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JP7575125B1 - Thermal insulation composite material comprising aerogel coated with heat-resistant material and its preparation method - Google Patents

Thermal insulation composite material comprising aerogel coated with heat-resistant material and its preparation method Download PDF

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JP7575125B1 JP2023072606A JP2023072606A JP7575125B1 JP 7575125 B1 JP7575125 B1 JP 7575125B1 JP 2023072606 A JP2023072606 A JP 2023072606A JP 2023072606 A JP2023072606 A JP 2023072606A JP 7575125 B1 JP7575125 B1 JP 7575125B1
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承書 江
雅▲其▼ 柯
吉▲宏▼ 羅
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Abstract

【課題】低い誘電率、高い断熱性、及び高い防火性能を兼ね備える耐熱外層でエアロゲルを被覆した断熱複合材及びその調製方法を提供する。【解決手段】複合材料の調製方法は、混合加水分解ステップ(1)と、凝縮と分散ステップ(2)と、構造形成ステップ(3)と、常圧乾燥ステップ(4)と、外層被覆ステップ(5)と、硬化成形ステップ(6)と、表面処理ステップ(7)と、を含む。エアロゲルは凝縮分散中、微量の水の添加により分散する耐熱ゲルに溶融する。その後、繊維を含む予備成形構造に注入し、常圧高温乾燥を経た後に耐熱材料を被覆し硬化することによりエアロゲル複合材料を調製する。耐熱外層は、単層、多層、または多層積層を含み、製品は防火及び省エネ、炭素排出量の削減に応用可能になり、特に、クリーンルームまたは電気自動車のリチウムバッテリーモジュールの熱暴走の安全保護に応用できる。【選択図】図1The present invention provides a thermal insulation composite material and a preparation method thereof, which is made by coating an aerogel with a heat-resistant outer layer having low dielectric constant, high thermal insulation, and high fire protection performance. The preparation method of the composite material includes a mixing hydrolysis step (1), a condensation and dispersion step (2), a structure formation step (3), a normal pressure drying step (4), an outer layer coating step (5), a hardening molding step (6), and a surface treatment step (7). During the condensation and dispersion, the aerogel melts into a heat-resistant gel that disperses by adding a small amount of water. The aerogel is then injected into a preformed structure containing fibers, and after normal pressure high temperature drying, the heat-resistant material is coated and hardened to prepare an aerogel composite material. The heat-resistant outer layer includes a single layer, a multilayer, or a multilayer laminate, and the product can be applied to fire prevention, energy saving, and carbon emission reduction, especially for thermal runaway safety protection of clean rooms or lithium battery modules in electric vehicles. [Selected Figure] Figure 1

Description

本発明は、耐熱材料でエアロゲルを被覆する分野に関し、更に詳しくは、無粉塵、高断熱、高い防火性能、及び低い誘電率を兼ね備えたエアロゲル複合材料、及びその調製方法に関する。 The present invention relates to the field of coating aerogel with heat-resistant materials, and more specifically to an aerogel composite material that is dust-free, has high thermal insulation, high fire resistance, and a low dielectric constant, and to a method for preparing the same.

