料的老化通常持續到濕凝膠材料的液相萃取。

將形成凝膠的材料轉換成凝膠材料的週期時間包括最初凝膠形成的持續時間(從凝膠化開始到凝膠點)，以及在液相萃取之前凝膠材料的任何之後的固化和老化的持續時間(從凝膠點到液相提取開始)。將凝膠-成形材料轉換成凝膠材料的總時間通常介於1分鐘和數天之間，較佳約30小時或更少、約24小時或更少、約15小時或更少、約10小時或更少、約6小時或更少、約4小時或更少、約2小時或更少、約1小時或更少、約30分鐘或更少、或約15分鐘或更少。

該得到的凝膠材料可在適宜的第二溶劑中清洗，以置換在濕凝膠中存在的主反應溶劑。此類第二溶劑可為帶有1或多個脂族碳原子的直鏈一元醇、帶有2或多個碳原子的二元醇、支鏈醇、環醇、脂環醇、芳香醇、多元醇、醚、酮、環醚或彼等的衍生物。

一旦凝膠材料已形成和處理，隨後該凝膠的液相可使用萃取方法至少部分地從濕凝膠萃取，該方法包括創新的處理和萃取技術，以形成氣凝膠材料。除其他因素之外，液相萃取在例如孔隙率和密度的氣凝膠工程特性以及例如熱導率的相關性質中扮演重要角色。一般來說，當以低收縮的方式使濕凝膠的多孔網絡和框架從凝膠中萃取液相時，即獲得氣凝膠。

氣凝膠通常係藉由在接近或高於液體流動相的臨界點溫度和壓力下從凝膠材料中移除液體流動相而形成。一旦到達臨界點(接近臨界)或超過(超臨界) (即系統的壓力和溫度分別處於或高於臨界壓力和臨界溫度)，新的超臨界相出現在該流體中，其與液相或氣相不同。隨後可去除溶劑而不引起液體-氣體介面、毛細管壓力、或通常與液體-氣體邊界有關的任何相關的質量傳遞。此外，該超臨界相一般而言與有機溶劑更易混溶，因此具有更佳的萃取能力。共溶劑和溶劑交換亦經常用於最佳化超臨界流體的乾燥製程。

假使蒸發或萃取發生在超臨界點以下，則由液體蒸發生成的強毛細力可導致凝膠材料內的收縮和細孔塌陷。在溶劑萃取過程中保持流動相接近或高於臨界壓力和溫度減少了此類毛細力的負面影響。在本發明的一些具體例中，使用恰好低於溶劑系統臨界點的近臨界條件可允許產生帶有足夠低收縮率的氣凝膠材料或組成物，於是可產生商用可行的成品。

本領域習知數個額外的氣凝膠萃取技術，其包括在乾燥氣凝膠中使用超臨界流體的一系列不同途徑。舉例來說，Kistler (J. Phys. Chem. (1932)36 : 52-64)說明簡單的超臨界萃取製程，其中該凝膠溶劑保持在高於其臨界壓力和溫度，藉此減少蒸發的毛細力並保持凝膠網絡的結構完整性。美國專利號4,610,863說明萃取製程，其中該凝膠溶劑與液態二氧化碳交換，之後在二氧化碳處於超臨界狀態的條件下萃取。美國專利號6670402教示經快速溶劑交換，其藉由將超臨界(而不是液體)的二氧化碳注入已預熱和預加壓至實質為超臨界條件或更高條件的萃取器中從凝膠萃取液相，藉此產生氣凝膠。美國專利號5962539說明在有機溶劑的溶膠-凝膠形式中從聚合物材料獲得氣凝膠的製程，藉由用具有低於聚合物分解溫度的臨界溫度的流體交換有機溶劑，並且超臨界萃取該流體/溶膠-凝膠。美國專利號6315971揭示用於生產凝膠組成物的製程，其包含：在乾燥期間在足以減少凝膠收縮的乾燥條件下，乾燥包含凝膠固體和乾燥劑的濕凝膠以去除乾燥劑。美國專利號5420168說明可使用簡單的空氣乾燥程序製備間苯二酚/甲醛氣凝膠的製程。美國專利號5565142說明凝膠表面被改性為更強和更疏水性，使得凝膠框架和細孔可在常壓乾燥或次臨界萃取期間抵抗塌陷的乾燥技術。從氣凝膠材料萃取液相的其他例子可在美國專利號5275796和5395805找到。

