JP7320664B2 - エアロゲルブランケットの製造方法 - Google Patents

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Description

本出願は、2019年9月3日付けの韓国特許出願第10-2019-0109158号および2019年9月30日付けの韓国特許出願第10-2019-0121147号に基づく優先権の利益を主張し、該当韓国特許出願の文献に開示されている全ての内容は、本明細書の一部として組み込まれる。
本発明は、エアロゲルブランケット(aerogel blanket)の製造方法に関し、具体的には、エアロゲルブランケットの製造時に、ブランケットに未含浸のゾルを回収し、再使用する過程を含むエアロゲルブランケットの製造方法に関する。
エアロゲル(aerogel)は、90~99.9%程度の気孔率と、1~100nm範囲の気孔径を有する超多孔性の高比表面積(≧500m2/g)物質であって、優れた超軽量/超断熱/超低誘電などの特性を有する材料であることから、エアロゲルの素材に関する開発研究は言うまでもなく、透明断熱材および環境にやさしい高温型断熱材、高集積素子用極低誘電薄膜、触媒および触媒担体、スーパキャパシタ用電極、海水淡水化用電極材料としての応用研究も活発に行われている。
エアロゲルの最大の利点は、従来、スチロフォームなどの有機断熱材より低い0.300W/m・K以下の熱伝導率を示すスーパ断熱性(super‐insulation)である点と、有機断熱材の致命的な弱点である火災脆弱性と火災時の有害ガスの発生を解決できるという点である。
一般的に、エアロゲルは、前駆体物質からヒドロゲルを製造し、ヒドロゲル内部の液体成分を微細構造の破壊なしに除去して製造される。代表的なエアロゲルの形態は、粉末、顆粒、モノリスの3種類に分けることができ、一般的には、粉末の形態に製造される。
前記粉末の場合、繊維と複合化して、エアロゲルブランケット(blanket)またはエアロゲルシート(sheet)などの形態への製品化が可能であり、ブランケットまたはシートの場合、柔軟性を有しており、任意のサイズや形態に曲げるか折るか切ることができる。これにより、LNG線の断熱パネル、工業用断熱材と宇宙服、交通および車両、電力生産用断熱材などの工業用への応用だけでなく、ジャケットや運動靴類などの生活用品にも適用が可能である。また、アパートのような住宅において、屋根や床だけでなく、防火戸でエアロゲルを使用する場合、火災の予防に大きな効果がある。
エアロゲルブランケットは、繊維などのブランケット用基材に物理的に結合し含浸されたエアロゲルからなっており、ブランケット用基材にゾルを混合し、ブランケット用基材にゾルを含浸させた後、ゲル化させて製造される。エアロゲルブランケットが目的とする物性を発揮するためには、十分な量のゾルをブランケット用基材に含浸させてからゲル化を行うことが重要であり、ブランケット用基材の体積に比べて少ない量のゾルが含浸される場合には、製造されたエアロゲルブランケットの断熱性能が低下し、疎水特性も低下する問題が発生し得る。これを防止するために、エアロゲルブランケットの製造過程中に、ブランケット用基材にゾルを含浸させるステップで過量のゾルが使用され、これによって未含浸のゾルが発生し、廃棄されるため、廃棄物の発生に伴う処理の問題および原材料費の上昇を引き起こす。
したがって、従来、ブランケット用基材にゾルを含浸させるステップで過量に投入された後、ブランケット用基材への未含浸によって廃棄されていたゾルを再使用するための技術に関する開発が求められている。
本発明が解決しようとする課題は、エアロゲルブランケットの製造過程中に、ブランケット用基材にゾルを含浸させるステップで発生するブランケット用基材に未含浸のゾルを回収し、再使用することができるエアロゲルブランケットの製造方法を提供することである。
本発明は、上記課題を解決するために、1)ブランケット用基材に触媒化したゾルを含浸させるステップと、2)前記触媒化したゾルをゲル化させて湿潤ゲル-ブランケット複合体を製造するステップとを含むエアロゲルブランケットの製造方法であって、A)前記含浸させるステップの後、未含浸の触媒化したゾルを回収し、溶媒を投入して希釈させ、回収されたゾルのゲル化を停止させるステップと、B)前記ゲル化が停止した回収されたゾルを触媒化したゾルの製造ステップで再使用するステップとを含み、前記ステップB)により製造された触媒化したゾルは、前記ゲル化が停止した回収されたゾルを5~50重量%含むエアロゲルブランケットの製造方法を提供する。
本発明の製造方法は、ブランケット用基材に触媒化したゾルを含浸させるステップで未含浸の触媒化したゾルを回収し、触媒化したゾルのゲル化を停止させた後、これを以降の触媒化したゾルの製造ステップにおいて使用することで、従来、廃棄されていた未含浸の触媒化したゾルを再使用することができる。また、本発明の製造方法によると、回収された未含浸の触媒化したゾルを再使用して新たな触媒化したゾルを製造することで、回収された未含浸の触媒化したゾルに含まれたシリカネットワークが新たな触媒化したゾルのゲル化を容易にし、エアロゲルの構造を強化し、物性を向上させる効果を発揮することができ、エアロゲルブランケットの製造に有用に使用することができる。
本明細書に添付の以下の図面は、本発明の好ましい実施形態を例示し、上述の発明の内容とともに本発明の技術思想をより理解させる役割を果たすものであって、本発明は、かかる図面に記載の事項にのみ限定して解釈してはならない。
本発明の一例によるエアロゲルブランケットの製造に使用されることができるエアロゲルブランケット製造装置の斜視図である。
以下、本発明に関する理解を容易にするために、本発明をより詳細に説明する。この際、本明細書および請求の範囲に使用されている用語や単語は、通常的または辞書的な意味に限定して解釈してはならず、発明者らは、自分の発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義し得るという原則に則って、本発明の技術的思想に合致する意味と概念に解釈すべきである。
本発明のエアロゲルブランケットの製造方法は、1)ブランケット用基材に触媒化したゾルを含浸させるステップと、2)前記触媒化したゾルをゲル化させて湿潤ゲル-ブランケット複合体を製造するステップとを含むエアロゲルブランケットの製造方法であって、A)前記含浸させるステップの後、未含浸の触媒化したゾルを回収し、溶媒を投入して希釈させ、回収されたゾルのゲル化を停止させるステップと、B)前記ゲル化が停止した回収されたゾルを触媒化したゾルの製造ステップで再使用するステップとを含み、前記ステップB)により製造された触媒化したゾルは、前記ゲル化が停止した回収されたゾルを5~50重量%含むことを特徴とする。
本発明のエアロゲルブランケットの製造方法は、エアロゲルブランケットを製造する過程と、エアロゲルブランケットの製造過程中に、ゾルの含浸ステップおよびゲル化ステップによって発生する未含浸の触媒化したゾルを回収し、これを再使用する過程とに分けられ、未含浸の触媒化したゾルを再使用する過程は、さらに、エアロゲルブランケットを製造する過程を含むことができる。
以下では、前記エアロゲルブランケットを製造する過程について各ステップ別に詳細に説明する。
ステップ1)
本発明のエアロゲルブランケットの製造方法において、前記ステップ1)は、エアロゲルブランケットを形成するために準備を行うステップであって、ブランケット用基材に触媒化したゾルを含浸させる過程が行われる。
本発明で使用されている用語「含浸」は、ブランケット用基材に流動性のある触媒化したゾルを投入することで行われることができ、ブランケット用基材内部の気孔に触媒化したゾルが浸透することを示すものであり得る。
本発明で前記触媒化したゾルはゾルと塩基触媒を混合して製造されることができる。前記塩基触媒は、ゾルのpHを増加させてステップ2)でのゲル化を促進する効果を発揮することができる。
前記ゾルは、ゾル-ゲル反応で多孔性のゲルを形成することができる物質であれば制限されず、具体的には、無機ゾル、有機ゾルまたはこれらの組み合わせを含むことができる。無機ゾルは、ジルコニア、酸化イットリウム、ハフニア、アルミナ、チタニア、セリア、シリカ、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウムおよびこれらを組み合わせた物を含むことができ、有機ゾルは、ポリアクリレート、ポリオレフィン、ポリスチレン、ポリアクリロニトリル、ポリウレタン、ポリイミド、ポリフルフラールアルコール、フェノールフルフリルアルコール、メラミンホルムアルデヒド、レゾルシノールホルムアルデヒド、クレゾールホルムアルデヒド、フェノールホルムアルデヒド、ポリビニルアルコールジアルデヒド、ポリシアヌレート、ポリアクリルアミド、様々なエポキシ、寒天、アガロースおよびこれらを組み合わせた物を含むことができる。また、具体的には、前記ゾルは、シリカゾルであり得る。前記ゾルとしてシリカゾルが使用される場合、ブランケット用基材との優れた混和性を発揮し、これを用いてゲルを形成する場合、さらなる多孔性を有することができ、また、低い熱伝導度を有するエアロゲルブランケットが製造されることができる。