よく知られているように、エアロゲルは立体網状構造を有する多孔質材料であり、空隙率は80%以上に達し(さらには95%以上に達する)、且つ低密度(約0.005~0.2g/cm3)、高い比表面積(500~2000m2/g)、低い熱導率(k=15~40mW/mk)、低い誘電率(Dk=1.3~2.0)、低い誘電損失(Df<0.003以下)等の特性を有し、エアロゲルまたはその複合材料が高断熱、高い防火性能、及び低い誘電率等の優れた特性を獲得する。エアロゲルまたはその複合材料は、高い空隙率を有し、極低密度であるため、高断熱、高い防火性能、低い信号伝送抵抗、及び高い耐電圧性等の応用について、非常に高いポテンシャルを有している。このため、将来的に耐熱防火性能や、エネルギー消費量の多い生産設備や伝送管路のような省エネ及び炭素排出量の削減が求められる応用のような、各種産業において戦略的地位の獲得が見込まれている。現在、一般的な有機発泡材料は、常温または120度以下の環境において低くない断熱効果を有しているが、それらの有機発泡材料は調製過程において既に環境汚染を引き起こしており、且つ製品を120度以上の温度環境で応用する場合、高速に分解されてその断熱効果を喪失し、120度或いは更に高温の環境における有機発泡材料の応用が制限されている。また、一般的な無機繊維断熱製品は高温断熱に応用可能であるが、但し、長時間熱源から隔絶する性質は優れておらず、このため、将来的に省エネ及び炭素排出量の削減に応用する場合、更に優れたエアロゲルまたはそれに関連する複合材料により従来の有機発泡材料や無機繊維断熱製品を代替し、断熱効率及びエネルギー利用率を高め、省エネ及び炭素排出量の削減効果を向上させると共に、製品のプロセスにおける炭素排出量を削減する必要があった。また、将来的に5Gや6G等の高速なデータ伝送設備や電気自動運転車の信号の高速伝送等の高周波の応用においても、低い誘電率(Dk<2.5)、低い誘電損失(Df<0.003)、及び高い耐電圧等を兼ね備えた誘電材料が必要であった。基礎材料理論から分かるように、材料内部の多孔性は熱エネルギー及び正孔の伝送を明確に低下させるため、材料構造の空隙率が高くなるほど、その誘電性質が高くなった。よって、サブミクロン級やナノメートル級の多孔質二酸化ケイ素エアロゲル材料は放熱を防止するほか、5Gや6G等の高速なデータ伝送設備にも応用可能である。多孔質二酸化ケイ素エアロゲルは誘電率及び誘電損失を明確に低下させるため、信号送信端及び受信端においても、信号伝送効率を高め、信号の損失を減らすために応用可能である。将来的には、自動運転車や航空宇宙機における応用価値がある。 As is well known, aerogel is a porous material with a three-dimensional network structure, with a porosity of 80% or more (even 95% or more), low density (about 0.005-0.2 g/cm 3 ), high specific surface area (500-2000 m 2 /g), low thermal conductivity (k=15-40 mW/mk), low dielectric constant (Dk=1.3-2.0), low dielectric loss (Df<0.003 or less), etc., and aerogel or its composite material has excellent properties such as high thermal insulation, high fire resistance, and low dielectric constant. Aerogel or its composite material has high porosity and extremely low density, so it has great potential for applications such as high thermal insulation, high fire resistance, low signal transmission resistance, and high voltage resistance. Therefore, it is expected to gain a strategic position in various industries in the future, such as applications requiring heat resistance and fire protection, energy saving and carbon emission reduction, such as energy-intensive production equipment and transmission pipelines. At present, general organic foaming materials have a good thermal insulation effect at room temperature or below 120 degrees, but the preparation process of these organic foaming materials has already caused environmental pollution, and when the products are used in a temperature environment of 120 degrees or higher, they are decomposed quickly and lose their thermal insulation effect, limiting the application of organic foaming materials in environments of 120 degrees or higher. In addition, general inorganic fiber insulation products can be used for high-temperature insulation, but they do not have good properties for isolating from heat sources for a long time. Therefore, in the future, when applied to energy conservation and carbon emission reduction, it is necessary to replace the conventional organic foaming materials and inorganic fiber insulation products with better aerogels or related composite materials to improve the thermal insulation efficiency and energy utilization rate, improve the energy conservation and carbon emission reduction effects, and reduce the carbon emissions in the product process. In addition, in the future, high-frequency applications such as high-speed data transmission equipment such as 5G and 6G and high-speed transmission of signals for electric self-driving cars, a dielectric material with low dielectric constant (D k <2.5), low dielectric loss (D f <0.003), and high voltage resistance is also required. As can be seen from basic material theory, the porosity inside the material significantly reduces the transmission of thermal energy and holes, so the higher the porosity of the material structure, the higher its dielectric properties. Therefore, submicron and nanometer porous silicon dioxide aerogel materials can be used not only to prevent heat dissipation, but also in high-speed data transmission equipment such as 5G and 6G. Porous silicon dioxide aerogel significantly reduces the dielectric constant and dielectric loss, so it can also be used at the signal transmitting and receiving ends to improve signal transmission efficiency and reduce signal loss. In the future, it will be valuable for application in self-driving cars and aerospace vehicles.

