СИСТЕМА И СПОСОБ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АЭРОГЕЛЕВОГО КОМПОЗИТНОГО МАТЕРИАЛА И АЭРОГЕЛЕВЫЙ КОМПОЗИТНЫЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 2021 года по МПК B01J13/00 B01J19/24 C01B33/158 C04B14/38 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к системе и способу для изготовления аэрогелевого композитного материала согласно родовым понятиям пунктов 1 и 12 формулы изобретения, а также к получаемому посредством способа композитному материалу в качестве высокоэффективного изоляционного материала согласно пункту 33 формулы изобретения.

Уровень техники

Аэрогели имеют низкую плотность, высокую пористость с открытыми порами в области <50 нм, и большую внутреннюю поверхность. Этим обусловливается низкая теплопроводность. Соответственно этому, аэрогели пригодны также в качестве теплоизоляционных материалов. Но высокая пористость приводит также к незначительной механической стабильности аэрогелей.

Поэтому в последние годы предлагались композитные материалы из волокнистых материалов и аэрогелей. Такие композитные материалы, например, могут быть использованы как изоляционные материалы. Например, в патентном документе WO 93/06044 раскрыт способ изготовления аэрогелевого матричного композитного материала со следующими технологическими стадиями:

- получения прекурсора аэрогеля

- смешения прекурсора аэрогеля с волокнами,

- вызревания содержащего волокна прекурсора аэрогеля для получения геля,

- погружения геля в пригодный для сверхкритической сушки растворитель, и

- высушивания геля в сверхкритических условиях.

В качестве волокон, которые могут быть встроены в аэрогель, пригодны, среди прочих, также стеклянные волокна или минеральная вата. Правда, описанный способ имеет тот недостаток, что гель должен высушиваться в сверхкритических условиях, для чего обычно требуется проводить по меньшей мере одну смену растворителя в автоклаве. Этот способ является очень трудоемким и занимающим много времени. Для сушки требуется специальное сложное оборудование (реактор под давлением для сушки в критической точке; например, сушке в СО₂ при >74 бар/>30°С). Соответственно этому, сверхкритическая сушка аэрогелей пригодна только для малых партий исходных материалов и в лабораторном масштабе.

Ввиду трудоемкости сверхкритической сушки гелей был разработан способ, согласно которому возможна также субкритическая сушка геля при температуре ниже 150°С в потоке окружающего воздуха и при нормальном давлении. При субкритической сушке геля сначала свободные Si-OH-группы образующегося геля должны быть дезактивированы во избежание дальнейшей конденсации. Это производится, например, добавлением к гелю триметилхлорсилана (смотри работу авторов F.Schwertfeger, D.Frank, M.Schmidt, «Hydrophobic waterglass based aerogels without solvent exchange or supercritical drying» («Аэрогели на основе гидрофобного растворимого стекла без смены растворителя или сверхкритической сушки») в Journal of Non-Crystalline Solids, том 225 (1998), стр. 24-29). При этом триметилхлорсилан реагирует с НО-группами силикатной поверхности геля с отщеплением HCl. Вследствие гидрофобизации поверхности силиката вода вытесняется из пор геля. Гексаметилдисилоксан и избыток триметилхлорсилана образуют органическую фазу и остаются в порах геля. Образовавшаяся соляная кислота прежде всего насыщает водную фазу и затем при более высоких концентрациях улетучивается в газовую фазу.

Правда, описанный способ имеет тот недостаток, что он не может быть использован в сочетании с волокнами минеральной ваты, поскольку высвобождающаяся соляная кислота частично растворяет волокна минеральной ваты. Минеральная вата как минимум на 52 вес.% состоит из растворимых в кислотах компонентов (оксидов металлов, таких как Al₂O₃, CaO, MgO и Fe₂O₃). Вследствие этого в настоящее время применяются аэрогели на основе стекловаты, которые, с одной стороны, достаточно стабильны в средах с кислотным значением рН, но, с другой стороны, имеют лишь недостаточную термостойкость в случае пожара.

Патентный документ WO 94/25149 описывает способ изготовления высокопористого ксерогеля, в котором поверхность геля подвергается гидрофобизации модифицирующими поверхность соединениями, чтобы снизить капиллярное давление в порах геля перед высушиванием, благодаря чему гель не спадается при завершающей стадии сушки. Способ состоит из последовательности стадий вызревания, промывания и высушивания. Описанный способ является очень трудоемким, поскольку до и после гидрофобизации триметилхлорсиланом гель нужно промывать апротонными растворителями. Недостатком также является выделяющаяся при гидрофобизации соляная кислота, которая, например, повреждала бы волокна минеральной ваты.

Патентный документ DE-OS-196 48 798 описывает способ получения модифицированных органическими соединениями аэрогелей посредством поверхностного модифицирования водного геля (без предшествующей смены растворителя) и последующего высушивания. В качестве силилирующего реагента предпочтительно применяется гексаметилдисилоксан (HMDSO). При этом может присутствовать также еще и основание или кислота в качестве катализатора реакции гидрофобизации. Предпочтительными кислотами являются соляная, серная, фосфорная, плавиковая, щавелевая, уксусная или муравьиная кислота, причем, однако, предпочтительна соляная кислота. Перед сушкой силилированный гель может быть при необходимости промыт протонным или апротонным растворителем. Согласно указаниям патентного документа DE-OS-196 48 798, образованный гель предпочтительно высушивается в субкритических условиях. Поскольку согласно указаниям патентного документа DE-OS-196 48 798 можно полностью отказаться от применения органических растворителей, все доступные для используемого силилирующего реагента SiOH-группы реагируют с силилирующим реагентом. Тем самым, согласно патентному документу DE-OS-196 48 798, может достигаться очень высокая степень покрытия внутренних поверхностей гидрогеля.

Патентный документ WO 2013/053951 раскрывает способ получения ксерогеля с теплопроводностью между 5 и 25 мВт/мК, в котором в первой технологической стадии золь заливается в реактор, в котором был заранее размещен волокнистый армирующий материал. Затем золь подвергается гелеобразованию, вызреванию и гидрофобизации. После этого гидрофобизированный алкогель сначала предварительно высушивается при температурах до 80°C, и затем окончательно высушивается в субкритических условиях и температурах >100°C, и предпочтительно между 120°С и 140°С, вплоть до остаточного содержания спирта <3%. Согласно одному эксперименту (Пример 3), предварительное высушивание является абсолютно необходимым, чтобы получить материал с теплопроводностью менее 25 мВт/мК. В описанном способе все технологические стадии, вплоть до последней указанной технологической стадии, могут быть проведены в одном и том же реакторе. При этом важно то, что внутренние стенки отстоят друг от друга на расстояние 70 мм или менее. Если выбираются бóльшие расстояния между стенками, тогда полученные армированные волокнами ксерогели имеют теплопроводность >25 мВт/мК.