本発明の一例において、前記ゾルは、ゾル前駆体、水および有機溶媒を含むことができ、前記ゾルは、ゾル前駆体、水および有機溶媒を混合して製造されることができる。本発明の一実施形態による触媒化したゾルが、触媒化したシリカゾルである場合、前記ステップ1)で触媒化したゾルは、シリカゾルと塩基触媒を混合して製造されることができ、前記シリカゾルは、シリカ前駆体と水、有機溶媒を混合して製造されることができる。また、シリカゾルは、ゲル化を容易にするために、低いpHで加水分解されることができ、この際、pHを下げるために、酸触媒が使用されることができる。
前記のシリカゾルの製造に使用可能なシリカ前駆体は、シリコン含有アルコキシド系化合物であってもよく、具体的には、テトラメチルオルトシリケート(tetramethyl orthosilicate;TMOS)、テトラエチルオルトシリケート(tetraethyl orthosilicate;TEOS)、メチルトリエチルオルトシリケート(methyl triethyl orthosilicate)、ジメチルジエチルオルトシリケート(dimethyl diethyl orthosilicate)、テトラプロピルオルトシリケート(tetrapropyl orthosilicate)、テトライソプロピルオルトシリケート(tetraisopropyl orthosilicate)、テトラブチルオルトシリケート(tetrabutyl orthosilicate)、テトラセカンダリーブチルオルトシリケート(tetra secondary butyl orthosilicate)、テトラターシャリーブチルオルトシリケート(tetra tertiary butyl orthosilicate)、テトラヘキシルオルトシリケート(tetrahexyl orthosilicate)、テトラシクロヘキシルオルトシリケート(tetracyclohexyl orthosilicate)、テトラドデシルオルトシリケート(tetradodecyl orthosilicate)などのテトラアルキルシリケートであってもよい。中でも、より具体的には、本発明の一実施形態による前記シリカ前駆体は、テトラエチルオルトシリケート(TEOS)であってもよい。
前記シリカ前駆体は、シリカゾル内に含まれるシリカ(SiO2)の含量が3重量%~30重量%になるようにする量で使用され得る。前記シリカの含量が3重量%未満である場合には、最終製造されるブランケットでのシリカエアロゲルの含量が過剰に低くて、目的とする水準の断熱効果を期待できないという問題が発生し得、30重量%を超える場合には、過剰なシリカエアロゲルの形成によって、ブランケットの機械的物性、特に、柔軟性が低下する恐れがある。
また、本発明のゾルの製造に使用可能な有機溶媒は、ゾル前駆体および水との相溶性に優れたものであれば制限なく使用可能であり、具体的には、極性有機溶媒が使用されることができ、より具体的には、アルコールが使用されることができる。前記アルコールは、具体的には、メタノール、エタノール、イソプロパノール、ブタノールなどの1価アルコール;またはグリセロール、エチレングリコール、プロピレングリコール、ジエチレングリコール、ジプロピレングリコール、およびソルビトールなどの多価アルコールであってもよく、これらのいずれか一つまたは二つ以上の混合物が使用されることができる。中でも、水および以降製造されるエアロゲルとの混和性を考慮すると、メタノール、エタノール、イソプロパノール、ブタノールなどの炭素数1~6の1価アルコールであってもよい。
前記のような有機溶媒は、最終製造されるエアロゲルの含量を考慮して、適切な含量で使用されることができる。
本発明の一実施形態によるシリカゾルは、シリカ前駆体と水を1:4~1:1のモル比で含むことができる。また、シリカ前駆体と有機溶媒が1:2~1:9の重量比で含まれることができ、好ましくは1:4~1:6の重量比で含まれることができる。シリカ前駆体が、水および有機溶媒と前記モル比または重量比を満たす場合、エアロゲル生産収率がより高くなることができ、断熱性能の面で改善効果を発揮することができる。
また、本発明の一実施形態によるゾルにおいて、さらに含まれることができる酸触媒は、pHを3以下になるようにする酸触媒であれば、制限なく使用可能であり、一例として、塩酸、硝酸または硫酸が使用されることができる。この際、酸触媒は、ゾルのpHが3以下になるようにする量で添加されることができ、水溶媒に溶解した水溶液状態で添加されることができる。
また、本発明の一実施形態による触媒化したゾルにおいて使用可能な塩基触媒としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどの無機塩基;または水酸化アンモニウムのような有機塩基が挙げられる。具体的には、前記塩基触媒は、水酸化ナトリウム(NaOH)、水酸化カリウム(KOH)、水酸化カルシウム(Ca(OH)2)、アンモニア(NH3)、水酸化アンモニウム(NH4OH;アンモニア水)、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド(TMAH)、テトラエチルアンモニウムヒドロキシド(TEAH)、テトラプロピルアンモニウムヒドロキシド(TPAH)、テトラブチルアンモニウムヒドロキシド(TBAH)、メチルアミン、エチルアミン、イソプロピルアミン、モノイソプロピルアミン、ジエチルアミン、ジイソプロピルアミン、ジブチルアミン、トリメチルアミン、トリエチルアミン、トリイソプロピルアミン、トリブチルアミン、コリン、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、2-アミノエタノール、2-(エチルアミノ)エタノール、2-(メチルアミノ)エタノール、N-メチルジエタノールアミン、ジメチルアミノエタノール、ジエチルアミノエタノール、ニトリロトリエタノール、2-(2-アミノエトキシ)エタノール、1-アミノ-2-プロパノール、トリエタノールアミン、モノプロパノールアミン、ジブタノールアミンおよびピリジンからなる群から選択される1種以上であってもよく、好ましくは、水酸化ナトリウム、アンモニア、水酸化アンモニウムまたはこれらの混合物であってもよい。
前記塩基触媒は、ゾルのpHが7~11になるようにする量で含まれることができる。前記ゾルのpHが前記範囲から逸脱する場合、後述するステップ2)のゲル化が容易に行われないか、ゲル化速度が過剰に遅くなって工程性が低下する恐れがある。また、前記塩基は固体状で投入した時に析出される恐れがあるため、具体的には、水溶媒または上述の有機溶媒によって希釈された溶液状で添加されることができる。この際、前記塩基触媒および有機溶媒、具体的には、アルコールの希釈比率は、体積基準で1:4~1:100であってもよい。
本発明の一実施形態によると、前記触媒化したゾルは、必要に応じて、添加剤をさらに含んでもよく、この際、添加剤は、エアロゲルを製造する時に添加可能な公知の添加剤がすべて適用されることができ、例えば、不透明化剤、難燃剤などの添加剤が使用されることができる。
また、本発明の一例によるブランケット用基材は、エアロゲルブランケットの断熱性を改善する面で、具体的には、多孔質(porous)基材であってもよい。多孔質のブランケット用基材を使用すると、触媒化したゾルの基材内部への浸透が容易になり、ブランケット用基材の内部で均一にエアロゲルを形成することによって、製造されたエアロゲルブランケットが優れた断熱性を有することができる。
本発明の一実施形態によって使用することができるブランケット用基材は、フィルム、シート、網、繊維、発泡体、不織布体またはこれらの2層以上の積層体であってもよい。また、用途に応じて、その表面に表面粗さが形成されているかパターン化されていてもよい。より具体的には、前記ブランケット用基材は、ブランケット用基材内にエアロゲルの挿入が容易な空間または空隙を含むことで、断熱性能をより向上させることができる繊維であり得る。また、前記ブランケット用基材は、低い熱伝導度を有することが好ましい。
具体的には、前記ブランケット用基材は、ポリアミド、ポリベンゾイミダゾール、ポリアラミド、アクリル樹脂、フェノール樹脂、ポリエステル、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリオレフィン(例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンまたはこれらの共重合体など)、セルロース、カーボン、綿、毛、麻、不織布、ガラス繊維またはセラミックウールなどであってもよく、より具体的には、本発明において、前記ブランケット用基材は、ガラス繊維(glass felt、glass fiber)であってもよい。
本発明の一実施形態によると、前記触媒化したゾルは、前記ブランケット用基材の体積を基準として100~170%、具体的には110%~160%、より具体的には115~155%になる比率の量で投入されることができる。
前記触媒化したゾルがブランケット用基材の体積に対する投入比率(投入量)を満たす場合、触媒化したゾルがブランケット用基材により均一に含浸され、製造されるエアロゲルブランケットがより均一な物性を有することができ、触媒化したゾルがブランケット用基材に最大限に含浸されることができ、原材料の損失を防ぎ、触媒化したゾルが単独でゲル化する問題を防止することができる。
ステップ2)