しかしながら、エアロゲル材料は以上の優れた断熱及び誘電効果を有しているが、材料内部の分子間に微弱なファンデルワールス力を有しているため、エアロゲル関連製品は粉塵を極めて容易に落としやすく、エアロゲル関連製品をクリーンルーム等の厳格な環境に応用するには不適格であった。これに対し、本発明チームは、エアロゲル関連製品をクリーンルームにおけるプロセスの省エネ及び炭素排出量を削減する材料、及び電気自動車の高速伝送やリチウムバッテリーの熱暴走等の高温断熱材料に応用することを目指して開発を進め、エアロゲルのナノ粉塵の拡散や粉塵が落ちる等の危害を防止することを目標としてたゆまぬ努力を続けた。現在、既に国際的に開示されている特許に記載されている各種エアロゲル材料に被覆技術を加えても、ナノメートル級のエアロゲル粉塵が外に漏れるのを完全に抑制することはできず、特に200度以上の高温では、現在開示されている技術に使用されている有機系被覆材料(例えば、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリイミド、及びフルオロポリマー等のフィルム)は高温環境中で長時間受熱すると、関連する有機フィルムが徐々に疲労して劣化し、最終的にはエアロゲル粉塵が外に漏れたり、粉塵が落ちる等の重大な現象を引き起こした。これらの現象はクリーンルームや電気自動車のリチウムバッテリーの高温断熱材料にとって、依然として解決がまたれる重要な問題であった。 However, although aerogel materials have the above excellent thermal insulation and dielectric effects, they have weak van der Waals forces between the molecules inside the material, so that aerogel-related products are very easy to shed dust, making them unsuitable for application in strict environments such as clean rooms. In response to this, the present invention team has been developing aerogel-related products with the aim of applying them to materials that save energy and reduce carbon emissions in clean room processes, and to high-temperature insulation materials for high-speed transmission in electric vehicles and thermal runaway in lithium batteries, and has continued to make unremitting efforts with the goal of preventing the spread of aerogel nanodust and the harm caused by dust falling. Currently, even if coating technology is added to various aerogel materials described in patents already disclosed internationally, it is not possible to completely prevent nanometer-class aerogel dust from leaking out, and especially at high temperatures of 200 degrees or more, the organic coating materials (e.g., polypropylene, polyester, polyimide, and fluoropolymer films) used in the currently disclosed technology are gradually fatigued and deteriorated when exposed to heat for a long time in a high-temperature environment, ultimately causing serious phenomena such as aerogel dust leaking out and dust falling. These phenomena remain important problems to be solved for high-temperature insulating materials in clean rooms and lithium batteries for electric vehicles.

従来のエアロゲルの調製方法はゾルゲル合成法であり、主にまずアルコキシシラン(alkoxysilane)、テトラメトキシシラン、または水ガラス等の前駆物質と大量の有機混合溶剤とを混合した後、酸触媒を添加して加水分解反応(hydrolysis)を発生させる。加水分解反応を一定時間発生させた後、アルカリ触媒を添加して凝縮反応(condensation)を発生させ、凝縮反応過程においてゾルを徐々に形成する。ゾル内の分子は継続的に反応して結合し、半固体の高分子ゲルを徐々に形成する。次に、一定時間エージング(aging)を行ってゲルに構造が安定した立体網状構造を形成させる。最後に、1-ブタノール、1-ヘキサノール、n-ヘキサン、またはシクロヘキサン等の疎水性修飾溶剤を利用して溶剤の置換を行い、超臨界乾燥技術によりエアロゲル構造中の溶剤を抽出して乾燥する。従来のプロセス技術は、高価な有機溶剤及び超臨界設備を大量に消費する以外、疎水性修飾溶剤を利用して長時間溶剤の置換を行わねばならず、エアロゲルの調製コストが頗る高く、時間もかかった。 The traditional method for preparing aerogel is the sol-gel synthesis method, which mainly involves first mixing precursors such as alkoxysilane, tetramethoxysilane, or water glass with a large amount of organic mixed solvent, and then adding an acid catalyst to cause hydrolysis. After the hydrolysis reaction is allowed to occur for a certain period of time, an alkali catalyst is added to cause condensation, and a sol is gradually formed during the condensation reaction process. The molecules in the sol continuously react and bond to gradually form a semi-solid polymer gel. Then, aging is performed for a certain period of time to make the gel form a three-dimensional network structure with a stable structure. Finally, the solvent is replaced using hydrophobic modified solvents such as 1-butanol, 1-hexanol, n-hexane, or cyclohexane, and the solvent in the aerogel structure is extracted and dried using supercritical drying technology. In addition to consuming a large amount of expensive organic solvents and supercritical equipment, the traditional process technology requires a long time to replace the solvent using hydrophobic modified solvents, which makes the preparation of aerogel very costly and time-consuming.