Образованный во второй технологической стадии алкогель имеет содержание спирта между 15 вес.% и 90 вес.% относительно веса прежнего золя. Гидрофобизация предпочтительно с использованием HMDSO (гексаметилдисилоксана) проводится в присутствии соляной кислоты при значении рН между 1 и 3. В качестве альтернативы применению соляной кислоты предлагается муравьиная кислота.

Патент США № 5,746,992 относится к получению кремниевых аэрогелей. В способе получения спирт удаляется из алкогеля в субкритических условиях. Согласно одному варианту исполнения, происходит гидролиз тетраэтоксисилана в две стадии: в первой стадии тетраэтоксисилан, метанол, немного воды и соляная кислота смешиваются друг с другом в стеклянном резервуаре, стеклянный резервуар закупоривается и выдерживается в течение 24 часов при температуре 60°С. На протяжении этого времени тетраэтоксисилан частично гидролизуется в кислотных условиях. После этого смесь подщелачивается добавлением водного/спиртового раствора аммиака, и еще раз выдерживается в течение 24 часов при температуре 60°С, чтобы достигался вторичный гидролиз в оснóвных условиях. В этих условиях получается прозрачный гель кремниевой кислоты, который после высушивания в печи имел внутреннюю пористость частиц 74 процента. Согласно патенту US 5,746,992, гидрофобизация геля не предусматривается.

Патентный документ WO 2015/014813 раскрывает способ получения аэрогелевых материалов, который подобен способу патентного документа WO 2013/053951. Как в уже описанном патентном документе WO 2013/053951, сначала в спиртовой среде получается алкогель, который вводится в реакцию с активируемым в условиях кислотного катализа гидрофобизирующим реагентом, в данном случае HMDSO. Новым сравнительно с патентным документом WO 2012/053951 является то, что гидрофобизирующий реагент HMDSO добавляется к золю оксида кремния уже в первой технологической стадии. Объемная доля гидрофобизирующего реагента в золе при этом составляет от 3 до 80%. Он активируется лишь после образования геля, который необязательно может быть подвергнут вызреванию, высвобождением или добавлением по меньшей мере одного взаимодействующего с гидрофобизирующим реагентом катализатора гидрофобизации.

Патентный документ WO 2015/014813 описывает пример исполнения для получения гранулята, который отличается тем, что образованный и состаренный гель механически измельчается, затем переносится в закрытый резервуар под давлением, и с помощью HCl в присутствии HMDSO подвергается гидрофобизации, и затем сначала высушивается на транспортерной ленте при температуре 50°С, и после этого окончательно высушивается при температуре 150°С.

В дополнительном примере изготавливается панель из аэрогелевого изоляционного материала, для чего спиртовый раствор полиэтоксидисилоксанового золя с 22%-ным содержанием SiO2 и HMDSO вводится во взаимодействие с реагентом замедленного высвобождения, к которому добавлены 10% HCl. После добавления раствора аммиака перемешиваемый золь помещается в контурную форму, в которую предварительно был уложен волокнистый мат из сложнополиэфирного нетканого материала. После 5-часового вызревания гелевая панель поднимается из контурной формы и помещается в закрытый сосуд на 24 часа при температуре 65°С и подвергается гидрофобизации. При этой температуре HCl выделяется из микрокапсул и активирует присутствующий HMDSO. Затем сосуд открывается, и гелевая панель высушивается сначала при температуре 50°С, и затем при 130°С.

Патентный документ WO 2013/05395 раскрывает резервуар, который служит для помещения твердых частиц катализатора и размещается в области дистилляционной колонны. Резервуар имеет перфорированную донную пластину, которая соединена с периферийной боковой стенкой, чтобы принимать твердые частицы катализатора во внутреннее пространство резервуара и обеспечивать протекание жидкости через дно резервуара. Кроме того, резервуар имеет кожух резервуара, чтобы аккумулировать жидкость, причем кожух резервуара соединен с периферийной боковой стенкой и покрывает внутреннее пространство. Кожух резервуара имеет перфорированную пластину, чтобы обеспечивать протекание жидкости от кожуха резервуара в зону каталитической реакции.

Патент США № 5,679,312 раскрывает устройство реакционного отпаривания для непрерывного проведения химических реакций с отделением реактантов по меньшей мере от одного из продуктов реакции в реакторной колонне с многочисленными предусмотренными в ней перфорированными пластинчатыми перегородками, которые соединены с многочисленными перепускными трубами. Часть каждой перепускной трубы, часть боковой стенки реакторной колонны и одна из перфорированных пластинчатых перегородок совместно образуют камеру. Впускные каналы в верхней части и вдоль боковой стенки реакторной колонны поверх самой нижней пластинчатой перегородки служат для подведения жидких реактантов. Впускной канал и выпускной канал, которые предусмотрены в нижней части реакторной колонны, служат для подачи потока инертного газа и, соответственно, выведения реакционной смеси. На верхней части реакторной колонны предусмотрен выпускной канал для отведения потока инертного газа по меньшей мере с одним низкокипящим продуктом реакции из реакционной смеси.

Американская патентная заявка № 2006/260927 раскрывает устройство и способ для непрерывной каталитической реакционной дистилляции и для поточной регенерации твердого катализатора на носителе с использованием устройства для каталитической реакционной дистилляции. Оно имеет дистилляционную колонну, которая разделена перегородкой на первую и вторую функциональные части. На нижней первой части через питающий трубопровод и отводящий трубопровод подсоединен испаритель, чтобы нагревать исходный материал для испарения. Однако испарение может проводиться также нагнетанием острого пара, или же может выполняться, по меньшей мере частично, подачей испаренного материала. Кроме того, в первой части предусмотрено устройство для паро-жидкостного контактирования. В зависимости от варианта применения, в первой части также могут предусматриваться еще отверстие для подведения продукта и отверстие для выведения продукта. Вторая функциональная часть дистилляционной колонны через паропровод присоединена к внешнему конденсатору, чтобы удалять пар, причем, однако, конденсат по трубопроводу направляется обратно во вторую часть дистилляционной колонны. Как первая часть, так и вторая часть могут иметь устройство для паро-жидкостного контактирования. Кроме того, с функциональной второй частью соединены по меньшей мере один патрубок паропровода и по меньшей мере один патрубок для подачи жидкости.

По меньшей мере с одним патрубком паропровода и по меньшей мере одним патрубком для подачи жидкости первой функциональной части соединен каталитический дистилляционный реактор. По меньшей мере один каталитический дистилляционный реактор заполнен первым твердым катализатором на носителе. По меньшей мере с одним каталитическим дистилляционным реактором также соединены по меньшей мере один паропровод и по меньшей мере один соединительный канал для жидкости функциональной второй части дистилляционной колонны. Регенератор катализатора, который посредством соответствующих трубопроводов соединен с каталитическим дистилляционным реактором, служит для регенерации использованного катализатора.

Патентный документ EP-A-1 690 849 описывает способ и устройство для получения сложных эфиров карбоновых кислот путем реакционной дистилляции. Система включает первую дистилляционную колонну, перед которой присоединен предреактор, и присоединенную после нее вторую дистилляционную колонну. В предреакторе проводится первая стадия этерификации без разделения веществ. Впускной канал предреактора через перепускные трубопроводы соединен с первой колонной и/или второй колонной, а именно, через перепускной трубопровод для органической фазы первого головного продукта и, соответственно, для дистиллята второго головного продукта.