使用二氧化碳的超臨界條件從濕凝膠萃取液相的一較佳具體例，包括舉例來說：首先將存在於凝膠的細孔網絡中的主要溶劑與液態二氧化碳充分交換；隨後將濕凝膠(通常在高壓鍋中)加熱超過二氧化碳的臨界溫度(約31.06℃)，並將系統壓力增加至大於二氧化碳臨界壓力的壓力(約1070psig)。凝膠材料周圍的壓力可稍微波動，以利於從凝膠中去除超臨界二氧化碳流體。二氧化碳可經由萃取系統再循環，以利於從濕凝膠連續地去除主溶劑。最後，將溫度和壓力緩慢地恢復到環境條件以產生乾燥的氣凝膠材料。二氧化碳亦可在注入萃取室之前預處理成超臨界狀態。

形成氣凝膠的另擇方法的一例子包括在水中酸化鹼性金屬氧化物前驅物(例如矽酸鈉)以製造水凝膠。鹽的副產物可藉由離子交換及/或藉由以水清洗隨後形成的凝膠從矽酸前驅物去除。從凝膠的細孔去除水可經由與例如乙醇、甲醇或丙酮的極性有機溶劑交換進行。隨後，在凝膠中的液相至少部分地使用創新的處理和萃取技術萃取。

形成氣凝膠的另擇方法的另一個例子包括：藉由基質材料在其濕凝膠狀態下經由表面羥基轉化為疏水性三甲基甲矽烷基醚的化學改性，減少在溶劑/細孔界面破壞的毛細管壓力，藉此允許在低於溶劑臨界點的溫度和壓力下從凝膠材料中萃取液相。

氣凝膠材料或組成物的大規模生產可能與大規模連續形成凝膠材料相關的困難；以及與大規模地使用創新的處理和萃取技術從凝膠材料液相萃取相關的困難而變為複雜。本揭示內容的氣凝膠材料或組成物係較佳地適應於大規模生產。在某些具體例中，本揭示內容的凝膠材料可經由連續澆鑄和凝膠化製程大規模生產。在某些具體例中，本揭示內容的氣凝膠材料或組成物係需要使用大規模的萃取容器進行大規模生產。本揭示內容的大規模萃取容器可包括具有約0.1 m³ 或更多、約0.25 m³ 或更多、約0.5 m³ 或更多、或約0.75 m³ 或更多體積的萃取容器。

本發明的強化氣凝膠複合材料可成形為一系列的三維形式，其包括平板形狀、管道預成形體、半殼(half-shell)預成形體、彎管、接頭、以及在絕緣材料應用至工業和商業應用經常需要的其他形狀。在一具體例中，增強材料在凝膠前驅物材料注入之前先形成所欲的形狀。該凝膠材料以允許預成形維持其形狀的方式進行處理，於是產生所欲形狀的強化氣凝膠預成形體。由於需要處理凝膠材料的各式形狀和構造的困難，形成有形狀的氣凝膠預成形體的此技術可為挑戰性和低效率。