ステップ2)では、前記触媒化したゾルをゲル化させて湿潤ゲル-ブランケット複合体を製造する過程が行われる。
本発明において、前記ゲル化(gelation)とは、触媒化したゾルから網状構造を形成させることであり、前記網状構造(network structure)は、原子配列が1種あるいはそれ以上の種類からなっているある特定の多角形が連なった平面網形状の構造または特定の多面体の頂点、角、面などを共有して、三次元骨格構造を形成している構造を示し得る。
本発明の一実施形態によると、前記ステップ1)を完了した後、前記ステップ2)が開始されることができ、したがって、前記ステップ1)および前記ステップ2)は、順に行われることができる。また、本発明の他の一実施形態によると、前記ステップ1)が完了する前に、前記ステップ2)が行われ始めることができる。前記ステップ1)が完了する前に、前記ステップ2)が行われ始める場合、前記ゲル化が完了する前に、ブランケット用基材に触媒化したゾルを含浸させるステップが完了することができる。
本発明の一例において、前記1)ブランケット用基材に触媒化したゾルを含浸させるステップおよび2)前記触媒化したゾルをゲル化させて湿潤ゲル-ブランケット複合体を製造するステップは、移動要素にブランケット用基材を配置し、前記ブランケット用基材に触媒化したゾルを塗布して、移動要素を移動させ続けながらゲル化させるロールツーロール方法、または後述するように、反応容器に前記触媒化したゾルとブランケット用基材をすべて入れゲル化させてエアロゲルブランケットを製造する方法により行われることができる。
本発明の一例において、前記ステップ1)のブランケット用基材に触媒化したゾルを含浸させるステップは、反用容器に触媒化したゾルおよびブランケット用基材を反応容器に投入して行われることができる。また、前記反応容器に投入されるブランケット用基材と触媒化したゾルの投入順序は、特に制限されない。具体的には、前記ステップ1)は、反応容器にブランケット用基材を投入した後、触媒化したゾルを投入する方法、反応容器に触媒化したゾルを投入した後、ブランケット用基材を投入する方法、および反応容器に触媒化したゾルを投入しながらブランケット用基材を投入する方法のいずれか一つの方法により行われることができる。中でも、より均一な含浸が行われるように、ブランケット用基材を投入した後、触媒化したゾルを投入する方法が具体的に使用されることができる。ブランケット用基材を先に投入する場合には、触媒化したゾルを投入する時にブランケット用基材を回転させることができ、より均一な含浸が誘導されることができる。
本発明の一例によると、ステップ1)において、前記含浸は、前記ブランケット用基材を回転させながら行われることができる。ブランケット用基材を回転させながら含浸を行う場合、ブランケット用基材の全面に均一に触媒化したゾルが接触し、均一な含浸を誘導できるという効果を発揮することができる。前記ブランケット用基材の回転は、1rpm~300rpmの回転速度で行われることができる。
前記ブランケット用基材は、反応容器の形状に応じて、投入しやすい適切な形態で投入されることができる。本発明の一例において、前記ブランケット用基材は、ボビンに巻いた状態で反応容器に投入されることができる。前記ボビンを回転させて前記ブランケット用基材を回転させることができ、前記ボビンを回転させて前記ブランケット用基材を回転させながら前記触媒化したゾルを含浸させることができる。具体的には、前記ブランケット用基材は、回転が容易であるように、ボビンにロール(roll)形態で巻いた状態で反応容器に投入されることができる。
前記ボビンは、ブランケット用基材を回転させるための軸になることができ、ブランケット用基材に巻くことができるものであれば、いずれも制限なく適用可能である。一例として、反応容器の内部に入ることができる大きさの多角筒型柱、好ましくは、円筒型柱が使用されることができる。また、本発明の一実施形態によると、前記ボビンは、ブランケット用基材をロール形態で巻くことができる巻き取り棒と、巻き取り棒に巻かれたブランケット用基材が回転時に離脱しないように側部を支持する支持板とを含むことができる。この際、触媒化したゾルが、ブランケット用基材の内側にも含浸しやすいように、巻き取り棒に多数の中空が形成されていてもよい。一方、ブランケット用基材の側部に触媒化したゾルが流入することができるように、支持板は、メッシュタイプを使用するか、多数の中空を含むことができる。ボビンの材質は、ブランケットを支持することができる十分な強度を有する如何なる材質でも使用が可能であり、具体的には、ステンレス鋼、PE、PP、テフロン(登録商標)などが使用されることができる。
前記ボビンにブランケット用基材に巻いた後、反応容器にこれを入れてからは、前記ボビンを反応容器に固定する過程が行われることができる。この際、前記ボビンは、反応容器の如何なる位置にも固定が可能であるが、同じ体積の反応容器内にブランケット用基材を多く投入して生産効率を高めることができる面で、具体的には、前記ボビンは、反応容器の中心部に固定されることができる。また、前記ボビンの長軸と反応容器の長軸が互いに平行になるように、ボビンを位置させることができる。
本発明の一実施形態によると、前記反応容器は、ゲル化を行うための反応容器であってもよく、触媒化したゾルが含浸されたブランケット用基材が回転するための空間を形成する容器であれば、多角筒型、円筒型など如何なる形状の容器でも使用が可能であるが、ロール形態で巻かれたブランケット用基材の投入も容易にし、ゲル化反応時に触媒化したゾルが含浸されたブランケット用基材の回転が容易に行われる面で、好ましくは、円筒型の反応容器が使用されることができる。
前記ステップ1)において触媒化したゾルを投入する時に、ブランケット用基材と触媒化したゾルの結合を良好にするために、ブランケット用基材を軽く押して十分に含浸されるようにすることができる。以降、所定の圧力でブランケット用基材を所定の厚さに加圧して残りのゾルを除去し、乾燥時間を低減することもできる。
また、前記触媒化したゾルおよびブランケット用基材は、反応容器の体積、具体的には、反応容器の内部体積の総1~100%になるように、それぞれ投入されることができ、ステップ3)において、ゲル化時間を短縮し、ブランケット用基材の内部に均一にエアロゲルを形成する面で、好ましくは、反応容器の体積の1~60%になる量、より好ましくは10~60%、さらに好ましくは30~60%になる量になるように投入されることができる。
一方、本発明の一例において、前記ステップ1)の完了の前に、ステップ2)が行われる場合には、前記ステップ2)でゲル化が完了するまで、具体的には、ゲル化が完了する前まで、触媒化したゾルが反応容器に全て投入されることができる。
本発明の一例において、前記ステップ2)でのゲル化は、前記触媒化したゾルが含浸されたブランケット用基材を回転させながら行われることができる。
前記触媒化したゾルが含浸されたブランケット用基材の回転は、反応容器内でゲル化する間に回転するようにする方法であれば、如何なる方法および装置も使用が可能であり、具体的には、前記ステップ1)においてブランケット用基材をボビンに巻いた状態で投入し、固定させる場合、前記触媒化したゾルが含浸されたブランケット用基材がボビンに巻かれた状態で反応容器に存在するため、ボビンを回転することで触媒化したゾルが含浸されたブランケット用基材が回転するようにすることができる。
本発明の一実施形態によると、触媒化したゾルおよびブランケット用基材を投入した反応容器を密封した後、ゲル化反応が行われることができる。また、本発明の一実施形態によると、長軸は、横方向、すなわち、水平方向に配置されて回転が行われることができる。仮に、反応容器(本体)が円筒型の反応容器である場合、円筒型の反応容器を横たえて回転させることができる。すなわち、本発明の反応容器の回転軸は、水平方向であってもよいが、これに制限されない。
本発明の一実施形態によると、前記反応容器(本体)を含み、前記反応容器に存在する触媒化したゾルが含浸されたブランケット用基材を回転させることができるエアロゲルブランケットの製造装置であれば、その種類が制限されず、回転させることができる装置であれば、公知の如何なる装置でも使用可能である。具体的には、反応容器にボビンの位置を固定させることができ、位置が固定されたボビンを回転させる装置であれば、公知の如何なる装置でも使用可能である。本発明において適用可能なエアロゲルブランケットの製造装置の一例示は、後述する。
本発明の一実施形態によると、前記ステップ2)のゲル化が、前記触媒化したゾルが含浸されたブランケット用基材を回転させながら行われる場合、前記回転速度は、ブランケット内にエアロゲルが均一に形成されることができるようにする回転速度であれば、制限なく適用可能であり、一例として、1rpm~300rpm、好ましくは5rpm~150rpm、5rpm~100rpm、より好ましくは10rpm~30rpmの回転速度で回転させながらゲル化を実施し得る。反応容器が、前記範囲の回転速度を満たす場合、ブランケット用基材内にゾルが均一に含浸されることから、ゲル化時にエアロゲルがより均一に形成され、これにより、エアロゲルブランケットの全体で非常に均一な熱伝導度を確保することができ、反応容器およびこれを回転させる装置の安定性を高め、エアロゲルブランケット製造工程の安全性を高めるという利点がある。