Задача изобретения

Задача настоящего изобретения состоит в предложении системы и способа для получения аэрогелевого волокнистого композитного материала, которые позволяют по возможности экономично получать композитный материал в промышленном масштабе. В частности, время, которое затрачивается на получение аэрогелевых композитных панелей, должно быть настолько коротким, насколько возможно. Также эксплуатация должна быть по возможности простой, и расход средств в форме реагентов и растворителей должен быть настолько малым, насколько только возможно. Аэрогелевый материал (без волокнистой матрицы) должен иметь пористость >80%, предпочтительно >90%, и в особенности предпочтительно >92%, и плотность <0,2 г/мл, и предпочтительно 0,15 г/мл, и в особенности предпочтительно <0,12 г/мл. Дополнительная цель состоит в создании аэрогелевого композитного материала, который также может содержать чувствительные к кислотам волокна, например, такие как волокна минеральной ваты. Цель состоит в получении в распоряжение волокнистого аэрогелевого композитного материала с теплопроводностью λ <20 мВт/мК, и предпочтительно <16 мВт/мК, который может изготавливаться в промышленном масштабе.

Описание изобретения

Изобретение относится к способу получения аэрогеля, в котором первоначально получается силикатный золь, для чего органосилановое соединение, например, тетраэтоксисилан (TEOS), подвергается гидролизу в кислотных или щелочных условиях, затем создается гель, для чего к золю добавляется основание, и после этого образовавшийся гель подвергается вызреванию. После вызревания выполняется гидрофобизация геля посредством силилирующего реагента в присутствии кислоты в качестве катализатора, и после этого проводится высушивание геля, предпочтительно сушкой в субкритических условиях.

В рамках настоящего изобретения под аэрогелем следует понимать высокопористые твердые материалы, в частности, материалы на силикатной основе, независимо от способа сушки. В этом смысле в данном случае под термином «аэрогель» также обобщенно подразумеваются ксерогели и лиогели, причем полученные в соответствии с соответствующим изобретению способом пористые гели правильнее было бы называть ксерогелями.

Согласно изобретению, задача решается посредством системы соответственно родовому понятию пункта 1 формулы изобретения, которая отличается тем, что:

h) реакционный резервуар оснащен крышкой,

i) в реакционном резервуаре предусмотрен съемный короб для приема множества волокнистых матов, и

j) предусматривается множество пластин, чтобы удерживать волокнистые маты на расстоянии друг от друга.

Соответствующая изобретению система имеет то преимущество, что она пригодна для промышленного производства аэрогелевых волокнистых матов, и существенные реакционные стадии могут проводиться в одном и том же реакторе. В реакционном резервуаре могут быть одновременно размещены множество волокнистых матов. В процессе изготовления они удерживаются на расстоянии друг от друга пластинами. После гелеобразования и гидрофобизации пластины удаляются так, что между аэрогелевыми изоляционными панелями образуются полые промежутки, через которые может вдуваться горячий воздух.

На реакционном резервуаре предпочтительно предусматривается теплообменное устройство, чтобы нагревать или охлаждать реактор и, соответственно, содержимое реактора до заданной температуры. Это имеет то преимущество, что содержимое реактора может быстро нагрето до заданной температуры.

Согласно предпочтительному варианту исполнения, на реакционном резервуаре предусматривается патрубок для вдувания сушильного газа, к которому присоединен подводящий трубопровод для сушильного газа и сообщается с нагревательным устройством. Кроме того, на реакционном резервуаре предусматривается отводящий трубопровод для сушильного газа, который сообщается с теплообменником. Может быть предусмотрен вентилятор или насос для того, чтобы вдувать или засасывать сушильный газ в реакционный резервуар.

Теплообменник предпочтительно сообщается с реактором через рециркуляционный трубопровод. Это значит, что сушильный газ предпочтительно вовлекается в рециркуляционный контур, причем увлеченные с горячим сушильным газом летучие вещества (растворители и реагенты) целесообразным путем отделяются конденсацией. После конденсации сушильный газ опять нагревается до желательной температуры и опять вводится в реактор.

Для облегчения эксплуатации в реакционном резервуаре предпочтительно предусматривается съемный короб, в котором размещаются волокнистые маты для изготовления композитных панелей. Применение съемных коробов имеет то преимущество, что может быть загружен и подготовлен второй съемный короб с волокнистыми матами, в то время как первый съемный короб еще находится в реакционном резервуаре. Этот способ сушки оказался особенно благоприятным, так как можно отказаться от предварительного высушивания, каковая в прототипе рассматривается как необходимая. Также возможно, что сушка проводится при пониженном давлении.

Чтобы еще больше сократить требуемую продолжительность изготовления аэрогелевых изоляционных панелей, предпочтительно предусматривается оснащенный мешалкой смеситель/осадитель, который соединяется трубопроводом, с одной стороны, с реакционным резервуаром, и, с другой стороны, другим трубопроводом с емкостью для растворителя. Благодаря наличию смесителя/осадителя в реакционном резервуаре уже может протекать следующая технологическая стадия, когда в то же время перерабатывается содержимое смесителя/осадителя. Очищенный растворитель или реагент затем может быть опять использован в следующей технологической стадии.

Смеситель/осадитель предпочтительно сообщается через трубопровод с дистилляционным устройством так, что содержимое смесителя/осадителя может быть впоследствии переработано дистилляцией. Очищенный растворитель тем самым может быть опять возвращен в ту же самую емкость.

Смеситель/осадитель предпочтительно сообщается через дополнительный трубопровод с емкостью для гидрофобизирующего реагента. Тем самым неиспользованный гидрофобизирующий реагент может быть опять применен в следующем периодическом процессе.

Предметом настоящего изобретения также является система согласно родовому понятию пункта 9 формулы изобретения, которая отличается тем, что реакционный резервуар через рециркуляционные трубопроводы непосредственно или опосредовано/косвенно сообщается, с одной стороны, с емкостью для растворителя и с емкостью для гидрофобизирующего реагента. Эта система имеет то преимущество, что она обеспечивает возможность рационального промышленного производства монолитных аэрогелевых изоляционных панелей. Благодаря тому, что сводится к минимуму расход растворителей и реагентов, могут удерживаться низкими затраты на процесс изготовления.

Дополнительным предметом настоящего изобретения является способ изготовления армированной волокном аэрогелевой панели согласно родовому понятию пункта 11 формулы изобретения, который отличается тем, что первоначально множество волокнистых матов и соответствующее число промежуточных пластин попеременно размещаются в реакционном резервуаре так, что два волокнистых мата отделены в каждом случае друг от друга промежуточной пластиной, что в реакционный резервуар вводится силикатный золь, и начинается гелеобразование, необязательно гель подвергается вызреванию, и что после гелеобразования и необязательного вызревания геля реакционный раствор сливается, промежуточные пластины удаляются, и армированные волокном аэрогелевые панели высушиваются при температуре >100°С.