在一具體例中，該強化凝膠複合材料最初係以片狀形式，並且在凝膠材料凝膠化之後、或在凝膠材料凝膠化和隨後的乾燥之後處理成所欲的三維形狀。在較佳的具體例中，將一片強化氣凝膠材料加熱至所欲溫度，形成所欲形狀，隨後使其冷卻。這種使強化氣凝膠材料成形的技術對於發泡體強化材料係尤其有效。在較佳的具體例中，將一片包含發泡體強化材料的強化氣凝膠材料加熱至所欲溫度，形成所欲形狀，隨後使其冷卻。用於加熱氣凝膠材料的所欲溫度應高於發泡體強化材料的軟化點，並且低於強化材料的最大使用溫度和低於氣凝膠材料的自加熱溫度的溫度。該所欲溫度應為足夠高，使強化材料足夠柔軟和彈性以形成所欲的形狀，但仍足夠穩定以支撐在成型製程中的氣凝膠材料。於是，用於加熱氣凝膠材料的所欲溫度將依據所使用的強化材料和氣凝膠材料的類型變化。在一具體例中，該所欲溫度係介於50°C和200°C之間、介於75°C和200°C之間、介於100°C和175°C之間、介於120°C和160°C之間、或約150°C。

在一具體例中，該強化凝膠複合材料最初為塊狀或模製形式，並且在凝膠材料凝膠化之後、或在凝膠材料凝膠化和隨後的乾燥之後處理成所欲的三維形狀。在一具體例中，一塊強化氣凝膠材料係藉由在某形狀的模具中將強化材料和凝膠前驅物結合而形成。使在模具中的材料凝膠化，隨後乾燥以產生成形的氣凝膠複合材料。在較佳的具體例中，產生一塊強化氣凝膠材料，隨後切割或車床加工成所欲的形狀。在另一個較佳的具體例中，產生一塊強化氣凝膠材料，隨後使用切片機或器具切成個別的片材。

絕緣結構亦可包括遮光劑，以減少熱傳遞輻射的成分。在凝膠形成之前的任何時候，不透明的化合物或其等的前驅物可分散至包含凝膠前驅物的混合物中。不透明化合物的例子包括，但不限於：碳化硼[B4C]、矽藻土、鐵酸錳、MnO、NiO、SnO、Ag2O、Bi₂ O₃ 、碳黑、氧化鈦、鐵鈦氧化物、矽酸鋯、氧化鋯、氧化鐵(I)、氧化鐵(III)、二氧化錳、鐵鈦氧化物(鈦鐵礦)、氧化鉻、碳化物(例如SiC、TiC或WC)、或其等的混合物。不透明化合物前驅物的例子包括，但不限於： TiOSO₄ 或TiOCl₂ 。

本發明的具體例可使用本案討論的製程、萃取和處理技術的任一者以及用於生產氣凝膠、類似氣凝膠的材料、與如本案定義的絕緣結構之本領域人員習知的其他製程、萃取和處理技術來實施。

本發明的氣凝膠材料和組成物已顯示作為絕緣材料非常有效。然而，本發明方法和材料的應用並不意欲限於絕緣相關的應用。本發明的方法和材料可應用至從本發明的材料和方法提供的性質或程序的獨特組合中所獲益的任何系統或應用。該應用包括，但不限於，絕緣(包括成衣、鞋、建築、管道、或工業設備)，熱屏障和隔板(包括防火屏障和隔板)、隔音屏障、電子產品、衝擊隔離器、和化學催化劑。利用本發明的複合材料的應用可使用單層或多層複合材料，並且可機械地改變本發明的複合材料，例如經由將該等按尺寸切割。實驗

下列實施例提供本發明的各式非限制性具體例和性質。儘管下文說明某些方法和設備，但是可另擇地使用本領域普通技術人員確定的其他方法或設備。密度

薄膜材料的密度為使用下列方程式計算：ρ = m / w * l * t，其中： ρ=密度 (g/cc)，m=質量(g)，w=寬度(1.5 cm)，l=長度(16.5 cm)，以及t=厚度(cm)