一方、疎水性修飾エアロゲルの調製方法も同様にゾルゲル合成法を採用し、主にまずメチルトリメトキシシラン(methyltrimethoxysilane、MTMS)やメチルトリエトキシシラン(methyltriethoxysilane、MTES)等のメチルアルコキシシラン前駆物質と有機溶剤とを混合した後、アルカリ触媒を添加して加水分解反応を発生させる。一定時間加水分解反応を発生させた後に凝縮反応を発生させ、凝縮反応過程においてゾルを徐々に形成する。ゾル内の分子は継続的に反応して結合し、半固体の高分子ゲルを徐々に形成する。一定時間エージング(aging)を行った後、イソプロパノール、アセトン、n-ヘキサン、またはシクロヘキサン等の溶剤を利用して溶剤を2日から3日間置換し、疎水性修飾ゲルに構造が安定した立体網状構造を形成させる。最後に、常圧乾燥技術によりエアロゲル構造の溶剤を乾燥し、多孔質の乾燥したエアロゲルブロック材を獲得する。疎水性修飾エアロゲルのプロセスでは高価な有機溶剤を大量に消費し、アルコール類またはアルカン類により長時間溶剤の置換を行う必要があるため、調製に時間がかかり、コストも高くなった。 On the other hand, the preparation method of hydrophobically modified aerogel also adopts the sol-gel synthesis method, which mainly involves first mixing methylalkoxysilane precursors such as methyltrimethoxysilane (MTMS) and methyltriethoxysilane (MTES) with an organic solvent, and then adding an alkali catalyst to generate a hydrolysis reaction. After a certain period of hydrolysis, a condensation reaction is generated, and a sol is gradually formed during the condensation reaction process. The molecules in the sol continuously react and bond to gradually form a semi-solid polymer gel. After a certain period of aging, the solvent is replaced with isopropanol, acetone, n-hexane, or cyclohexane for 2 to 3 days to form a three-dimensional network structure with a stable structure in the hydrophobically modified gel. Finally, the solvent in the aerogel structure is dried by normal pressure drying technology to obtain a porous and dry aerogel block material. The process of hydrophobically modified aerogels requires the consumption of large amounts of expensive organic solvents and the need for lengthy solvent replacement with alcohols or alkanes, making preparation time-consuming and expensive.