反応容器に触媒化したゾルとブランケット用基材をすべて入れゲル化させてエアロゲルブランケットを製造する場合、ロールツーロール工法に比べて、コンベアベルトのような移動要素が別に必要ではなく、製造時に、使用空間を大幅に節約できるという利点を有することができる。また、反応容器に触媒化したゾルとブランケット用基材をすべて入れゲル化させてエアロゲルブランケットを製造する場合、連続してブランケット用基材および触媒化したゾルを供給しながら、時間の流れに沿って順にゲル化が行われるロールツーロール工法に比べて、同じ厚さおよび長さを有するブランケット用基材の使用時に、より短い時間内でエアロゲルブランケットを製造できるという利点がある。特に、ブランケット用基材が長くなるほど、ブランケット用基材の全体的に十分なゲル化が行われるためには、ゲル化工程時間がより長くなるが、反応容器に触媒化したゾルとブランケット用基材をすべて入れゲル化させてエアロゲルブランケットを製造する方法による場合、ブランケット用基材の全体でゾルのゲル化が同時に行われるため、製造時間を著しく低減することができ、また、ブランケット用基材の長さおよび厚さが、ゲル化時間に影響を及ぼさないため、長さが長いブランケット用基材を使用しても、製造時間を著しく低減し、工程効率を極大化することができる。
また、反応容器を回転させながらゲル化を行って遠心力と向心力が作用するため、反応容器を回転させないか、移動要素上でゲル化させるロールツーロール工法に比べて、エアロゲルがより均一に分散したエアロゲルブランケットを製造することができ、製造されるエアロゲルブランケットの厚さが、ブランケット用基材の厚さと同一または極めて類似する水準であり、断熱性に優れるという効果がある。
一方、本発明の一例によるエアロゲルブランケットの製造方法は、3)前記ゲル化した湿潤ゲル-ブランケット複合体を熟成するステップと、4)前記ゲル化した湿潤ゲル-ブランケット複合体を表面改質するステップとをさらに含むことができる。
前記熟成するステップは、前記ゲル化した湿潤ゲルブランケット複合体を適当な温度で放置して、化学的変化が完全に行われるようにして行われることができ、前記熟成ステップにより、前記形成された網状構造をより堅固に形成することができ、本発明の製造方法により製造されるエアロゲルブランケットの機械的安定性を強化することができる。
前記熟成ステップは、水酸化ナトリウム(NaOH)、水酸化カリウム(KOH)、水酸化アンモニウム(NH4OH)、トリエチルアミン、ピリジンなどの塩基性触媒を有機溶媒に1~10%の濃度で希釈させた溶液を添加することで、エアロゲル内にSi‐O‐Si結合を最大限に誘導して、シリカゲルの網状構造をより堅固にし、以降行われる迅速な乾燥工程で気孔構造の維持をより容易にするという効果がある。この際、有機溶媒は、上述のアルコール(極性有機溶媒)であってもよく、具体的には、エタノールを含むことができる。
また、前記熟成ステップは、最適の気孔構造の強化のために、適切な温度範囲で行われる必要があるが、本発明の熟成ステップは、30~70℃の温度で1~10時間放置して行われることができる。熟成温度が30℃未満の場合、熟成時間が過剰に長くなって全工程時間の増加につながり、生産性が減少する問題があり、熟成温度が70℃超の場合、エタノールの沸点から逸脱するため、蒸発による溶媒の損失が大きくなり、原材料費が増加する問題があり得る。
前記ゲル化した湿潤ゲル-ブランケット複合体を表面改質するステップでは、親水性官能基を疎水性官能基に置換する過程が行われ、エアロゲルの表面に存在する親水性官能基を疎水性官能基に置換する場合、水性官能基の間の反発力によってエアロゲルの乾燥時に溶媒の表面張力による気孔の収縮を最小化することができる。乾燥したエアロゲルは、乾燥直後には低い熱伝導率を維持するが、エアロゲルの表面に存在するヒドロキシ官能基、例えば、前記エアロゲルがシリカエアロゲルである場合、シリカの表面に存在する親水性のシラノール基(Si-OH)が空気中の水を吸収することで、熱伝導率が次第に高くなる欠点がある。したがって、低い熱伝導率を維持するためには、エアロゲルの表面を疎水性に改質する必要がある。
したがって、本発明の一例において、前記表面改質は、極性溶媒および有機シラン化合物を含む表面改質剤により行われることができる。
前記極性溶媒は、メタノール、エタノールまたはイソプロピルアルコールなどを使用することができ、前記有機シラン化合物は、トリメチルクロロシラン(Trimethylchlorosilane、TMCS)、ヘキサメチルジシラザン(hexamethyldisilazane、HMDS)、メチルトリメトキシシラン(methyltrimethoxysilane)、トリメチルエトキシシラン(trimethylethoxysilane)、エチルトリエトキシシラン(ethyltriethoxysilane)、またはフェニルトリエトキシシラン(phenyltriethoxysilane)などが使用可能であり、具体的には、ヘキサメチルジシラザンが使用可能である。
前記表面改質の際、前記熟成溶媒は、ゲルに対して1~10倍の体積比で混合することができ、前記有機シラン化合物は、ゲルに対して0.1~10倍の体積比で混合することができる。前記有機シラン化合物の体積比が0.1倍未満である時には、反応時間が過剰に長くなり、表面改質効率が低下することがあり、有機シラン化合物の体積比が10倍超である時には、コストアップの問題があり、未反応の表面改質剤が乾燥時に収縮を誘発することがある。
前記熟成ステップおよび表面改質ステップは、ゲル化が完了したシリカ湿潤ゲルブランケットを回収した後、別の反応容器で行われることができ、またはゲル化が行われた反応容器の内部で行われることができ、具体的には、工程の効率および装置の簡素化の面で、行われた前記の反応容器で熟成および表面改質ステップが行われることができる。また、ゲル化が行われた前記の反応容器で熟成および表面改質ステップを行う時に、前記ステップ3)で製造された湿潤ゲル-ブランケット複合体は回転することができ、回転しながら熟成および表面改質を行う場合、熟成溶媒および表面改質剤がよりよく浸透することができ、熟成溶媒および表面改質剤が浸透した後、湿潤ゲルブランケット複合体内で分散がよりよく行われることができ、熟成効率および表面改質効率が大幅に改善するという利点がある。
前記の表面改質ステップを行った後には、疎水性の湿潤ゲルブランケット複合体を得ることができる。
また、本発明のエアロゲルブランケットの製造方法は、5)前記湿潤ゲルブランケットを乾燥するステップをさらに含むことができる。前記湿潤ゲルブランケット複合体を乾燥してエアロゲルブランケットを製造することができる。
一方、本発明の一実施形態による製造方法は、前記乾燥前に洗浄するステップをさらに行うことができる。前記洗浄は、反応中に発生した不純物(ナトリウムイオン、未反応物、副産物など)および超臨界乾燥中にCO2と反応して、炭酸アンモニウム塩を発生することができる残留アンモニアなどを除去し、高純度の疎水性のシリカエアロゲルを得るためのものであり、非極性有機溶媒を用いた希釈工程または交換工程で行うことができる。
本発明の一実施形態において、前記乾燥ステップは、熟成されたゲルの気孔構造をそのまま維持しながら溶媒を除去する工程により行われることができ、前記乾燥ステップは、超臨界乾燥または常圧乾燥工程によることができる。
前記超臨界乾燥工程は、超臨界二酸化炭素を用いて行われ得る。二酸化炭素(CO2)は、常温および常圧では、ガス状態であるが、臨界点(supercritical point)といる所定の温度および高圧の限界を超えると、蒸発過程が起こらずガスと液体の区別がつかない臨界状態になり、この臨界状態にある二酸化炭素を超臨界二酸化炭素とする。
超臨界二酸化炭素は、分子の密度は液体に近いが、粘性度は低くてガスに近い性質を有し、拡散が迅速で熱伝導性が高くて乾燥効率が高く、乾燥工程時間を短縮することができる。
具体的には、前記超臨界乾燥工程は、超臨界乾燥反応器の中に熟成された湿潤ゲルブランケットを入れた後、液体状態のCO2を充填し、湿潤ゲル内部のアルコール溶媒をCO2で置換する溶媒置換工程を行う。その後、所定の昇温速度、具体的には0.1℃/min~1℃/minの速度で、40~70℃に昇温させた後、二酸化炭素が超臨界状態になる圧力以上の圧力、具体的には100bar~150barの圧力を維持して、二酸化炭素の超臨界状態で、所定時間、具体的には20分~1時間維持する。一般的に、二酸化炭素は、31℃の温度、73.8barの圧力で超臨界状態になる。二酸化炭素が超臨界状態になる所定の温度および所定の圧力で2時間~12時間、より具体的には2時間~6時間維持した後、徐々に圧力を除去して超臨界乾燥工程を完了し、エアロゲルブランケットを製造することができる。
また、常圧乾燥工程の場合、70~200℃の温度および常圧(1±0.3atm)下で、熱風乾燥、IR dryingなどの通常の方法により行われ得る。
前記のような乾燥工程の結果として、ナノサイズの気孔を有する多孔性エアロゲルを含むブランケットが製造され得る。特に、本発明の一実施形態によるシリカエアロゲルは、高い疎水化度とともに、優れた物性的特性、特に、低いタップ密度と高い気孔率を有し、これを含むシリカエアロゲル含有ブランケットは、低い熱伝導度とともに優れた機械的柔軟性を有する。