以分析天平模型測量質量，以及以Mitutoyo 547-400S厚度計測量厚度)。然而，可使用任何適宜的方式測量質量或厚度。哥雷(Gurley) 哥雷空氣流量測試(哥雷模型4340自動透氣度測試機)係測量100 cm³ 的空氣在12.4 cm的水壓下流過6.45 cm² 樣本之以秒為單位的時間。弗雷澤數(Frazier Number)

透氣性係藉由將測試樣本夾在直徑為5.5英吋(14 cm)，或面積為23.76平方英吋(153.3平方cm)的圓形密封墊圈凸緣夾具中測量。該樣本夾具的上游端連接至與乾燥壓縮空氣源對應的流量計。該樣本夾具的下游端為對大氣開放。

藉由施加0.5英吋(1.27 cm)的水的空氣壓力至該樣本的上游並記錄空氣穿過在線的流量計的流速(浮球轉子流量計)來完成測試。

2個樣本的平均結果係按照弗雷澤數報告，其在0.5英吋(1.27 cm)的水壓下具有空氣的立方米/分鐘/樣本的平方米之單位。基質拉力強度( 對於薄膜)

樣本係藉由使用衝模從ePTFE薄膜切下長165 mm乘寬15 mm的矩形樣本製備。該薄膜係放置在切割台上，使其在樣本切割的區域沒有皺紋。該165 mm ×15 mm的衝模隨後放置在該薄膜上(一般在網的中心200mm)，使得其長軸平行於將測試的方向。一旦該衝模對準，對其施加壓力，以切穿該薄膜網。在移除該壓力時，檢查用於測試的矩形樣本，以確保該樣本無可能影響拉力測試的邊緣缺陷。以在機器方向上至少3樣本以及在橫向方向上三個樣本的此方式製備。一旦樣本製備，該樣本係使用分析天平測量其質量並使用Mitutoyo 547-400S厚度計測量其厚度。應注意的是，可使用任何適宜的方式測量厚度。隨後使用Instron 5500拉力測試機測試每個樣本，以測定其拉力性能。將該樣本插入該拉力測試機並使用Instron型錄2702-015 (橡膠塗層面板)和2702-016 (鋸齒狀面板)的固定夾板，使該樣本的各個端點固定在一橡膠塗層面板和一鋸齒狀面板之間。施加至該夾板的壓力大約為552 kPa。夾具之間的隔距長度設定在50 mm以及十字頭速度(crosshead speed) (牽引速度)設定在200 mm/min的速度。使用500 N的測力計以進行這些測量以及以50點/sec的速率收集數據。實驗室溫度為介於20和22.2攝氏度之間以確保可比較的結果。最後，假使該樣本在夾具介面處發生斷裂，則捨棄該數據。為鑑定該薄膜網，至少3樣本在機器方向上以及三個樣本在橫向方向上成功地拖拉(在夾具處無滑出或破裂)。

使用下列方程式計算基質拉力強度： MTS = F max * ( ρ_o * l 100 * m ) 其中：MTS =以Mpa為單位的基質拉力強度，F_max =測試期間測量的最大負載(牛頓)，ρ_o =PTFE的密度(2.2克/cc)，l=樣本長度(cm)，以及m=樣本質量(克)。泡點

泡點壓力係根據ASTM F31 6-03的一般教示使用毛細管流動孔徑計(來自Quantachrome Instruments, Boynton Beach, Florida的型號3Gzh)測量。樣本薄膜係放入樣本室中並以具有20.1達因/cm的表面張力的Silwick矽酮流體(從Porous Materials Inc.取得)潤濕。該樣本室的底部夾具使用具有直徑2.54 cm，0.159 cm厚的多孔金屬碟插入物(Quantachrome零件號75461不鏽鋼過濾器)，以支撐該樣本。係使用3GWin軟體版本2.1，下列參數係如下表中的指定設定。呈現出的泡點壓力值為兩次測量的平均值。