上述のエアロゲル調製方法に採用するプロセス技術はどれも大量の疎水性修飾溶剤を利用している。例えば、アルカン類等の有機溶剤では、2日から3日間複数回に亘って溶剤の置換を行い、超臨界乾燥技術または常圧高温乾燥技術により、エアロゲル構造が常圧乾燥過程において水分子の表面張力の影響を受けて収縮したり亀裂が入る状況を回避する。「超臨界乾燥」は、水と有機溶剤とを高温及び高圧で超臨界状態にし、有機溶剤と水とが同時に気液混合性質を兼ね備え、超臨界状態において溶剤を直接気化して乾燥させる。こうすることで、超臨界条件において、網状構造中の余剰の溶剤を除去し、ウェットゲルを収縮しないようにしている。然しながら、関連するプロセス中に疎水性修飾溶剤の置換技術及び超臨界乾燥技術を複数回使用すると、時間がかかる上にコストも上昇し、エアロゲルの量産及び将来的な応用において競争力を失う恐れがあった。上述の疎水性修飾は、常温常圧多段階溶剤置換技術を用いているが、但し、このような修飾技術は24時間以上行う必要があり、プロセスにかかる時間が長過ぎ、コストパフォーマンスが見合わなかった。 All the process technologies used in the above-mentioned aerogel preparation methods use a large amount of hydrophobic modified solvent. For example, for organic solvents such as alkanes, the solvent is replaced multiple times for 2 to 3 days, and supercritical drying technology or normal pressure high temperature drying technology is used to avoid the situation where the aerogel structure shrinks or cracks due to the surface tension of water molecules during the normal pressure drying process. "Supercritical drying" is a process in which water and an organic solvent are brought to a supercritical state at high temperature and pressure, and the organic solvent and water simultaneously have gas-liquid mixing properties, and the solvent is directly evaporated and dried in the supercritical state. In this way, the excess solvent in the network structure is removed under supercritical conditions, and the wet gel does not shrink. However, the use of hydrophobic modified solvent replacement technology and supercritical drying technology multiple times during the related process takes time and increases costs, which may cause a loss of competitiveness in mass production and future applications of aerogel. The above-mentioned hydrophobic modification uses a multi-stage solvent replacement technique at room temperature and pressure, but this modification technique needs to be carried out for more than 24 hours, which is too long a process and not cost-effective.

従来の特許文献では、例えば、下記特許文献1には「断熱材および加熱部品」が開示されている。上記発明は断熱材及び加熱部品を提供している。断熱材は断熱材料及び第1被覆断熱材料を含み、且つ第1縫い目位置に沿って第1被覆層を縫い付け、断熱材料を密封する。上述の断熱材は断熱材料が発生する粉塵の飛散を防止可能である。また、上述の断熱材を含む加熱部品を更に提供する。但し、エアロゲル粉塵の粒径が極めて小さいため、シリカゲル、銅質アルカン類潤滑油、非石けん基合成潤滑油、リチウム基耐圧油脂、シリコン系油脂、及び二硫化モリブデン類バターのうちの1つの被覆層を利用してエアロゲル材料を被覆し、縫い目を利用して被覆層を縫い付ける。エアロゲル粉塵の放散を減少させることができるが、但し、依然としてクリーンルーム内部が汚染されないようにサブミクロン以下のエアロゲル粉塵の漏出を完全に抑制することはできなかった。 In conventional patent documents, for example, Patent Document 1 below discloses "thermal insulation and heating component". The above invention provides a thermal insulation and a heating component. The thermal insulation includes a thermal insulation material and a first coated thermal insulation material, and a first coating layer is sewn along the first seam position to seal the thermal insulation material. The above-mentioned thermal insulation can prevent the scattering of dust generated by the thermal insulation material. In addition, a heating component including the above-mentioned thermal insulation is further provided. However, since the particle size of the aerogel dust is extremely small, the aerogel material is coated using one of a coating layer selected from silica gel, copper alkane lubricating oil, non-soap-based synthetic lubricating oil, lithium-based pressure-resistant oil, silicon-based oil, and molybdenum disulfide butter, and the coating layer is sewn using a seam. Although the dispersion of aerogel dust can be reduced, it is still not possible to completely suppress the leakage of aerogel dust of submicron or less so as to prevent the inside of the clean room from being contaminated.