Соответствующий изобретению способ имеет существенное для промышленного процесса преимущество в том, что за один раз изготавливается большее число аэрогелевых волокнистых панелей, и аэрогелевые волокнистые маты могут быть высушены в реакционном резервуаре.

Соседние волокнистые маты предпочтительно размещаются на расстоянии друг от друга по меньшей мере 10 мм, предпочтительно по меньшей мере 20 мм, и в особенности предпочтительно по меньшей мере 30 мм. Это имеет то преимущество, что имеются промежутки для продувания потоком горячего воздуха, и аэрогелевые изоляционные панели могут быть высушены in-situ. Тем самым не требуется никакая дополнительная стадия перемещения вручную.

Волокнистые маты целесообразным путем размещаются в съемном коробе, который выполнен с возможностью посадки в реакционный резервуар. При этом между съемным коробом и внутренней стенкой реактора остается по возможности малое неиспользуемое пространство. Съемный короб должен по возможности полностью заполнять внутреннее пространство резервуара так, что не имеются никакие неиспользуемые мертвые зоны. Тем самым при минимальном количестве растворителя и реагентов может быть изготовлено большее число аэрогелевых волокнистых панелей.

Согласно особенно предпочтительному варианту исполнения способа, высушивание армированных волокном аэрогелевых панелей выполняется непосредственно в реакционном резервуаре. Это имеет то преимущество, что не требуется дополнительное манипулирование с аэрогелевыми изоляционными панелями. Высушивание предпочтительно производится продуванием горячего воздуха через реакционный резервуар. Это представляет собой эффективный способ, в частности, когда сушка выполняется при температурах >120°C, предпочтительно >130°C, и особенно предпочтительно при температурах между 140°С и 160°С. В отличие от прототипа, можно отказаться от предварительного высушивания, что значительно сокращает продолжительность изготовления партии аэрогелевых изоляционных панелей. Для сушки армированных волокном аэрогелевых панелей горячий сушильный газ пропускается через реактор в течение по меньшей мере пяти, предпочтительно в течение по меньшей мере десяти, и в особенности предпочтительно в течение по меньшей мере 15 часов. В то время как сушильный газ к началу процесса сушки в реакторе еще сильно охлаждается, реактор и его содержимое после трех-пяти часов разогреваются до температуры горячего сушильного газа. Сушильный газ предпочтительно вовлекается в рециркуляцию, и захваченные горячим сушильным газом летучие вещества непрерывно конденсируются так, что вновь подаваемый сушильный газ опять может поглощать растворитель и летучие реагенты.

Гелеобразование, гидрофобизация и высушивание (стадии b, c и d) предпочтительно проводятся в одном и том же реакторе. Это является особенно эффективным, так как можно отказаться от занимающей много времени стадии транспортирования между отдельными технологическими стадиями. Также экономится ценная производственная площадь, когда все технологические стадии могут выполняться в одном и том же резервуаре.

Гидрофобизация предпочтительно проводится в присутствии азотной кислоты. Азотная кислота имеет то преимущество, что она неожиданно оказалась совместимой с волокнами минеральной ваты, что не было предсказуемым. В качестве предпочтительного гидрофобизирующего реагента применяется гексаметилдисилоксан (HMDSO).

Хотя вследствие заключительной стадии сушки в общем делались попытки выдерживать содержание воды настолько низким, насколько возможно, к удивлению авторов настоящего изобретения оказалось, что особенно предпочтительной является доля воды (по объему) по меньшей мере 4%, и предпочтительно по меньшей мере 7%. Хотя вода непосредственно не участвует в реакции гидрофобизации, качество изготовленных аэрогелевых изоляционных панелей является более высоким, когда присутствует вода. Неожиданно удается провести гидрофобизацию даже тогда, когда массовое содержание гидрофобизирующего реагента составляет по меньшей мере 50%.

Значение рН при гидрофобизации предпочтительно регулируется на величину между 1 и 7, предпочтительно между 1 и 5, и в особенности предпочтительно между 1 и 3. В кислотном диапазоне при рН около 2 HMDSO быстро реагирует с еще свободными Si-OH-группами.

Для отдельных технологических стадий способа изготовления предпочтительно используется этанол. Этанол может быть приобретен с оптимальными затратами и может быть легко удален из аэрогеля.

Силикатный золь предпочтительно получается гидролизом алкоксисиланов или гидроксиалкоксисиланов, предпочтительно из тетраэтоксисилана (TEOS) или триметилхлорсилана. Применение TEOS имеет то преимущество, что он растворим в спирте, например, EtOH. Соответственно изготовление золя может быть проведено в спирте, спиртовой или спиртосодержащей смеси растворителей, что для способа является благоприятным, так как меньшее количество воды присутствует в порах образуемого позже геля. В отношении такой спиртовой смеси растворителей должна подразумеваться смесь, в которой спирт является основным компонентом, и предпочтительно имеет объемное содержание >90 об.%, и в особенности предпочтительно >95 об.%. Напротив, под спиртосодержащей смесью растворителей следует понимать такую, в которой объемная доля в процентах спирта или спиртов составляет <50 об.%, и предпочтительно <40 об.%.

Согласно особенно предпочтительному варианту способа, используется предварительно гидролизованный золь. Тем самым процесс формирования геля может быть существенно сокращен. Предварительно гидролизованные золи стабильны и пригодны к хранению, и имеются в продаже на рынке. Они также могут непрерывно получаться в параллельном процессе изготовления.

Предпочтительно применяются предварительно гидролизованные золи, которые присутствуют в спирте, предпочтительно EtOH, в количестве между 5% и 30% (по массе) SiO2, и предпочтительно между 10% и 25% (по массе) SiO2, и особенно предпочтительно между 15% и 20% (по массе) SiO2.

Получение золя может быть проведено гидролизом тетраэтоксисилана (TEOS), который введен в растворитель, предпочтительно EtOH.

Гелеобразование целесообразным путем выполняется в температурном интервале между 30°С до 80°С, предпочтительно между 50°С и 75°С, и в особенности предпочтительно между 60°С и 70°С.

Гидролиз, гелеобразование и гидрофобизация предпочтительно проводятся по существу в спиртовом растворителе, предпочтительно EtOH, причем содержание воды целесообразным путем составляет менее 20 об.%, предпочтительно менее 10 об.%, и особенно предпочтительно менее 5 об.%. Было обнаружено, что небольшое содержание воды оказывает положительное влияние на качество и размеры частиц полученного аэрогеля.

Путем оптимизации отдельных технологических стадий неожиданно оказалось возможным проводить гидрофобизацию без прежней смены растворителей. Это обеспечивает большое преимущество в том, что, с одной стороны, способ исполняется быстрее, и, с другой стороны, расходуется меньшие количества растворителей.