使用以下方程式將泡點壓力轉化為孔徑： D_BP = 4γ^lv cosθ / P_BP 其中D_BP 為孔徑，γ^lv 為液體表面張力，θ為液體在材料表面上的接觸角，以及P_BP 為泡點壓力。本領域技術人員應能理解，在泡點測量中使用的流體必須潤濕樣本的表面。 泡點儀器設定值

複合材料密度

密度測定係使用標準分析天平結合根據在ASTM C303中說明的一般教示的體積測定進行重量分析。複合材料厚度

複合材料的厚度係根據在ASTM C303中說明的一般教示測定。熱導率

發泡體/氣凝膠複合材料的熱導率係根據在ASTM C518中說明的一般教示在37.8 °C的平均溫度和在2 PSI的壓縮負載下測定。 實施例1

對於實施例1，密度係使用標準分析天平結合根據在ASTM C303中說明的一般教示的體積測定進行重量分析，以及熱導率係根據在ASTM C518中說明的一般教示在37.8 °C的平均溫度和在2 PSI的壓縮負載下測定。

在微孔支架內的氣凝膠的連續基質係以下列方式創建。獲得90細孔/英吋(ppi) (35.4細孔/cm)的0.61 m寬度軋輥的網狀聚酯聚胺甲酸酯發泡體，帶有2.2 lb/ft³ (35.2 kg/m³ )的標示密度和約0.080英吋的厚度(2 mm) (RS090WHGR1, Crest Foam Industries Inc., division of INOAC, Moonachie, NJ)。

經受高於PTFE的結晶熔融溫度之溫度的一卷膨脹PTFE薄膜(0.81 m)並具有下列獲得的性質：0.0137 mm的平均厚度、0.370 g/cc的平均密度、平均9.5的弗雷澤數、平均哥雷數＜ 1、原纖維方向的平均基質拉力強度222 MPa、垂直於原纖維方向的平均基質拉力強度91 MPa、以及5.0µm的孔徑。此薄膜一般為根據美國專利號5,814,405的教示製造。

類似引述自美國專利號4,532,316的聚胺甲酸酯黏著劑係加熱至足以液化的溫度。經由已加熱至約115°C的凹版軋輥設備以約40%面積的黏著劑沉積將該黏著劑以點狀圖型施加至該薄膜。

該薄膜的黏著劑塗佈側係藉由通過輥隙黏附至該網狀的聚胺甲酸酯發泡體的一側，並且該得到的疊層收集在捲筒上。將另一長度的黏著劑塗佈薄膜以類似的方式施加到該網狀發泡體的相對側，以創造積層構造。將該積層構造纏繞並使其在室溫下固化達48小時。

將包含水解四乙基矽氧烷及其衍生物的必要分量的溶膠和縮合催化劑、氫氧化銨水溶液組合，並使其滲入該積層構造。在3-30分鐘的脫水收縮期間之後，該凝膠/發泡體複合材料經受進一步的化學老化，其中將該濕凝膠複合材料暴露至氫氧化銨和包含各種份量的烷基和甲矽烷基(六甲基二矽氮烷)的疏水劑的熱乙醇溶液中。在老化之後，將該發泡體/氣凝膠複合材料轉移至圓柱形壓力容器中，隨後使用超臨界CO₂ 萃取乾燥以去除溶劑。該複合材料隨後用熱處理，以去除任何殘餘含水量及/或揮發物。

從浸漬氣凝膠的積層構造切下大約測量為20 cm乘20 cm的三個樣本。測定這些樣本，其具有下列性質：1.61 mm的平均厚度；0.179 g/cc的平均密度；13.9 mW/mK的平均熱導率。這些樣本顯示出高的粉塵保持性。 實施例2

對於實施例2，密度係使用標準分析天平結合根據在ASTM C303中說明的一般教示的體積測定進行重量分析，以及熱導率係根據在ASTM C518中說明的一般教示在37.8 °C的平均溫度和在2 PSI的壓縮負載下測定。