また、前記乾燥工程の前または後に、厚さの調節およびブランケットの内部組織と表面形状を均一にするための圧着工程、用途に応じて、適切な形態またはモルホロジーを有するようにするための成形工程、または別の機能層を積層する積層工程などがさらに行われてもよい。
以下では、前記ステップ1)および2)で発生した未含浸の触媒化したゾルを回収し、これを再使用する過程について、各ステップ別に詳細に説明する。
ステップA)
前記ステップA)では、前記ステップ2)のゲル化させるステップの後、未含浸の触媒化したゾルを回収し、溶媒を投入して希釈させ、回収されたゾルのゲル化を停止させる過程が行われる。
前記ステップ1)のブランケット用基材に触媒化したゾルを含浸させるステップで触媒化したゾルは、ブランケット用基材に十分に含浸されるように、ブランケット用基材に比べて過量に投入され、したがって、ブランケット用基材に含浸されず残留する未含浸のゾルが発生する。
前記ブランケット用基材に含浸されず残留する未含浸のゾルは、触媒化したものであるため、別の措置がない場合、ゲル化する。そのため、本発明では、前記未含浸のゾルを回収し、優先して回収された未含浸のゾルがゲル化する前に溶媒を投入し、これを希釈することで、ゲル化が行われ難い水準に前駆体および触媒の濃度を下げ、回収されたゾルのゲル化を停止させる過程が行われる。
本発明の一例において、前記溶媒を投入し、希釈させて、回収されたゾルのゲル化を停止させる過程は、具体的には、前記回収されたゾルの粘度を測定し、前記回収されたゾルの粘度が所定水準以下になるようにすることで達成することができる。
前記ステップA)において、溶媒の投入は、前記回収されたゾルの粘度が2~10mPa・s(cpである時に行われることができ、具体的には4~10mPa・s(cp、より具体的には7~10mPa・s(cpである時に行われることができる。前記回収されたゾルの粘度が前記範囲を満たす場合、回収されたゾルが、投入される溶媒とスムーズに混合されてゲル化が行われない濃度に適切に希釈されることができ、また、回収されたゾルに含まれているネットワークがシド(seed)の役割を果たし、新たな触媒化したゾルのゲル化を容易にし、エアロゲルの構造を強化し、物性を向上させる効果が適切に発揮されることができる。前記回収されたゾルの粘度が10mPa・s(cpを超えた時に溶媒を投入する場合、回収されたゾルのゲル化が所定水準以上に行われて、回収されたゾルが投入された溶媒とスムーズに混合されず、ゲル化した粒子が沈殿を形成することがあり、前記回収されたゾルの粘度が2mPa・s(cp未満の場合には、ブランケット用基材に触媒化したゾルのゲル化が行われていないことを意味するため、回収された未含浸のゾルが新たに製造される触媒化したゾルに含まれているネットワークが発揮することができる前記効果を期待し難い。
前記ステップA)の希釈により回収されたゾルは、10mPa・s(cp以下、具体的には1~5mPa・s(cp、より具体的には1~3mPa・s(cpの粘度を有することができる。前記回収されたゾルが、前記溶媒の投入のために前記範囲の下限以上の粘度を有する場合、前記回収されたゾルを以降のステップの触媒化したゾルの製造ステップで再使用した時に、前記回収されたゾルに含まれたネットワークが、新たな触媒化したゾルのゲル化を容易にし、エアロゲルの構造を強化し、物性を向上させる効果が適切に発揮されることができる程度に前記回収されたゾルが希釈されることができ、前記希釈により回収されたゾルが、前記範囲の上限内の粘度を有する場合、適切に回収されたゾルのゲル化が停止することができる。
前記溶媒は、前記ステップ1)で触媒化したゾルの製造に使用された溶媒であってもよく、具体的には有機溶媒であってもよい。
前記有機溶媒は、ゾル前駆体および水との相溶性に優れたものであれば、制限なく使用可能であり、具体的には、極性有機溶媒であってもよく、より具体的には、アルコールであってもよい。前記アルコールは、具体的には、メタノール、エタノール、イソプロパノール、ブタノールなどの1価アルコール;またはグリセロール、エチレングリコール、プロピレングリコール、ジエチレングリコール、ジプロピレングリコール、およびソルビトールなどの多価アルコールであってもよく、これらのいずれか一つまたは二つ以上の混合物が使用されることができる。中でも、水および以降回収された未含浸のゾルを用いてエアロゲルを製造する時に、製造されるエアロゲルとの混和性を考慮すると、メタノール、エタノール、イソプロパノール、ブタノールなどの炭素数1~6の1価アルコールが使用されることができる。
前記未含浸の触媒化したゾルの回収は、前記ステップ1)で反応容器に触媒化したゾルおよびブランケット用基材を投入して、ブランケット用基材に触媒化したゾルを含浸させ、ブランケット用基材が十分に含浸し、これ以上反応容器内の液位が変化しない時に行われることができる。具体的には、前記含浸させるステップの後、反応容器内の液位が変化しない時に、前記反応容器内に残っている未含浸の触媒化したゾルを回収することができる。前記反応容器には、前記未含浸の触媒化したゾルを回収するためのドレン弁(drain valve)が連結されていてもよく、前記ドレン弁(drain valve)を開いて前記未含浸の触媒化したゾルを回収することができる。
前記回収された未含浸の触媒化したゾルは、別の容器に移すことができ、具体的には、前記回収された未含浸の触媒化したゾルの再使用が行われる別のエアロゲルブランケット製造装置に含まれたゾルタンク(sol tank)に移すことができる。したがって、前記ステップA)、すなわち、未含浸の触媒化したゾルを回収し、溶媒を投入して希釈させる過程は、別のエアロゲルブランケット製造装置のゾルタンクで行われることができる。
ステップB)
前記ステップB)では、前記ゲル化が停止した回収されたゾルを、触媒化したゾルの製造ステップで再使用する過程が行われる。
前記触媒化したゾルは、ゾルと塩基触媒を混合して製造されることができ、前記ゾルが含む成分および塩基触媒は、前記ステップ1)において上述したとおりである。
前記再使用は、前記ゲル化が停止した回収されたゾルに、前記触媒化したゾルの製造に使用されるゾルと塩基触媒を添加する方法により行われることができ、または前記ゲル化が停止した回収されたゾルに、別に製造された触媒化したゾルを混合する方法により行われることもでき、具体的には、前記ゲル化が停止した回収されたゾルにゾルを添加した後、塩基触媒を添加する方法が順に行われることができる。これにより、前記ゲル化が停止した回収されたゾルに含まれたゾルおよび塩基触媒の濃度を前記ステップA)の希釈が行われる前の触媒化したゾルに含まれたゾルおよび塩基触媒の濃度に合わせて、前記ステップ2)でのゲル化時間と同じゲル化時間を有するようにすることができる。
例えば、前記ステップA)の過程は、前記ステップ1)および2)が行われるエアロゲルブランケット製造装置ではなく、別の追加エアロゲルブランケット製造装置に含まれたゾルタンクで行われることができ、ステップA)の過程は、前記ゲル化が停止した回収されたゾルが投入されたゾルタンクに、前記触媒化したゾルの製造に使用されるゾルと塩基触媒を投入する方法、または前記ゲル化が停止した回収されたゾルが投入されたゾルタンクに、別に製造された触媒化したゾルを投入する方法により行われることができ、具体的には、前記ゲル化が停止した回収されたゾルが投入されたゾルタンクにゾルを投入した後、塩基触媒を投入する過程が順に行われることができる。前記ゾルタンクは、回収されたゾルを収容することができ、前記触媒化したゾルの製造過程が行われることができる容器であれば、特に制限されない。
前記ゾルは、ゾル前駆体、水および有機溶媒を含むことができ、これらを混合して製造されることができる。前記ゾルは、別に製造されたゾルの形態で使用されることができ、またはゾル前駆体、水および有機溶媒を含む前記ゾルを製造するための成分が、前記ゲル化が停止した回収されたゾルに添加される方法により使用されることもできる。この際、前記ゾル前駆体は、酸触媒によって加水分解された形態で使用されることができ、前記酸触媒は、前記ステップ1)において上述したとおりである。
前記ステップB)により製造される触媒化したゾルは、前記ゲル化が停止した回収されたゾルを5~50重量%、具体的には7~40重量%、より具体的には10~35重量%含むことができる。前記ゲル化が停止した回収されたゾルは、一部ゲル化が行われて予め形成されたゲル化粒子を含むことができ、前記予め形成されたゲル化粒子は、新たに製造される触媒化したゾルに含まれて、ゲル化をスムーズにするシード(seed)の役割を果たすことができる。これにより、触媒化したゾルの製造時に前記ゲル化が停止した回収されたゾルを使用する場合、触媒化したゾルのゲル化が容易に行われることができ、製造されたエアロゲルブランケットの構造強化、物性向上の効果を得ることができる。前記ゲル化が停止した回収されたゾルの含量が前記範囲を満たす場合、エアロゲルブランケットの構造強化および物性向上の効果がより適切に発揮されることができ、その含量が少なすぎる場合には、物性向上の効果が発揮され難く、その含量が多すぎる場合には、ゲル化の遅延が十分に発現されず、適切な時点の前に製造される触媒化したゾルのゲル化が行われることがある。
