内部增强的气凝胶及其用途的制作方法

本公开内容涉及气凝胶领域。具体而言，本发明涉及包括至少部分进入气凝胶的支撑材料(例如膜或层)的增强气凝胶。

背景技术：

1、根据定义，凝胶是一种海绵样三维固体网络，其孔隙填充有其他非气态物质，如液体。凝胶的液体不能从凝胶结构中自由扩散并保留在凝胶的孔隙中。干燥期间呈现无阻碍收缩和内部孔隙塌陷的凝胶干燥提供通常称为干凝胶的材料。

2、相比之下，干燥期间几乎没有或没有收缩和内部孔隙塌陷的凝胶可以产生气凝胶。气凝胶是由凝胶形成的多孔固体，其中填充固体孔隙的液体已被气体替代。随着液体被消耗，作用于凝胶固体网络上的毛细作用力被最小化或抵消，因此干燥期间凝胶固体网络的收缩可忽略不计或者完全避免。气凝胶的特征通常在于具有高孔隙率(约94％至98％)和高比表面积。气凝胶还具有相对低的密度，并且是具有最高99％孔隙率的独特固体。这种大孔隙赋予气凝胶许多有用的性质，包括高表面积、低折射率、低介电常数、低热损失系数和低声速。

3、然而，传统的气凝胶缺乏机械耐久性。缺乏耐久性会对扩大生产规模、大规模制造、构造不规则表面或在动态条件下保持完整性产生负面影响。因此，柔性、可压缩性、完整性、耐久性、强度和抗撕裂性是气凝胶潜在改进的所有方面。

技术实现思路

1、本发明人发现了一种制备增强气凝胶的方法，其提供改善的耐久性，同时保持所述气凝胶的其他有益特征。实施方案涉及具有并入到气凝胶的支撑材料(例如膜或层)的气凝胶——内部增强的气凝胶。所得气凝胶的材料强度、弯曲疲劳、抗撕裂性和其他机械性能得到改善，同时保持隔热和隔音性能。

2、某些实施方案涉及包含具有支撑体的气凝胶的内部增强的气凝胶，所述支撑体至少部分进入气凝胶且所述气凝胶进入支撑体的结构，即所述支撑体并入所述气凝胶中。某些方面涉及内部增强的气凝胶，其中在不使用任何外部黏合剂将支撑体黏附至所述气凝胶的情况下，使所述支撑体与所述气凝胶结合，即在某些方面所述内部增强的气凝胶特别地排除使用任何黏合剂。在其他方面中，支撑体完全进入气凝胶，并设置成与气凝胶的顶部边缘和底部边缘大致等距，或位于支撑体外部边缘之间的任何位置。在某些方面，支撑体部分进入气凝胶(气凝胶也进入支撑体)，并且支撑体的一部分位于气凝胶的外边缘之外或与气凝胶的外边缘对齐。在某些方面，气凝胶为聚合物气凝胶。在另一方面，气凝胶为聚酰亚胺气凝胶。在某些情况下，支撑体可以呈膜或层的形式。在特定的情况下，支撑体可以是气凝胶中的多个纤维、气凝胶中的纤维膜或纤维层、含纤维的膜或层，或者包含压制在一起以形成支撑体的两个或多于两个纤维层的支撑体膜或支撑体层。

3、在某些方面，气凝胶为增强薄膜或增强薄层的形式。气凝胶的厚度可以为1.5密耳、2密耳、3密耳、4密耳、5密耳、6密耳、7密耳、8密耳或9密耳至8密耳、9密耳、10密耳、11密耳、12密耳、13密耳、14密耳或15密耳，包括其中的所有数值和范围。在某些方面，气凝胶的厚度为至多8密耳、9、10密耳、11密耳、12密耳、13密耳、14密耳或15密耳。

4、气凝胶可以用形成支撑体膜的呈薄膜或片或层形式的支撑体进行增强。在某些方面，支撑体的厚度为0.25密耳、0.5密耳或0.75密耳至0.5密耳、0.75密耳或1密耳，包括其中的所有数值和范围。支撑体可以包含1个、2个、3个或多于3个支撑体层，支撑体层被彼此压制或彼此紧邻放置以形成支撑体膜。在另一方面，支撑体的厚度为1密耳或更小。在某些方面，支撑体膜与气凝胶的厚度比为约1:1、1:2、1:10、1:50、1:100或1:150，包括其中的所有比例和范围。支撑体可以是织物或非织物聚合物支撑体或纤维支撑体。在某些方面，纤维支撑体包括单纤维平均横截面积为7μm2至800μm2的纤维。在某些方面，纤维支撑体包括至少一层单向纤维、全向纤维或其组合。在某些方面，纤维支撑体包含全向纤维。在其他方面，纤维支撑体包含长径比小于、约为或大于40、50、60或70的纤维。纤维支撑体中的纤维可以是微纤维。