В принципе допустимо, что силилирующий реагент добавляется уже в технологической стадии а). Это возможно тогда, когда, например, используется стабильный в щелочах силилирующий реагент, и получение золя и гелеобразование проводится в щелочной среде. Пригодным устойчивым к щелочам является, например, HMDSO.

Дополнительным предметом настоящего изобретения является аэрогелевый волокнистый композитный материал, получаемый тем, что полученный согласно описанному способу золь смешивается с волокнами минеральной ваты. Аэрогелевый волокнистый композитный материал имеет пористость >90% и теплопроводность <18 мВт/мК. Неожиданно минеральные волокна во время изготовления не обнаруживают заметного растворения, что не могло ожидаться на основе известной чувствительности волокон минеральной ваты к кислотам.

Хотя в принципе для получения композитного материала могут быть использованы также стеклянные волокна, предпочтительно применяются волокна минеральной ваты. Волокна минеральной ваты, сравнительно со стеклянными волокнами, имеют то преимущество, что их огнестойкость является значительно лучшей.

Изобретение более подробно разъясняется посредством нижеследующих примеров осуществления. Как показано,

Фиг. 1 схематически представляет промышленную установку с реакционным резервуаром, различными емкостями для принятия необходимых реагентов и растворителей, для изготовления армированных волокном аэрогелевых панелей;

Фиг. 2 представляет пример исполнения реакционного резервуара, состоящего из ванны предпочтительно с двойными стенками, крышкой для закрывания ванны; и многочисленными размещенными в резервуаре съемными коробами для одновременного размещения и транспортирования множества волокнистых матов;

Фиг. 3 представляет отдельный пустой съемный короб согласно Фиг. 2;

Фиг. 4 представляет загруженный многочисленными волокнистыми матами и промежуточными пластинами съемный короб;

Фиг. 5 представляет внутреннюю ванну реакционного резервуара из Фиг. 2; и

Фиг. 6 представляет наружный корпус ванны из Фиг. 2.

Фигура 1 схематически показывает промышленную установку/систему для изготовления аэрогелевых панелей, с реакционным резервуаром 11, различными емкостями 13, 15, 17, 19, 21, 23 и 25 для размещения/приема реагентов и растворителей для проведения реакции, а также с резервуарами 27, 29 и 31 для получения реакционных смесей и промежуточного хранения частично использованных реакционных растворов. Емкости, реакционные и смесительные резервуары соединены друг с другом трубопроводами 37-63 так, что могут быть приготовлены необходимые реакционные смеси. Более конкретно, различаются следующие резервуары и трубопроводы:

реакционный резервуар 11,

емкость 13 для органосиланового соединения (TEOS)

емкость 15 для растворителя (EtOH)

емкость 17 для воды

емкость 19 для серной кислоты (H2SO4)

емкость 21 для водного раствора аммиака (NH4OH),

емкость 23 для гидрофобизирующего реагента (HMDSO),

емкость 25 для азотной кислоты (HNO3),

смесительный резервуар 27 для получения спиртового раствора TEOS,

смесительный резервуар 29 для получения разбавленной смеси из EtOH и H2SO4,

смесительный резервуар 31 для получения разбавленного раствора аммиака,

реакционный бак 33 для получения золя,

соединительный трубопровод 34 между реакционным баком 33 и смесительным резервуаром 27

соединительный трубопровод 35 между реакционным баком 33 и смесительным резервуаром 29

резервуар 36 для промежуточного хранения частично использованной реакционной смеси,

трубопровод 37 для соединения емкости 13 со смесительным резервуаром 27,

трубопровод 39 для соединения емкости 15 со смесительным резервуаром 27,

трубопровод 41 для соединения емкости 15 со смесительным резервуаром 31,

трубопровод 43 для соединения емкости 15 со смесительным резервуаром 29,

трубопровод 45 для соединения емкости 17 с реакционным баком 33,

трубопровод 47 для соединения емкости 19 со смесительным резервуаром 29,

трубопровод 49 для соединения емкости 21 с реактором 11,

трубопровод 51 для соединения емкости 23 с реактором 11,

трубопровод 53 для соединения емкости 25 со смесительным резервуаром 31,

трубопровод 55 для соединения реакционного бака 33 с реактором 11,

трубопровод 57 для соединения смесительного резервуара 31 с реактором 11,

трубопровод 59 для соединения реактора 11 с промежуточным резервуаром 35,

трубопровод 61 для соединения промежуточного резервуара 35 с емкостью 15,

трубопровод 63 для соединения промежуточного резервуара 35 с емкостью 23,

отводящий трубопровод 65 для остатков,

насос 67,

первый теплообменник 69

подводящий трубопровод 71 для сушильного газа,

источник 73 тепла в подводящем трубопроводе 71,

отводящий трубопровод 75 для сушильного газа,

насос 77

теплообменник 79

Основной частью схематически представленной технологической системы согласно Фигуре 1 является реакционный резервуар 11. Посредством контуров 67, 68, 69 нагревания/охлаждения он может быть нагрет до заданной температуры, обычно от 60 до 80°С, и поддерживаться при этой температуре. К реакционному резервуару присоединен подводящий трубопровод 71, через который в реакционный резервуар 11 может вдуваться сушильный газ, предпочтительно воздух. В подводящий трубопровод 71 встроен источник 73 тепла, который позволяет нагревать газ, соответственно, воздух, до температуры приблизительно 200°С, предпочтительно приблизительно около 150°С. Для отведения воздуха предусмотрен отводящий трубопровод 75. Он сообщается с насосом 77 для всасывания сушильного газа. В отводящем трубопроводе 75 предусмотрен теплообменник 79, с помощью которого конденсируется бóльшая часть увлеченного сушильным газом растворителя. Остальное количество увлеченного сушильным газом растворителя осаждается в насосе 77, предпочтительно циклонном сепараторе. Затем высушенный сушильный газ опять подается в подводящий трубопровод 71.

Реакционный резервуар 11 через соединительный трубопровод 55 сообщается с реакционным баком 33. Реакционный бак 33 служит для получения золя, и опять же через соединительные трубопроводы 34, 35 сообщается, с одной стороны, со смесительным резервуаром 27 и, с другой стороны, со смесительным резервуаром 29. В смесительный резервуар 27 впадает, с одной стороны, соединительный трубопровод 37, который сообщается с емкостью 13 для TEOS, и, с другой стороны, соединительный трубопровод 39, который сообщается с емкостью 15 для растворителя. Смесительный резервуар 29 сообщается, с одной стороны, через соединительный трубопровод 43 также с емкостью 17 для растворителя, и, с другой стороны, через соединительный трубопровод 47 с емкостью 19 для серной кислоты. При такой конфигурации резервуаров и соединительных трубопроводов может быть получен золь и переведен в реакционный резервуар 11.

Кроме того, реакционный резервуар 11 через соединительный трубопровод 57 сообщается со смесительным резервуаром 31. Смесительный резервуар 31 служит для получения разбавленного спиртового раствора азотной кислоты, и для этой цели через соединительные трубопроводы 41, 53 сообщается, с одной стороны, с емкостью 15 для растворителя, и, с другой стороны, с емкостью 25 для азотной кислоты. Посредством раствора азотной кислоты образованный в процессе изготовления гель подкисляется для последующей гидрофобизации действием HMDSO.