また、本発明の一例によるエアロゲルブランケットの製造方法は、前記ステップB)で製造された触媒化したゾルを用いたエアロゲルブランケットの製造ステップを含むことができる。
前記ステップB)で製造された触媒化したゾルを用いたエアロゲルブランケットの製造ステップは、前記ステップ1)および2)、また、以降のさらに行われ得る過程について上述したような方法により行われることができる。例えば、本発明の一例において、前記ステップB)で製造された触媒化したゾルを用いたエアロゲルブランケットの製造ステップは、移動要素にブランケット用基材を配置し、前記ブランケット用基材に、前記ステップB)で製造された触媒化したゾルを塗布して、移動要素を移動させ続けながらゲル化させるロールツーロール方法、または別の第2反応容器にブランケット用基材および前記ステップB)で製造された触媒化したゾルを投入して、ブランケット用基材にステップB)で製造された触媒化したゾルを含浸させ、ゲル化させるステップを含むことができる。本発明の一例において、前記ゲル化させるステップは、前記触媒化したゾルが含浸されたブランケット用基材を回転させ、ゲル化させるステップを含むことができる。
また、前記ステップB)で製造された触媒化したゾルを用いたエアロゲルブランケットの製造ステップにおいて、再度、未含浸の触媒化したゾルを回収し、これを触媒化したゾルの製造時に再使用する過程が行われることができ、これは、数回以上繰り返すことができる。すなわち、前記未含浸の触媒化したゾルを回収し、これを触媒化したゾルの製造に再使用する過程は、1回以上繰り返すことができ、その回収は、特に制限されないが、例えば、1回~20回、具体的には2回~10回繰り返すことができる。
上述の本発明のエアロゲルブランケットの製造方法は、均一な熱伝導度を有し、ブランケット内の均一な熱伝導度の形成によって全体的に断熱性が大幅に改善したエアロゲルブランケットを提供する。また、本発明のエアロゲルブランケットの製造方法によると、回収された未含浸のゾルを再使用して製造された触媒化したゾルは、ゲル化が容易に行われることができ、製造されたエアロゲルブランケットの構造強化および物性向上の効果を得ることができ、前記未含浸の触媒化したゾルを回収し、これを触媒化したゾルの製造に再使用する過程により製造されたエアロゲルブランケットは、より向上した熱伝導度特性を発揮することができる。
また、本発明の一実施形態によると、前記エアロゲルブランケットは、エアロゲルおよびブランケット用基材を含み、具体的には、ブランケット用基材の内部および表面にエアロゲルが形成されていてもよく、一例として、ブランケット用基材の内部および表面に多量のエアロゲル粒子が均一に形成されていてもよく、前記エアロゲルブランケットは、10~20mW/mKの改善した熱伝導度を有することができる。
前記の熱伝導度は、NETZSCH社製のHFM 436 Lambda装置を用いて、熱流束法(heat flow method)によって常温(23±5℃)で測定した値である。
これにより、本発明のエアロゲルブランケットは、各種の産業用設備の配管や工業用炉のような保温保冷用プラント施設は言うまでもなく、航空機、線舶、自動車、建築構造物などの断熱材、保温材、または不燃材として有用に使用可能である。
以下では、本発明の一例によるエアロゲルブランケットの製造方法が行われることができるエアロゲルブランケット製造装置について説明する。
本発明の一実施形態によるエアロゲルブランケットの製造方法が行われることができる製造装置は、図1に図示されているように、ブランケット(blanket)が巻き取られるボビン100と、前記ボビン100を収容するゲル化タンク210が備えられた本体200と、前記ゲル化タンク210に収容されたボビン100を回転させる駆動部材300と、前記ゲル化タンク210に触媒化したゾルを注入する触媒化したゾル供給部材400と、前記ゲル化タンク210に熟成溶液を注入する熟成部材(図示せず)と、前記ゲル化タンク210に表面改質剤を注入する表面改質剤部材(図示せず)と、前記ゲル化タンク210の温度を上昇させてブランケットを乾燥する乾燥部材(図示せず)とを含む。
ここで、ブランケットは、触媒化したゾルが投入される前のブランケット用基材、触媒化したゾルが含浸されたブランケット用基材および/またはゲル化後の湿潤ゲルブランケットを意味し得、各ステップ別に、ブランケット用基材の状態に応じて適宜解釈することができる。
(ボビン)
ボビンは、ブランケットをロール形態に巻き取るためのものであり、ブランケットがロール形態に巻き取られる巻き取り棒と、前記巻き取り棒の両端部にそれぞれ結合し、前記巻き取り棒に巻き取られたブランケットの側部を支持する支持板とを含む。
前記巻き取り棒は、長手方向に貫通する中空が形成された円筒形態を有し、外周面に長いシート状のブランケットがロール形態に巻き取られる。
一方、巻き取り棒に巻き取られたブランケットの外側は、触媒化したゾルを迅速に含浸させることができ、安定的にゲル化させることができるが、ブランケットの内側は、触媒化したゾルが含浸されるために長い時間がかかるという問題がある。これを防止するために、巻き取り棒の外周面には、中空と連結される複数個の連結孔を含む。
すなわち、前記巻き取り棒は、前記ゲル化タンクに注入された触媒化したゾルを流入するように、内部に中空が形成され、前記中空に流入された触媒化したゾルが巻き取り棒の外に流出して、巻き取り棒に巻き取られたブランケットの内側に含浸されるようにする複数個の連結孔が形成される。これにより、ブランケットの外側と内側を同時に触媒化したゾルを含浸させることによってゲル化させることができ、結果、ブランケットのゲル化にかかる時間を大幅に短縮することができ、結果、ブランケットの全体を均一にゲル化させることができる。
一方、前記複数個の連結孔の直径は3~5mmであり、巻き取り棒の外周面に規則的な間隔で形成される。これにより、巻き取り棒の外周面に巻き取られたブランケットの全体に均一に触媒化したゾルを供給することができ、これによってブランケット内側の全体を均一にゲル化させることができる。
前記支持板は、巻き取り棒に巻き取られたブランケットが不規則に巻き取られないように支持するものであり、円板形態を有し、前記巻き取り棒の両端部にそれぞれ結合し、前記巻き取り棒に巻き取られたブランケットの側部を支持する。
一方、支持板は、前記巻き取り棒の端部が結合する締結溝と、前記締結溝の底面に形成される締結孔とを含む。すなわち、支持板は、締結溝を通じて巻き取り棒の端部に結合することができる。
一方、支持板には、複数個の開放孔が形成され、複数個の開放孔は、巻き取り棒に巻き取られたブランケットの側部に触媒化したゾルを流入することができ、これによってブランケットの側部を安定的にゲル化させることがある。
したがって、前記ボビンは、巻き取り棒と支持板を含み、これによってブランケットをロール形態に巻き取ることができる。
(本体)
本体は、ボビンを収容するゲル化タンクが設置されるものであり、ゲル化タンクと、前記ゲル化タンクが設置される第1設置部材220とを含む。
前記ゲル化タンクは、ボビンに収容されたブランケットをゲル化させるためのものであり、内部に備えられ、前記ボビンを収容するゲル化室と、外部下端に備えられ、ゲル化室と連結される排出部と、外部上端に備えられ、ゲル化室と連結される流入部とを含む。
特に、ゲル化タンクのゲル化室は、上部が蓋によって開放され、下部が巻き取り棒に巻き取られたブランケットと対応する曲率を有する「U」字断面形状を有し、これにより、ゲル化室にシリカゾルが流入される場合、シリカゾルとブランケットの接触力を高めることができ、結果、ブランケットのゲル化を高めることができる。
一方、前記ゲル化タンクは、前記ゲル化室の両壁面に備えられ、前記ボビンの両端に結合するとともに、前記ボビンを前記ゲル化室に回転可能に設置する回転部材を含む。
前記回転部材は、前記ゲル化室の両壁面に形成された貫通孔に回転可能に設置され、ゲル化室に収容されたボビンの端部が動力伝達可能に設置される。
一例として、回転部材の一面に一字状の結合突起が形成され、ボビンの端部に前記結合突起が結合する一字状の結合溝が形成される。すなわち、結合突起と結合溝の結合により、回転部材の回転時にボビンを同方向に回転させることができる。結果、ゲル化タンクの内部にボビンを回転可能に設置することができる。
一方、本体には、触媒化したゾル供給部材が設置される第2設置部材230がさらに含まれ、前記第2設置部材は、底片231と、前記底片の上部に設置され、触媒化したゾル供給部材がゲル化タンクより高く位置するように設置される設置台232と、前記底片の一側端部に設置される階段233とを含む。
一方、前記ゲル化タンクは、前記ゲル化タンクに備えられた残りの一つの回転部材と結合するとともに前記ボビンを回転させる回転ハンドルを含み、回転ハンドルは、外部でボビンを手動で回転させることができる。
一方、前記第2設置部材の設置台には、熟成部材、表面改質部材および乾燥部材がさらに設置される。
(駆動部材)
駆動部材は、前記ゲル化タンクに収容されたボビンを回転させるためのものであり、前記ゲル化タンクに備えられた他の一つの回転部材と動力伝達可能に連結される。すなわち、駆動部材は、回転部材を回転させると、回転部材と連動して、ゲル化タンクに収容されたボビンを回転させることができる。
(触媒化したゾル供給部材)