5、纤维支撑体可以包含天然纤维、合成纤维、半合成纤维或其组合。纤维支撑体的纤维可以为植物纤维、木材纤维、动物纤维、矿物纤维、生物纤维或其组合。在某些方面，纤维支撑体的纤维包括纤维素纤维、人造丝纤维、竹纤维、二醋酸酯纤维、三醋酸酯纤维或其组合。在其他方面，纤维可以包括金属纤维、碳纤维、碳化物纤维、玻璃纤维、矿物纤维或其组合。在其他方面，纤维支撑体的纤维包括热塑性聚合物纤维、热固性聚合物纤维或其组合。热塑性纤维可以是如下物质的纤维：聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚碳酸酯(pc)类聚合物、聚对苯二甲酸丁二醇酯(pbt)、聚(环己烷-1,4-二羧酸1,4-亚环己基酯)(pccd)、乙二醇改性的聚对苯二甲酸环己烷二甲醇酯(pctg)、聚苯醚(ppo)、聚丙烯(pp)、聚乙烯(pe)、聚氯乙烯(pvc)、聚苯乙烯(ps)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚乙烯亚胺或聚醚酰亚胺(pei)及其衍生物、热塑性弹性体(tpe)、对苯二甲酸(tpa)弹性体、聚(对苯二甲酸环己撑二亚甲基酯)(pct)、聚萘二甲酸乙二醇酯(pen)、聚酰胺(pa)、聚砜磺酸酯(polysulfone sulfonate,pss)、聚砜的磺酸酯(sulfonate of polysulfone)、聚醚醚酮(peek)、聚醚酮酮(pekk)、聚丙烯腈丁二烯苯乙烯(abs)、聚苯硫醚(pps)、其共聚物或其共混物的纤维。在某些方面，热固性纤维为聚芳酰胺、聚酰亚胺、聚苯并唑、聚氨酯或其共混物的纤维。纤维支撑体可以为维尼纶、聚烯烃、聚乙烯或聚酯纤维支撑体。

6、在某些方面，支撑体为纸支撑体或纤维素支撑体。纸是通过将通常为来源于木材或草的纤维素纸浆的潮湿纤维压在一起并将其干燥成柔性片而制成的薄材料。纸的厚度通常用卡尺测量，并且通常以千分之一英寸给出。纸的密度为棉纸的250kg/m3(16磅/立方英尺)至一些专用纸的1500kg/m3(94磅/立方英尺)。在某些方面，纸为多孔吸墨纸，其厚度为0.5mm至2mm，包括其中的所有数值。在另一方面，纸为色谱纸，其厚度为0.05mm至0.25mm，孔径为5μm至15μm。在某些方面，可以使用hirose纸(hirose paper mfg co,高知县,日本)。可以获得的纸为具有或不具有纳米纤维覆盖层的非织物纸，其基重小于50g/m2、60g/m2、70g/m2或80g/m2。在另一方面，纸可以具有4g/m2至50g/m2的基重，且厚度为10μm至50μm，最高0.5mm。纸可以包含纤维素纤维、维尼纶纤维、聚酯纤维、聚烯烃纤维、聚丙烯纤维或其各种组合。

7、在某些方面，增强气凝胶具有至少50000，100000至500000次失效循环数的屈挠疲劳。在另一方面，凝胶在23℃下的拉伸强度为至少5mpa、至少10mpa、至少15mpa至至少15mpa、至少20mpa、至少25mpa，包括其中的所有数值和范围。在其他方面，增强凝胶可以具有200mpa至350mpa、225mpa至350mpa、250mpa至350mpa、275mpa至350mpa、300mpa至350mpa、325mpa至350mpa的杨氏模量，包括其中的所有数值。

8、其他实施方案涉及用于制造增强气凝胶的方法。在某些方面，制造具有内部支撑体的气凝胶复合材料的方法包括：在支撑体膜表面形成气凝胶以形成支撑气凝胶；并且滚压所述支撑气凝胶以形成内部增强的气凝胶，其中滚压使得支撑体压入气凝胶薄膜内。在其他方面中，可以通过在支撑体上、周围和/或内部旋涂、溶剂浇铸或喷涂气凝胶薄膜或气凝胶前体溶液而将支撑体并入气凝胶中。

9、在一些方面，公开了一种制品。所述制品可以包括增强气凝胶。在一些实施方案中，所述制品为薄膜、整体材料、晶片、毡状物、芯复合材料、用于射频天线、遮阳屏风、遮阳板、天线罩的基材、用于油和/或气体管道的绝热材料、用于液化天然气管道的绝热材料、用于低温流体输送管道的绝热材料、用于服装的绝热材料、用于航空航天应用的绝热材料、用于建筑物、汽车和其他人类栖息地的绝热材料、用于机动车应用的绝热材料、用于散热器的绝热材料、用于管道和通风设备的绝热材料、用于空调的绝热材料、用于加热和制冷及移动空调单元的绝热材料、用于冷却器的绝热材料、用于包装的绝热材料、用于消费品的绝热材料、减振系统、电线和电缆绝热材料、用于医疗设备的绝热材料、用于催化剂的载体、药物、药品和/或药物递送体系的支撑体、含水过滤设备、基于油的过滤设备和基于溶剂的过滤设备。在一些实施方案中、本文所述的高度支化聚酰亚胺气凝胶包含在天线、遮阳板、遮阳屏风、天线罩或过滤器中。