Подведение HMDSO в реакционный резервуар 11 выполняется через соединительный трубопровод 51, который соединяет резервуар 11 с емкостью 23 для HMDSO.

В заключение, реакционный резервуар 11 через соединительный трубопровод 49 сообщается еще и с емкостью 21 для аммиака. Раствор аммиака требуется в способе изготовления, чтобы начать гелеобразование. Необязательно может быть предусмотрен бак 50, чтобы приготавливать разбавленный раствор аммиака.

Находящиеся в реакционном резервуаре 11 реакционные растворы через трубопровод 59 могут быть выведены в резервуар 36, который служит в качестве осадителя и для промежуточного хранения. В зависимости от технологической стадии, содержимое резервуара 36 может быть направлено либо через трубопровод 63 в резервуар для HMDSO, либо через трубопровод 61 в емкость 15 для растворителя. Через трубопровод 65 содержимое также может быть направлено на утилизацию отходов. Для переработки растворителя в соединительном трубопроводе 61 предусматривается дистилляционная колонна 79, с помощью которой используемый для основного предназначения растворитель может быть отделен от других реакционных компонентов.

Реакционный резервуар 11 в показанном в Фигурах 2-6 примере исполнения служит для приема/размещения множества волокнистых пластин, и рассчитан на промышленное производство аэрогелевых композитных теплоизоляционных панелей. Реакционный резервуар 11 включает ванну 81, крышку 83 для закрывания резервуара, и множество размещенных в ванне 81 съемных коробов 85. Поэтому реакционный резервуар 11 в этом примере исполнения предпочтительно представляет собой ванну 81.

Отдельный съемный короб 85 показан в Фигуре 3. Он состоит из прямоугольной платформы 87, к которой с двух противолежащих относительно друг друга сторон примыкают стенки 89а, 89b. Стенки 89а, 89b наверху соединены распорками 91, чтобы придать съемному коробу 85 необходимую стабильность. На верхнем конце выше обеих распорок на стенках 89а, 89b сформированы проушины 93, с помощью которых съемные короба 85 могут быть подняты краном.

Фигура 4 показывает загруженный съемный короб 85. Между стенками 89а, 89b попеременно размещаются волокнистые маты 95 и промежуточные пластины 97, то есть, между двумя соседними волокнистыми матами 95 в каждом случае предусматривается одна промежуточная пластина 97. После процесса гелеобразования и гидрофобизации и удаления промежуточных пластин тем самым между волокнистыми матами 95 образуется промежуток. Через этот промежуток с целью высушивания аэрогелевых панелей мог бы пропускаться горячий сушильный газ, предпочтительно воздух. Это позволяет высушивать аэрогелевые панели непосредственно в реакционном резервуаре 11.

Ванна 81 согласно Фигурам 5 и 6 предпочтительно сформирована с двойными стенками, и состоит из внутренней ванны 99 и наружного корпуса 101. На внутренней стороне наружного корпуса предусмотрены окружные направляющие перегородки 103, которые при вставленной внутренней ванне 99 образуют спиральный канал, который проходит от впускного патрубка 105 до выпускного патрубка 107.

Для того, чтобы растворитель и воздух могли по возможности беспрепятственно протекать через реакционный резервуар, платформа 87 съемного короба 85 имеет множество перфораций 109. Также возможно, что на дне реакционного резервуара также предусматриваются направляющие перегородки или каналы, чтобы пропускать воздух в промежутках между волокнистыми изоляционными панелями.

Способ изготовления армированной волокном композитной теплоизоляционной панели исполняется следующим образом: сначала получается золь, исходя из органического органосиланового соединения. В качестве органосиланового соединения предпочтительно применяется тетраэтоксисилан (сокращенно: TEOS), который может быть с приемлемыми затратами приобретен в больших количествах. Желательное количество TEOS переносится в смесительный резервуар 27, и разбавляется определенным количеством спирта, чтобы тем самым TEOS присутствовал в желательной концентрации. В смесительный резервуар 27 предварительно помещен спирт, и растворено определенное количество серной кислоты. После этого спиртовый раствор TEOS и спиртовый раствор серной кислоты подаются в реакционный бак 33 и интенсивно перемешиваются с помощью мешалки. Чтобы начать гидролиз TEOS, через трубопровод 45 подается небольшое количество воды. При температуре от 40°С до 60°С взаимодействие длится между 1 и 6 часами до тех пор, пока не гидролизуется TEOS и не образуется золь. Полученный таким образом золь затем переносится в реактор 11, в котором заранее были размещены множество волокнистых изоляционных пластин, перемежающиеся промежуточными пластинами. Волокнистые маты и промежуточные пластины предпочтительно размещаются в съемном коробе 91, и тем самым могут быть все за один раз перенесены в реактор. Тогда в реактор 11 подается такое количество золя, чтобы волокнистые изоляционные пластины были покрыты золем. После этого реакционная смесь нагревается до температуры от около 50°С до 70°С и подщелачивается, для чего вводится соответствующее количество раствора аммиака. Как только реакционная смесь подщелачивается, немедленно начинается гелеобразование. Как правило, гелеобразование протекает в течение от 5 до 15 минут. После этого гель при той же температуре вызревает в течение 72 часов. После этого времени гелеобразование практически завершается.

После этого смесь растворителей в резервуаре 35 выводится и затем очищается, предпочтительно дистилляцией. Поскольку смесь преимущественно состоит из этанола, преобладающая часть использованного для гелеобразования этанола может быть опять выделена обратно и возвращена в емкость 15.

После выведения смеси растворителей реактор 11 заполняется HMDSO из емкости 23 до тех пор, пока волокнистые изоляционные пластины не будут покрыты раствором. После этого к смеси добавляется растворенная в этаноле азотная кислота, и значение рН устанавливается на величину между 1 и 3. Одновременно температура реактора повышается до величины от около 60°С до 78°С. В этих условиях свободные НО-группы реагируют с присутствующим в многократном избытке HMDSO, и тем самым пассивируются.

Гидрофобизация длится в зависимости от выбранной температуры в течение времени между приблизительно 1 и 5 часами (24 часа при 75°С). При температуре 75°С гидрофобизация длится между 1 и 2 часами. После того, как гидрофобизация завершилась, реакционная смесь сливается и переносится в резервуар 35. После этого реакционная смесь обрабатывается небольшим количеством воды и выдерживается в течение времени между 10 и 24 часами, пока не образуются нижняя водная фаза и верхняя, органическая фаза. Водная фаза, которая содержит соли и только частично прореагировавший HMDSO, выводится и отбрасывается. Остаток, который преимущественно состоит из HMDSO, после этого по трубопроводу 63 возвращается в емкость 23 и используется для гидрофобизации следующей загружаемой партии. Было показано, что гидрофобизация также может удовлетворительно протекать в растворителях, в которых массовая доля HMDSO составляет только всего 70%. Если реакция гидрофобизации уже больше не протекает удовлетворительно, смесь может быть подвергнута дистилляции, и выделяется практически чистый HMDSO. Согласно практическим экспериментам, при реакции гидрофобизации расходуются только между 3% и 6% введенного HMDSO. Это значит, что должны возмещаться количества только между 3% и 6% используемого HMDSO, чтобы опять получилось прежнее количество HMDSO. В общем и целом, способ изготовления весьма технологически оптимизирован, так как образуются лишь незначительные побочные продукты. Предпочтительно применяемый растворитель EtOH может быть по большей части использован опять. Кислоты HNO3 и H2SO4 расходуются только в каталитических количествах, и остальные органические реагенты HMDSO и TEOS по большей части преобразуются при гидролизе и, соответственно, гидрофобизации, или могут быть применены в последующей реакции.