触媒化したゾル供給部材は、ゲル化タンクにシリカゾルを注入し、ボビンに巻き取られたブランケットを含浸させることによってブランケットをゲル化させるためのものであり、前記設置台に設置され、触媒化したゾルをゲル化タンクの流入部を通じてゲル化室に供給する。
(熟成部材)
熟成部材は、ゲル化タンクに熟成溶液を注入し、ボビンに巻き取られたブランケットを熟成するためのものであり、前記設置台に設置され、熟成溶液をゲル化タンクの流入部を通じてゲル化室に供給する。
(表面改質部材)
表面改質部材は、ゲル化タンクに表面改質剤を注入し、ボビンに巻き取られたブランケットの表面を改質するためのものであり、前記設置台に設置され、表面改質剤をゲル化タンクの流入部を通じてゲル化室に供給する。
(乾燥部材)
乾燥部材は、ゲル化タンクに高温の熱風を供給し、ボビンに巻き取られたブランケットを乾燥するためのものであり、前記設置台に設置されてゲル化タンクの温度を上昇させてゲル化タンクに収容されたブランケットを乾燥する。
したがって、本発明の一実施形態によるエアロゲルブランケット製造装置は、エアロゲルブランケットの製造時間を大幅に短縮することができ、エアロゲルブランケットの生産性を大幅に高めることができ、結果、エアロゲルブランケットを大量生産することができる。
特に、本発明の一実施形態によるエアロゲルブランケット製造装置は、ブランケットを回転させることによって、ブランケットの厚さおよび長さに関係なく安定したゲル化を誘導することができ、ボビンが回転することから、ボビンに巻き取られたブランケットの全体を均一にゲル化させることができ、ゲル化タンクを回転せず、ボビンのみ回転するため、ゲル化タンクの形態が制限されない。また、ゲル化タンクのゲル化室を「U」字断面形態に形成することによって、ボビンに巻き取られたブランケットをより効果的にゲル化させることがある。
また、本発明の一実施形態によると、前記エアロゲルブランケット製造装置は、ブランケット(blanket)が巻き取られるボビンを含み、前記ボビンは、巻き取り棒と支持板とを含むことができる。
ここで、前記巻き取り棒の外周面には、ブランケットの巻取開始点が挟まれて固定される固定クリップを含むことができる。
すなわち、固定クリップは、弾性復元力を有するピン形態を有し、一端が巻き取り棒の外周面に固定され、他端が巻き取り棒の外周面に弾力的に支持される。これにより、固定クリップの他端と巻き取り棒との間にブランケットの開始点を挿入すると、固定クリップの弾性力によって、ブランケットを巻き取り棒の開始点を固定することができ、結果、巻き取り棒の外周面にブランケットを簡単に巻き取ることができる。
以下、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者が容易に実施することができるように、本発明の実施例について詳細に説明する。しかし、本発明は、様々な相違する形態に具現され得、ここで説明する実施例に限定されない。
製造例1:触媒化したゾルの製造
テトラエチルオルトシリケート(TEOS)と水を1:4のモル比で混合し、TEOSと1:1の重量比を有するエタノールを添加して、シリカゾル前駆体を製造した。加水分解を促進するために、シリカゾルのpHが3以下になるように塩酸を添加し、2時間以上撹拌して、水和したテトラエチルオルトシリケート溶液を製造した。水和したテトラエチルオルトシリケート溶液にエタノールを1:4の重量比になるように添加して、シリカゾルを製造した。シリカゾル100重量部に対して、0.2重量部の不透明化剤であるTiO2と、0.2重量部の難燃剤であるUltracarb(LKAB社製)を混合し、30分間撹拌してシリカゾルを製造し、これとは別に、1体積%のアンモニアエタノール溶液(塩基触媒溶液)を製造した。前記シリカゾルと塩基触媒溶液を9:1の体積比で混合し、触媒化したゾルを製造した。
製造例2:触媒化したゾルの製造
前記製造例1で製造された水和したテトラエチルオルトシリケート溶液にエタノールを1:4の重量比になるように添加した後、テトラエチルオルトシリケートと同じモル数のトリメチルエトキシシランを添加し、シリカゾルを製造した。以降、前記製造例1と同じ過程により触媒化したゾルを製造した。
(実施例1)
(1)第1ゲル化装置の反応容器に10T(10mm)ガラス繊維(Glass fiber)が巻かれたボビンを固定した。前記製造例1で製造された触媒化したゾル45L(ガラス繊維の体積の150%)を反応容器に投入し、ガラス繊維が巻かれたボビンを回転させながらゲル化を行い、この際、触媒化したゾルの投入速度を調節して、ゲル化が完了する前に触媒化したゾルがすべて投入されるようにした。繊維が十分に含浸されこれ以上反応容器内の液位が変化しないと、残っている未含浸のゾル(15L)を反応容器に結合したドレン弁を開いて回収した。
(2)回収されたゾルは、第2ゲル化装置のゾルタンク(sol tank)に移送させた。前記回収されたゾルの粘度が10mPa・s(cpを超える前にエタノールを添加して、前記回収されたゾルを希釈してゲル化が停止するようにした。前記希釈した回収されたゾルにTEOS溶液、エタノール、添加剤を投入し、塩基触媒溶液を添加して、45Lの触媒化したゾルを製造した。前記TEOS溶液、エタノール、添加剤、および塩基触媒溶液は、製造例で使用されたものと同様であり、シリカゾルと塩基触媒溶液の比率、触媒化したゾルに含まれた各成分の濃度は、前記製造例1と同様に調節した。
(3)第2ゲル化装置の反応容器に10T(10mm)ガラス繊維(Glass fiber)が巻かれたボビンを固定した。前記(2)で製造された触媒化したゾルを反応容器に投入し、ガラス繊維が巻かれたボビンを回転させながらゲル化を行い、この際、触媒化したゾルの投入速度を調節して、ゲル化が完了する前に触媒化したゾルがすべて投入されるようにした。繊維が十分に含浸されこれ以上反応容器内の液位が変化しないと、残っている未含浸のゾル(15L)を反応容器に結合したドレン弁を開いて回収した。
(4)前記(2)の触媒化したゾルの製造過程および(3)のゲル化過程と、未含浸のゾルの回収過程を繰り返しており、前記回収された未含浸のゾルを用いた触媒化したゾルの製造過程と、これを用いたゲル化過程が総10回行われると、繰り返しを止めた。
それぞれのゲル化過程で得られた湿潤ゲルブランケットは、10体積%のTMES(トリメチルエトキシシラン)のエタノール希釈液である塩基性の熟成溶液40Lで65℃の温度で20時間熟成され、以降、超臨界乾燥を行って、シリカエアロゲルブランケットを製造した。
(実施例2)
未含浸のゾルの回収時に、15Lではなく、7.5Lのみ回収した以外は、前記実施例1と同じ過程を行って、シリカエアロゲルブランケットを製造した。
(実施例3)
未含浸のゾルの回収時に、15Lではなく、5Lのみ回収した以外は、前記実施例1と同じ過程を行って、シリカエアロゲルブランケットを製造した。
(実施例4)
製造例1で製造された触媒化したゾルの代わりに、製造例2で製造された触媒化したゾルを使用し、回収された未含浸のゾルを用いて触媒化したゾルの製造時に、テトラエチルオルトシリケートと同じモル数のトリメチルエトキシシランを使用した以外は、実施例1と同様に、前記(1)~(4)の過程を繰り返した。
それぞれのゲル化過程で得られた湿潤ゲルブランケットを別の熟成溶液なしに65℃の温度で20時間熟成させ、以降、超臨界乾燥を行って、シリカエアロゲルブランケットを製造した。
(実施例5)
未含浸のゾルの回収時に、15Lではなく、2.5Lのみ回収した以外は、前記実施例1と同じ過程を行って、シリカエアロゲルブランケットを製造した。
(実施例6)
触媒化したゾルを45L(ガラス繊維の体積の150%)ではなく、51L(ガラス繊維の体積の170%)使用および製造し、未含浸のゾルの回収時に、15Lではなく、21Lを回収した以外は、前記実施例1と同じ過程を行って、シリカエアロゲルブランケットを製造した。
(実施例7)
(1)コンベアベルトの前端に設置された含浸槽に前記製造例1で製造された触媒化したゾル45Lを一定の流量1.32L/minで導入しながら10T(10mm)ガラス繊維(Glass fiber)が、0.15m/minの一定の速度でコンベアベルトに乗って移動しながら含浸槽で2分間ゾルに含浸されるようにした。含浸槽から出た繊維は、ベルトに乗って移動しながらゲル化が行われ、ベルトの端部でゲル化が完了した繊維をボビンにロール形態に巻き取った。45Lのゾルがすべて投入された後、含浸槽に残っている未含浸のゾル5Lを回収した。
(2)回収されたゾルは、別のゾルタンクに投入し、前記回収されたゾルの粘度が10mPa・s(cpを超える前に、エタノールを添加して前記回収されたゾルを希釈し、ゲル化が停止するようにした。前記希釈した回収されたゾルにTEOS溶液、エタノール、添加剤を投入し、塩基触媒溶液を添加して、45Lの触媒化したゾルを製造した。前記TEOS溶液、エタノール、添加剤、および塩基触媒溶液は、製造例で使用されたものと同様であり、シリカゾルと塩基触媒溶液の比率、触媒化したゾルに含まれた各成分の濃度は、前記製造例1のように調節した。
(3)前記(1)とは別のコンベアベルトの前端に設置された含浸槽に前記(2)で製造された触媒化したゾル45Lを一定の流量1.32L/minで導入しながら10T(10mm)ガラス繊維(Glass fiber)が0.15m/minの一定の速度でコンベアベルトに乗って移動しながら含浸槽で2分間ゾルに含浸されるようにした。含浸槽から出た繊維は、ベルトに乗って移動しながらゲル化が行われ、ベルトの端部でゲル化が完了した繊維をボビンにロール形態に巻き取った。45Lのゾルがすべて投入された後、含浸槽に残っている未含浸のゾル5Lを回収した。