在微孔支架內的氣凝膠的連續基質係以下列方式創建。兩個不同的膨脹聚乙烯(ePE)薄膜係用作支架。該兩支架皆可以Arioso™複合材料薄膜(Lydall)商購取得並為8.5 x 11英吋。兩材料皆具有少於1 sec的平均哥雷數，以及8.8 μm的孔徑。這些Arioso支架在多孔層的一側上包含ePE。

將包含水解四乙基矽氧烷及其衍生物的必要分量的溶膠和縮合催化劑、氫氧化銨水溶液組合，並使其滲入各個薄膜。

在表1中在添加氣凝膠之前和之後測定該薄膜，以具有下列性質。當測試熱導率時，將兩樣本堆疊並獲得如表1所示的平均熱導率。這些材料顯示出高的粉塵保持性。

實施例3

對於實施例3，密度係使用標準分析天平結合根據在ASTM C303中說明的一般教示的體積測定進行重量分析，以及熱導率係根據在ASTM C518中說明的一般教示在37.8 °C的平均溫度和在2 PSI的壓縮負載下測定。

在微孔支架內的氣凝膠的連續基質係以下列方式創建。獲得包含帶有0.01 – 0.03 g/cm² 面密度的氧化聚丙烯腈(OPAN)纖維的非織造布。

經受高於PTFE的結晶熔融溫度之溫度的膨脹PTFE薄膜(0.81 m)的軋輥並具有下列獲得的性質：0.032 mm的平均厚度、0.587 g/cc的平均密度、0.47µm的孔徑、8.9 sec的平均哥雷數、原纖維方向的平均基質拉力強度88 MPa、以及垂直於原纖維方向之方向的平均基質拉力強度35 MPa。此薄膜一般為根據美國專利號3,953,566的教示製造。

類似引述自美國專利號4,532,316的聚胺甲酸酯黏著劑係加熱至足以液化的溫度。經由已加熱至約115°C的凹版軋輥設備以約40%面積的黏著劑沉積將該黏著劑以點狀圖型施加至該薄膜。

該薄膜的黏著劑塗佈側係藉由通過輥隙黏附至該網狀的聚胺甲酸酯發泡體的一側，並且該得到的疊層收集在捲筒上。將另一長度的黏著劑塗佈薄膜以類似的方式施加到該網狀發泡體的相對側，以創造積層構造。將該積層構造纏繞並使其在室溫下固化達48小時。

將包含水解四乙基矽氧烷及其衍生物的必要份量的溶膠和縮合催化劑、氫氧化銨水溶液組合，並使其滲入該積層構造。在3-30分鐘的脫水收縮期間之後，該凝膠/發泡體複合材料經受進一步的化學老化，其中將該濕凝膠複合材料暴露至氫氧化銨和包含各種量的烷基和甲矽烷基(六甲基二矽氮烷)的疏水劑的熱乙醇溶液中。在老化之後，將該發泡體/氣凝膠複合材料轉移至圓柱形壓力容器中，隨後使用超臨界CO₂ 萃取乾燥以去除溶劑。該複合材料隨後用熱處理，以去除任何殘餘含水量及/或揮發物。

從浸漬氣凝膠的積層構造切下測量大約10 cm乘10 cm的十個樣本。測定這些樣本，其具有下列性質：2.29 mm的平均厚度；0.0243 g/cc的平均密度；17.4 mW/mK的平均熱導率。這些樣本顯示出高的粉塵保持性。

如本案使用，連接詞「以及」意指包括性，以及連接詞「或」除非另有指明之外並非意指排他性。例如，用語「或，另擇地」意指排他性。

術語「一("a")」、「一("an")」、「該」、或在本發明說明的上下文的類似參照之使用(尤其在申請專利範圍的上下文)應解讀為包括單數和複數兩者，除非本案另有指明或與上下文明顯矛盾。