Прекурсор P75E20:

Изготовление партии полуфабриката

При комнатной температуре (RT) подается TEOS в количестве 77,3 л (72,7 кг), при перемешивании со скоростью 600 об/мин добавляются 16,6 л (13,1 кг) этанола (=MIX A)

В маленький питающий бак помещаются 16,6 л (13,1 кг) этанола, добавляются 32,9 мл (60,5 г) 95-98%-ной по массе H₂SO₄, (=MIX B), реакция является экзотермической (~30-35°C)

MIX B добавляется к MIX A в течение 1 часа при комнатной температуре (RT) с перемешиванием со скоростью 600 об/мин

Добавляются 9,4 л (9,4 кг) H2O в течение 2 часов при RT и с перемешиванием со скоростью 600 об/мин

Прекурсор расфасовывается и хранится, всего полуфабриката 119,93 л

Получение золя

Вводятся 47,1 л (42,9 кг) P75E20, или прекурсора, или полуфабриката, при перемешивании при RT со скоростью 600 об/мин добавляются 113,8 л (89,8 кг) этанола, скорость перемешивание увеличивается до 900 об/мин, и золь кондиционируется при температуре 45°С.

Активированное преобразование золя в гель

При Tmax. отключается нагревание, и добавляется раствор основания (активация, инициатор, корректирование величины pH соответственно H2SO4 (Precursor))

Раствор основания: 5,1 л H2O+0,4 л 28-30%-ного по массе NH4OH: всего 5,5 л раствора основания (0,54 M)

Изготовление аэрогелевого волокнистого композитного материала

47,1 л предварительно гидролизованного золя (предварительно гидролизованного на 75%; 20%-ное (по массе) содержание SiO₂) в EtOH (абсолютированном) разбавляются несколько бóльшим, чем удвоенным количеством этанола (113,8 л), и при перемешивании (900 об/мин) доводятся до однородного состояния. Одновременно смесь нагревается приблизительно до 45°С. Как только была установлена температура и гомогенизирована смесь, к золю добавляется водный NH₄OH-раствор (0,4 л водного основания+5,1 л H2O (около 5 л; 0,55 M)), кратковременно гомогенизируется, и после этого переносится в оснащенный температурным датчиком реактор 11, в который уже введены множество матов из минеральных волокон с удельным весом между 40 кг/м3 и 70 кг/м3. После этого содержимое резервуара нагревается до около 65°С, и смесь выдерживается для вызревания. Вызревание геля проводится в течение времени между 6 и 96 часами, предпочтительно между 24 и 84 часами, и в особенности предпочтительно в течение приблизительно 48-72 часов. После гелеобразования растворитель сливается, переводится в резервуар 35 и перерабатывается посредством дистилляции.

Реактор 11 после этого заполняется таким количеством HMDSO, чтобы волокнистые маты были покрыты, и нагревается до температуры около 75°С. Гель подвергается гидрофобизации в том же резервуаре добавлением избыточного количества HMDSO (в данном случае около 70 л от 60% до 98% (по массе) HMDSO (+HNO3 в растворе EtOH) и около 5 л по существу спиртового раствора HNO3 (примерно от 4 до 9% по массе) в течение 24 часов при температуре 75°C в динамическом режиме, то есть, в условиях циркуляции жидкостной фазы.

После охлаждения частично израсходованный гидрофобизирующий раствор переводится в смеситель/осадитель 35, и разбавляется небольшим количеством воды (около 10% объема присутствующего растворителя). После выдерживания затем образуются 2 фазы, водная, нижняя фаза, которая может быть отброшена, и органическая, верхняя фаза, которая содержит HMDOS и может быть использована в следующей загрузке исходного материала.

Как только был выведен частично израсходованный раствор HMDSO, промежуточные пластины 97 удаляются, и сразу же по трубопроводу 77 в реакционный резервуар 11 нагнетается нагретый до около 150°C горячий воздух. Через подсоединенный к крышке 83 резервуара трубопровод 75 из реактора 11 выводится насыщенный растворителем и HMDSO воздух. В циклонном сепараторе 77 затем растворитель, HMDSO и вода конденсируются после того, как воздух прежде всего был несколько охлажден пропусканием через теплообменник 79. К удивлению авторов настоящего изобретения, волокнистые маты могли быть высушены сразу же горячим воздухом с температурой между 100 и 150°C, предпочтительно около 150°C, без того, чтобы вследствие этого были бы ломкими или опавшими, или претерпевшими существенную усадку. Воздух после отделения конденсата летучих компонентов (растворителя и HMDSO) предпочтительно опять нагревается, и после этого вновь направляется в реактор.

В смесителе/осадителе 36 к использованному гидрофобизирующему раствору добавляются примерно 10 об.% воды, и смесь интенсивно перемешивается в течение времени от 10 до 30 минут. После этого смесь может быть оставлена стоять в течение ночи, причем на дне осаждается водная фаза. Водная фаза отделяется и отбрасывается. Переработанный гидрофобизирующий раствор после этого мог быть, при необходимости после концентрирования HMDSO, опять использован в следующей загруженной партии.

Настоящее изобретение относится к системе и способу изготовления аэрогелевого композитного материала. Система отличается тем, что она имеет реакционный резервуар со съемными коробами для размещения/приема множества волокнистых матов, и предусматриваются множество пластин, чтобы удерживать волокнистые маты на расстоянии друг от друга. После удаления пластин между аэрогелевыми изоляционными панелями имеются промежутки, через которые может проводиться сушка горячим сушильным воздухом. Способ имеет то преимущество, что минимальны количества утилизируемых растворителей и реагентов, и также не требуются трудоемкие процессы переработки.