(4)前記(2)の触媒化したゾルの製造過程および(3)のゲル化過程と、未含浸のゾルの回収過程を繰り返しており、前記回収された未含浸のゾルを用いた触媒化したゾルの製造過程と、これを用いたゲル化過程が総10回行われると、繰り返しを止めた。
それぞれのゲル化過程で得られた湿潤ゲルブランケットは、10体積%のTMES(トリメチルエトキシシラン)のエタノール希釈液である塩基性の熟成溶液40Lで65℃の温度で20時間熟成され、以降、超臨界乾燥を行って、シリカエアロゲルブランケットを製造した。
(比較例1)
未含浸のゾルの回収時に、15Lではなく、1.5Lのみ回収した以外は、前記実施例1と同じ過程を行って、シリカエアロゲルブランケットを製造した。
(比較例2)
触媒化したゾルを45L(ガラス繊維の体積の150%)ではなく、66L(ガラス繊維の体積の220%)使用および製造し、未含浸のゾルの回収時に、15Lではなく、36Lを回収した以外は、前記実施例1と同じ過程を行って、シリカエアロゲルブランケットを製造した。
(実験例)
1)常温の熱伝導度の測定(mW/mK)
各実施例および比較例で製造したエアロゲルブランケットにおいて、30cm×30cmのサイズを有するサンプルを各ブランケット当たり5個ずつ準備し、サンプルに対して、NETZSCH社製のHFM 436 Lambda装置を用いて、常温(23±5℃)熱伝導度を測定した。この際、5個のサンプルは、各実施例および比較例で製造したエアロゲルブランケットロールの最内側から最外側まで50cmの一定の間隔で裁断し、取得した。5個のサンプルの熱伝導度をそれぞれ測定した後、その値を比較して、熱伝導度の最高値および最低値を示した。
2)ゲル化時間の測定
各実施例および比較例でゲル化にかかった時間を測定し、実施例1および比較例1のゾル再使用回収によるゲル化時間を表2に示した。
前記表1から確認することができるように、実施例1~7の場合、未含浸のゾルを回収して、触媒化したゾルの製造に使用する回収が増加するほど、これを用いて製造されたシリカエアロゲルブランケットの常温熱伝導度が減少する傾向を示すことを確認することができる。これは、未含浸のゾル内で予め形成されたシリカ粒子がシード(seed)の役割を果たし、ゲル化がスムーズになり、これに伴って物性が向上するためであると分析される。ゲル化がスムーズになることは、ゲル化にかかる時間から確認することができ、未含浸のゾルを使用する前には、ゲル化に11~12分かかったが、未含浸のゾルを使用した時に、ゲル化時間は9~10分に短縮した。具体的には、前記表2から確認することができるように、実施例1の場合、ゾル再使用回収が増加するほど、ゲル化時間が短縮し、4回のゾルの再使用後には、9分または9.5分のゲル化時間がかかり、未含浸のゾルを再使用することによりゲル化がスムーズになることを確認することができた。
一方、比較例1を参照すると、未含浸のゾルの使用量が、全体の触媒化したゾル45Lのうち1.5L(3.3%)に過ぎない場合、常温熱伝導度の減少効果が発揮されないことを確認することができ、また、ゲル化時間の短縮効果も得られなかったことを確認することができた。
一方、比較例2の場合には、回収された未含浸のゾルが過量で使用されることによって、前記回収された未含浸のゾルに対して、エタノールを用いて希釈過程が行われたにもかかわらず、ゲル化が完全に停止されず、再使用の回収に応じてゾルの粘度が増加し、3回目の再使用からは繊維への含浸が難しい程度まで粘度が過剰に増加し、エアロゲルブランケットの製造が不可能であった。
一方、下記のように、未含浸のゾルの回収時に、粘度による影響を確認するための追加の実験を実施した。
(参考例1)
回収されたゾルの粘度が15mPa・s(cpである時に、エタノールを添加して前記回収されたゾルを希釈し、ゲル化が停止されるようにした以外は、実施例1と同じ過程を行って、シリカエアロゲルブランケットを製造した。
前記表3の参考例1から、未含浸のゾルの粘度が過剰に高い時に、溶媒を添加して希釈する場合には、未含浸のゾルを回収して、触媒化したゾルの製造に使用する回収が増加するほど、これを用いて製造されたシリカエアロゲルブランケットの常温熱伝導度がむしろ増加することを確認することができる。これは、未含浸のゾルのゲル化が一定水準以上行われ、限界を超えた時には、希釈のために投入された溶媒と未含浸のゾルがスムーズに混合されず、シリカ粒子が沈殿を形成し、再使用回収の増加に伴って沈殿の量が増加し、製造されたシリカエアロゲルブランケットの物性に悪い影響を及ぼしたためであると分析される。
100 ボビン
110 巻き取り棒
120 支持板
200 本体
210 ゲル化タンク
212 排出部
213 流入部
214 蓋
215 回転部材
216 回転ハンドル
220 第1設置部材
230 第2設置部材
231 底片
232 設置台
233 階段
300 駆動部材
400 触媒化したゾル供給部材

Claims (15)

  1. 1)ブランケット用基材にゾル及び塩基触媒を含む触媒化したゾルを含浸させるステップと、
    2)前記触媒化したゾルをゲル化させて湿潤ゲル-ブランケット複合体を製造するステップとを含むエアロゲルブランケットの製造方法であって、
    A)前記含浸させるステップの後、未含浸の触媒化したゾルを回収し、溶媒を投入して希釈させ、回収されたゾルのゲル化を停止させるステップと、
    B)前記ゲル化が停止した回収されたゾルを触媒化したゾルの製造ステップで再使用するステップとを含み、
    前記ステップB)により製造された触媒化したゾルは、前記ゲル化が停止した回収されたゾルを5~50重量%含む、エアロゲルブランケットの製造方法 。
  2. 前記ステップA)において、溶媒の投入は、前記回収されたゾルの粘度が2~10mPa・s(cp)である時に行われる、請求項1に記載のエアロゲルブランケットの製造方法。
  3. 前記ステップA)において、溶媒による希釈後の回収されたゾルは、1mPa・s(cp)~5mPa・s(cp)の粘度を有する、請求項1に記載のエアロゲルブランケットの製造方法。
  4. 前記ステップB)により製造された触媒化したゾルは、前記ゲル化が停止した回収されたゾルを7~40重量%含む、請求項1~3のいずれかに記載のエアロゲルブランケットの製造方法。
  5. 前記触媒化したゾルは、ブランケット用基材の体積基準で100%~170%の体積になるように投入される、請求項1~4のいずれかに記載のエアロゲルブランケットの製造方法。
  6. 前記ステップ1)の完了の前に、前記ステップ2)が行われ始める、請求項1~5のいずれかに記載のエアロゲルブランケットの製造方法。
  7. 3)前記ゲル化した湿潤ゲル-ブランケット複合体を熟成するステップと、
    4)前記ゲル化した湿潤ゲル-ブランケット複合体を表面改質するステップとをさらに含む、請求項1~6のいずれかに記載のエアロゲルブランケットの製造方法。
  8. 5)前記湿潤ゲル-ブランケット複合体を乾燥するステップをさらに含み、
    前記乾燥は、超臨界乾燥、または1±0.3atmの圧力および70℃~200℃の温度での常圧乾燥工程により行われる、請求項1~7のいずれかに記載のエアロゲルブランケットの製造方法。
  9. 前記ステップ1)において、含浸は、前記ブランケット用基材を回転させながら行われる、請求項1~8のいずれかに記載のエアロゲルブランケットの製造方法。
  10. 前記ブランケット用基材の回転は、1rpm~300rpmの回転速度で行われる、請求項9に記載のエアロゲルブランケットの製造方法。
  11. 前記ステップ1)は、
    前記ブランケット用基材をボビンに巻いた状態で反応容器に投入した後、
    前記ボビンを回転させて前記ブランケット用基材を回転させながら前記触媒化したゾルを含浸させる過程により行われる、請求項1~10のいずれかに記載のエアロゲルブランケットの製造方法。
  12. 前記ステップ1)は、反応容器にブランケット用基材を投入した後、触媒化したゾルを投入する方法、反応容器に触媒化したゾルを投入した後、ブランケット用基材を投入する方法、および反応容器に触媒化したゾルを投入しながらブランケット用基材を投入する方法のいずれか一つの方法により行われる、請求項11に記載のエアロゲルブランケットの製造方法。
  13. 前記ステップ2)において、ゲル化は、前記触媒化したゾルが含浸されたブランケット用基材を回転させながら行われる、請求項1~12のいずれかに記載のエアロゲルブランケットの製造方法。
  14. 前記ステップB)で製造された触媒化したゾルを別のブランケット用基材に含浸させ、 前記触媒化したゾルが含浸されたブランケット用基材を回転させながらゲル化させるステップをさらに含む、請求項1~13のいずれかに記載のエアロゲルブランケットの製造方法。
  15. 前記熟成および表面改質は、前記ステップ2)で製造された湿潤ゲル-ブランケット複合体を回転させながら行われる、請求項7に記載のエアロゲルブランケットの製造方法。
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