術語「包含」、「具有」、「包括」、以及「包含」應解讀為開放式術語(即，意為「包括但不限於」)，除非另有註明。

如本案使用，術語「約」指確認時的典型偏離度的特定屬性、組成物、量、值或參數；例如基於實驗誤差、測量誤差、近似誤差、計算誤差、相對於平均值的標準偏差、常規微調、等等的偏差。

本案敘述的數值範圍僅旨在作為落在該範圍內的各個單獨值的簡寫方法，除非本文另有指明，並且各個單獨值如同其在本案中各別列舉一樣係併入本說明書中。

本案說明的所有方法可以任何適宜的順序進行，除非本文另有說明或與上下文明顯矛盾。本案提供的任何和所有實施例，或示例的語言(譬如，「例如」、「舉例來說」)的使用僅旨在更好地闡明本發明，而不對本發明的範疇構成限制，除非另有聲明。

上文已一般性地以及關於特定具體例說明了絕緣結構。對於本領域技術人員顯而易見的是，在不逸離本揭示內容範疇下可對具體例進行各式修改和變化。於是，具體例意欲涵蓋其修改和變化，只要該等落在所附申請專利範圍及其等同物的範圍內。

100‧‧‧絕緣結構102‧‧‧微孔膜104‧‧‧單塊氣凝膠結構106‧‧‧黏著劑層108‧‧‧多孔層110‧‧‧黏著劑層112‧‧‧第二微孔膜500‧‧‧支架502‧‧‧ePTFE微孔膜504‧‧‧發泡體多孔層506‧‧‧氣凝膠結構600‧‧‧支架601‧‧‧微孔膜602‧‧‧微孔膜604‧‧‧發泡體多孔層606‧‧‧氣凝膠結構700‧‧‧支架701‧‧‧微孔膜702‧‧‧微孔膜704‧‧‧多孔層706‧‧‧氣凝膠800‧‧‧系統810‧‧‧凝膠前驅物溶液814‧‧‧混合段820‧‧‧催化劑溶液830‧‧‧流動控制器840‧‧‧輸送帶850‧‧‧強化材料860‧‧‧凝膠片層864‧‧‧隔離層900‧‧‧系統910‧‧‧容器920‧‧‧預成型卷940‧‧‧凝膠前驅物溶液950‧‧‧隔離層

包括附圖以提供本揭示內容的進一步理解並且併入與構成本說明書的一部分，以例示具體例。該圖與說明書一起用於解釋本揭示內容的原理。本案參照的附圖不一定按比例繪製，且可能誇大以例示本揭示內容的各個樣態，在這方面，該圖不應解讀為限制性。

圖1為根據本案揭示具體例的微孔層支架的剖面圖，該微孔層包括配置在其中的單塊氣凝膠結構。

圖2為根據本案揭示具體例的微孔層和多孔層支架的剖面圖，該多孔層包括配置在其中的單塊氣凝膠結構。

圖3為根據本案揭示具體例之黏附至多孔層的微孔層支架的剖面圖，該多孔層包括配置在其中的單塊氣凝膠結構。

圖4為根據本案揭示具體例的微孔層和多孔層支架的剖面圖，該多孔層包括配置在其中的單塊氣凝膠結構。

圖5為根據本案揭示具體例之與多孔層相鄰的微孔層支架的掃描式電子顯微鏡(SEM)圖，其中該支架包括配置在其中的氣凝膠結構。

圖6為根據本案揭示具體例之與多孔層相鄰的兩微孔層支架的掃描式電子顯微鏡(SEM)圖，其中該支架包括配置在其中的氣凝膠結構。

圖7為根據本案揭示具體例之與多孔層相鄰的兩微孔層支架的掃描式電子顯微鏡(SEM)圖，其中該支架包括配置在其中的氣凝膠結構，並且其中該氣凝膠由於該支架的使用已有些損壞。