Список ссылочных позиций:

11 реактор

13 емкость для органосиланового соединения (TEOS)

15 емкость для растворителя (EtOH)

17 емкость для воды

19 емкость для серной кислоты (H2SO4)

21 емкость для водного раствора аммиака (NH4OH)

23 емкость для гидрофобизирующего реагента(HMDSO)

25 емкость для азотной кислоты (HNO3)

27 смесительный резервуар для получения спиртового раствора (TEOS)

29 смесительный резервуар для получения разбавленной смеси из EtOH и H2SO4

31 смесительный резервуар для получения разбавленного раствора азотной кислоты

33 реакционный бак для получения золя

34 соединительный трубопровод между смесительным резервуаром 27 и реакционным баком 33

35 соединительный трубопровод между смесительным резервуаром 29 и реакционным баком 33

36 резервуар для промежуточного хранения частично использованной реакционной смеси

37 трубопровод для соединения емкости 13 со смесительным резервуаром 27

39 трубопровод для соединения емкости 15 со смесительным резервуаром 27

41 трубопровод для соединения емкости 15 со смесительным резервуаром 31

43 трубопровод для соединения емкости 15 со смесительным резервуаром 29

45 трубопровод для соединения емкости 17 с реакционным баком 33

47 трубопровод для соединения емкости 19 со смесительным резервуаром 29

49 трубопровод для соединения емкости 21 с реактором 11

51 трубопровод для соединения емкости 23 с реактором 11

53 трубопровод для соединения емкости 25 со смесительным резервуаром 31

55 трубопровод для соединения реакционного бака 33 с реактором 11

57 трубопровод для соединения смесительного резервуара 31 с реактором 11

59 трубопровод для соединения реактора 11 с промежуточным резервуаром 35

61 трубопровод для соединения промежуточного резервуара 35 с емкостью 15

63 трубопровод для соединения промежуточного резервуара 35 с емкостью 23

65 отводящий трубопровод для остатков

67 насос

69 теплообменник

71 подводящий трубопровод для сушильного газа

73 источник тепла в подводящем трубопроводе 77

75 отводящий трубопровод

77 насос

79 дистилляционная колонна

81 ванна

83 крышка

85 (U-образный) съемный короб

87 платформа (дно)

89а, 89b стенки съемного короба

91 съемный короб

93 проушины

95 волокнистые маты

97 промежуточные пластины

99 внутренняя ванна

101 наружный корпус

103 направляющие перегородки

105 впускной патрубок

107 выпускной патрубок

109 перфорации в дне съемного короба

Изобретение относится к области композитных материалов. Система для промышленного изготовления армированной волокном аэрогелевой панели содержит реакционный резервуар с выполненным с возможностью перемещения коробом для приема множества волокнистых матов. Система также предусматривает множество пластин для удержания волокнистых матов на расстоянии друг от друга. Способ изготовления армированной волокном аэрогелевой панели включает получение силикатного золя. Далее попеременно размещают множество волокнистых матов и соответствующее количество промежуточных пластин в реакционном резервуаре. Затем силикатный золь вводят в реакционный резервуар и начинают гелеобразование. После гелеобразования сливают реакционный раствор и удаляют промежуточные пластины. Сформированные армированные волокном аэрогелевые панели высушивают. Изобретение позволяет минимизировать количество утилизируемых растворителей и исключает трудоемкие процессы переработки. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Система для промышленного изготовления армированной волокном аэрогелевой панели, содержащая

а) емкость (15) для растворителя,

b) емкость (13) для органосиланового соединения,

с) емкость (23) для гидрофобизирующего реагента,

d) емкость (19) для кислоты,

е) емкость (21) для основания,

f) реакционный резервуар (11) для приема множества волокнистых матов,

g) соединительные трубопроводы между емкостями (13, 15, 19, 21, 23) и реакционным резервуаром (11),

отличающаяся тем, что

h) реакционный резервуар (11) оснащен крышкой (83),

i) в реакционном резервуаре (11) обеспечен съемный короб (85) для приема множества волокнистых матов (95), и

j) обеспечены множество пластин (97) для удерживания волокнистых матов (95) на расстоянии друг от друга.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что

на реакционном резервуаре (11) обеспечено теплообменное устройство (67, 69) для нагревания или охлаждения реакционного резервуара (11) или содержимого реактора до заданной температуры.

3. Система по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что

на реакционном резервуаре (11) обеспечен патрубок для вдувания сушильного газа,

к патрубку для сушильного газа присоединен подводящий трубопровод (71), сообщающийся с нагревательным устройством (73),

на реакционном резервуаре (11) обеспечен отводящий трубопровод (75) для сушильного газа, сообщающийся с теплообменником (77), и

обеспечен вентилятор или насос (77) для введения или засасывания сушильного газа в реакционный резервуар (11).

4. Система по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что обеспечен оснащенный мешалкой смеситель/осадитель (36), сообщающийся посредством трубопровода (59), с одной стороны, с реакционным резервуаром (11) и, с другой стороны, посредством трубопровода (61) с емкостью (15) для растворителя.

5. Система по п. 4, отличающаяся тем, что трубопровод (61) находится в сообщении с дистилляционным устройством (79).

6. Система по п. 4, отличающаяся тем, что смеситель/осадитель (36) посредством трубопровода (63) находится в сообщении с емкостью (23) для гидрофобизирующего реагента.

7. Система по любому из пп. 1-6, отличающаяся тем, что обеспечен отдельный контур нагревания/охлаждения для нагрева реактора.

8. Способ изготовления армированной волокном аэрогелевой панели, включающий:

а) получение силикатного золя,

b) смешение силикатного золя с волокнистой плитой или нетканым материалом и получение и, необязательно, вызревание геля,

с) гидрофобизацию геля гидрофобизирующим реагентом в присутствии кислоты в качестве катализатора, и

d) высушивание геля посредством субкритической сушки,

отличающийся тем, что

е) первоначально множество волокнистых матов (95) и соответствующее количество промежуточных пластин (97) попеременно размещают в реакционном резервуаре (11) так, что два волокнистых мата (95) в каждом случае отделены друг от друга промежуточной пластиной (97),

f) силикатный золь вводят в реакционный резервуар (11), и начинают гелеобразование, и, необязательно, гель подвергают вызреванию,

g) после гелеобразования и необязательного вызревания геля реакционный раствор сливают, промежуточные пластины (97) удаляют, и сформированные армированные волокном аэрогелевые панели высушивают при температурах более 100°С.

9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что высушивание армированных волокном аэрогелевых панелей проводят в реакционном резервуаре (11).

10. Способ по п. 8 или 9, отличающийся тем, что высушивание выполняют продуванием горячего сушильного газа, предпочтительно воздуха, через реакционный резервуар (11), причем сушильный газ вовлекается в циркуляционный контур, причем увлеченные горячим сушильным газом летучие вещества отделяют конденсацией.

11. Способ по любому из пп. 8-10, отличающийся тем, что гелеобразование, гидрофобизацию и высушивание (стадии b, с и d) проводят в одном и том же реакционном резервуаре (11).

12. Способ по любому из пп. 8-11, отличающийся тем, что значение рН при гидрофобизации регулируют на величину между 0,2 и 6, предпочтительно между 0,5 и 5 и в особенности предпочтительно между 0,8 и 3.

13. Способ по любому из пп. 8-12, отличающийся тем, что золь получают гидролизом тетраэтоксисилана (TEOS) с массовой долей между 5 и 30 массовыми процентами SiО₂ и предпочтительно с массовой долей между 10 и 25 массовыми процентами SiО₂.