10、在一些方面，本文公开了使用本文所述的增强气凝胶过滤流体的方法。所述流体可以含有杂质和/或期望的物质。所述方法可包括在足以从进料流体中去除至少一部分所述杂质和/或期望物质并产生滤液的条件下，使所述进料流体与所述支化聚酰亚胺气凝胶接触。在一些情况下，所述气凝胶可以是膜、粉末、毡状物或整体材料的形式。在一些情况下，本文所公开方法中使用的进料流体可以为液体、气体、超临界流体或其混合物。进料流体可以含有水(h2o)和/或为非水液体。非水流体可以为油、溶剂或其任意组合。在一些情况下，进料流体可以为溶剂(例如，有机溶剂)。进料流体可以为乳液(例如，水-油乳液、油-水乳液、水-溶剂乳液、溶剂-水乳液、油-溶剂乳液或溶剂-油乳液)。进料流体可以为生物流体(例如，血液、血浆或两者)。进料流体可以为气体(例如，空气、氮气、氧气、惰性气体或其混合物)。在一些情况下，滤液可以基本上不含杂质和/或期望的物质。

11、在一些方面，本公开内容提供了一种用于过滤包含杂质和/或期望物质的流体的系统。所述系统可以包括本文所述的增强支化气凝胶以及与所述气凝胶、进料流体和滤液连接的分离区。

12、本技术全文还讨论了本发明的其他实施方案。关于本发明一方面所讨论的任何实施方案也可以应用于发明的其他方面，反之亦然。本文所描述的每个实施方案应理解为可适用于本发明所有方面的本发明实施方案。可以预期的是，对于本发明的任何方法或组合物，可以实施本文所讨论的任何实施方案，反之亦然。此外，本发明的组合物和工具盒可以用于实现本发明的方法。

13、以下内容包括了本说明书全文中使用的各种术语和短语的定义。

14、本文所用的“气凝胶”是指低密度和主要为开孔的一类独特材料。气凝胶为通常通过在高于溶剂临界点的温度和压力下，从开孔聚合物材料支撑的凝胶结构的孔中去除孔隙中可移动的溶剂相而形成的一类材料。通过控制凝胶和蒸发体系，不会出现收缩和孔塌陷。气凝胶通常具有低堆积密度(约0.15g/cm3或更低，优选为约0.03g/cm3至0.3g/cm3)、非常高的表面积(通常为约200m2/g至1000m2/g和更高，优选为约700m2/g至1000m2/g)、高孔隙率(约90％和更高，优选大于约97％)和相对更大的孔体积(大于约3.8ml/g，优选为约3.9ml/g和更高)。

15、术语“非织物”定义为由纤维制成的材料，其不具有使用连续纤维的纺织或交织结构。然而，本发明支撑体的非织物纤维区域可以具有一些单纤维的随意交叉，这样的交叉不改变纤维区域的非织物结构，并且不是材料所设计的连续结构。

16、术语“杂质”是指进料流体中与期望滤液不同的不希望物质和/或在滤液中不期望的。在一些情况下，杂质可以为固体、液体、气体或超临界流体。在一些实施方案中，气凝胶可以去除一些或全部的杂质。

17、术语“期望物质”是指进料流体中与期望滤液不同的想要的物质。在一些情况下，期望物质可以为固体、液体、气体或超临界流体。在一些实施方案中，气凝胶可以去除一些或全部的期望物质。

18、术语“射频(rf)”是指波长为10-4m至107m的电磁波谱区。

19、当在权利要求或说明书中与任意术语“包括”、“包含”、“含有”或“具有”连用时，要素前不使用数量词可以表示“一个”，但其也符合“一个或更多个”、“至少一个”和“一个或多于一个”的含义。

20、术语“约”或“大约”定义为如本领域普通技术人员所理解的接近于。在一个非限制性实施方案中，术语定义为10％以内，优选5％以内，更优选1％以内，最优选0.5％以内。

21、尽管公开内容支持仅指替代方案以及“和/或”的定义，在权利要求中所使用的术语“或”用于指“和/或”，除非明确地指出仅指替代方案或替代方案是互相排斥的。

22、如本说明书和权利要求所使用的，词语“包含”、“具有”、“包括”或“含有”是包括性的或开放式的，并且不排除另外的、未列举的要素或方法步骤。

23、本发明的其他目的、特征和优点通过下面的详细描述会变得明显。然而，应该理解该详细描述和具体实施例在表明本发明的具体实施方案时仅通过举例说明的方式给出，原因在于对本领域技术人员而言，在本发明的精神和范围内的各种变化和修改通过该详细描述会变得明显可知。