圖8描繪使用輸送機系統從氣凝膠前驅物和強化片製備強化凝膠片的方法。

圖9描繪使用凝膠在輥軸系統中從氣凝膠前驅物和強化片製備強化凝膠片的方法。

100‧‧‧絕緣結構

102‧‧‧微孔膜

104‧‧‧單塊氣凝膠結構

Claims (19)

1. 一種絕緣結構，其包含一支架，其包含至少一微孔層和與該微孔層相鄰的至少一多孔層，其中該多孔層為用於氣凝膠的強化材料，當該強化材料經受橫跨其上的壓力差或濃度差時，其帶有傳輸流體穿過該層的能力且具有300sec或更少的哥雷數，以及一單塊氣凝膠結構，其中該單塊氣凝膠結構是單一的互連氣凝膠奈米結構，其中該單塊氣凝膠結構的一部分延伸穿過該微孔層的至少一部分，並且亦延伸穿過該相鄰的多孔層的至少一部分其中該微孔層為一微孔膜；其中該微孔膜為面層，該多孔層為基底層，以及其中該微孔膜具有比該多孔層更小的孔徑。
2. 如請求項1的絕緣結構，其中該支架更包含一多孔層，以及其中該單塊氣凝膠結構延伸穿過該多孔層的複數個細孔。
3. 如請求項1或2的絕緣結構，其中該多孔層和該微孔層在一第一介面處彼此接觸，以及 其中該單塊氣凝膠結構延伸跨過該第一介面。
4. 如請求項2的絕緣結構，其中該絕緣結構包含兩微孔層，其中該兩微孔層在該多孔層的相對側上與該多孔層相鄰，以及其中該單塊氣凝膠結構延伸穿過該多孔層和兩微孔層的複數個細孔。
5. 如請求項4的絕緣結構，其中該多孔層在一第一介面處接觸該兩微孔層的其中之一，其中該多孔層在一第二介面處接觸該兩微孔層的另一個，以及其中該單塊氣凝膠結構延伸跨過該第一和第二介面。
6. 如請求項1或2的絕緣結構，其中該多孔層包含一開放氣室發泡體(open cell foam)。
7. 如請求項6的絕緣結構，其中該開放氣室發泡體包含網狀玻璃碳發泡體、聚胺甲酸酯發泡體、三聚氰胺發泡體、聚醯亞胺發泡體、陶瓷發泡體、或金屬發泡體。
8. 如請求項6的絕緣結構，其中該開放氣室發泡體為網狀發泡體。
9. 如請求項1或2的絕緣結構，其中該多孔層包含一織物層。
10. 如請求項9的絕緣結構，其中該織物層包含一織造、針織、或非織造層。
11. 如請求項1或2的絕緣結構，其中該多孔層包括一填充物。
12. 如請求項11的絕緣結構，其中該填充物包含玻璃微球、陶瓷微球、或聚乙烯微球。
13. 如請求項1或2的絕緣結構，其中該微孔層包含300sec.或更少的哥雷數。
14. 如請求項1或2的絕緣結構，其中該微孔層包含從0.03μm至210μm的孔徑。
15. 如請求項1或2的絕緣結構，其中該至少一微孔層包含膨脹氟聚合物膜、膨脹聚乙烯(ePE)膜、或膨脹聚丙烯(ePP)膜。
16. 如請求項1或2的絕緣結構，其中該微孔層包含膨脹聚四氟乙烯(ePTFE)膜。
17. 如請求項16的絕緣結構，其中該ePTFE膜具有一微結構，其包含節點、原纖維、以及介於該等節點和該等原纖維之間的空隙，其中該等空隙係至少部分地由該單塊氣凝膠結構填充。
18. 如請求項1或2的絕緣結構，其中該單塊氣凝膠結構包含有機、無機或混成的有機-無機材料。
19. 如請求項1或2的絕緣結構，其中該單塊氣凝膠包含氧化矽、氧化鈦，氧化鋯、氧化鋁、氧化鉿、氧化釔、氧化鈰、碳化物、氮化物或其等的組合。

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