また、例えば、下記特許文献2には「フレキシブルな複合エアロゲルとその製造方法」が開示されている。上記発明は親水性エアロゲルの直接分散調製方法に関する。この方法は本発明が可撓性複合物の有機エアロゲルに監視、紡織強化物を含み、上記紡織強化物中に有機エアロゲルを配置する。上記有機エアロゲルは少なくとも一部分がポリフェノール及びホルムアルデヒドにより生成される樹脂を基礎とし、上記有機エアロゲルは少なくとも1種類の水溶性カチオン高分子電解質を含む重合有機ゲルであり、或いは、上記有機エアロゲルは多孔質炭素単ブロック形態を呈する上記ゲルの熱分解物であり、少なくとも1種類の上記水溶性カチオン高分子電解質の熱分解作用生成物を含む。 For example, Patent Document 2 below discloses "Flexible composite aerogel and its manufacturing method." The invention relates to a method for directly dispersing and preparing a hydrophilic aerogel. This method comprises the step of forming a flexible composite organic aerogel, which comprises a textile reinforcement and disposing the organic aerogel in the textile reinforcement. The organic aerogel is based on a resin at least partially produced by polyphenol and formaldehyde, and is a polymerized organic gel containing at least one water-soluble cationic polyelectrolyte, or is a pyrolysis product of the gel having a porous carbon monoblock form and contains at least one pyrolysis product of the water-soluble cationic polyelectrolyte.

また、例えば、下記特許文献3には「エアロゲル複合物およびそのエアロゲル複合物を調製する方法」が開示されている。上記発明はエアロゲル複合物に関する。上記エアロゲル複合物は上面及び下面を有する少なくとも1層の基底層を含み、上記基底層は増強エアロゲル組成物を含み、且つ上記エアロゲル組成物は増強材料及び単ブロックエアロゲルフレームを含む。第1マスク層は上記基底層の上面に接着する第1マスク材料を含み、第2マスク層は上記基底層の下面に接着する第2マスク材料を含む。上記基底層の上記単ブロックエアロゲルフレームの少なくとも一部分は上記第1マスク層及び上記第2マスク層の一部分に進入するように延伸されている。上記第1マスク材料及び上記第2マスク材料は、スパンデックス、ナイロン、ライクラ、弾力繊維、またはそれらの組み合わせのような弾性繊維を各々含み、或いは、主に弾性繊維で構成されている。但し、調製されるエアロゲル被覆材は弾性繊維または柔軟高分子シートフィルムを含み、且つ使用する接着材料はアクリル酸エステル、カルバミン酸エチル、ホットメルト接着剤等の有機接着剤であり、関連する柔軟性製品はエアロゲルに対する低くない保護性を有している。 Also, for example, the following Patent Document 3 discloses "Aerogel Composite and Method for Preparing the Aerogel Composite". The invention relates to an aerogel composite. The aerogel composite includes at least one base layer having an upper surface and a lower surface, the base layer includes an augmented aerogel composition, and the aerogel composition includes an augmented material and a monoblock aerogel frame. A first mask layer includes a first mask material adhered to the upper surface of the base layer, and a second mask layer includes a second mask material adhered to the lower surface of the base layer. At least a portion of the monoblock aerogel frame of the base layer is stretched to enter a portion of the first mask layer and the second mask layer. The first mask material and the second mask material each include an elastic fiber such as spandex, nylon, lycra, elastic fiber, or a combination thereof, or are composed mainly of an elastic fiber. However, the aerogel coating material prepared contains elastic fibers or flexible polymer sheet films, and the adhesive materials used are organic adhesives such as acrylic esters, ethyl carbamates, and hot melt adhesives, and the related flexible products have a high degree of protection against aerogel.

また、例えば、下記特許文献4には「エアロゲル複合物とその調製方法」が開示されている。上記発明は無機繊維及び有機繊維のうちの少なくとも1つを含む湿潤な繊維材料に関する。巻き取り構造による上記湿潤な繊維材料及びスペーサー、或いは平面形式で積層する上記湿潤な繊維材料及び上記スペーサーである。上記繊維材料を容器内に填入する。前駆物質を上記容器内に注入し、上記前駆物質をゲル化すると同時に真空で残余の気泡を除去し、ゲル-繊維複合物を調製する。上記容器から上記エアロゲル-繊維複合物を取り出し、上記スペーサーを除去する。溶剤を利用して代替し、有機表面により上記ゲル-繊維複合物を修飾した後、上記有機表面により修飾したゲル-繊維複合物を大気圧で乾燥するか、超臨界で乾燥する。 For example, Patent Document 4 below discloses "Aerogel composite and preparation method thereof". The invention relates to a wet fiber material containing at least one of inorganic fibers and organic fibers. The wet fiber material and spacer are wound in a winding structure, or the wet fiber material and spacer are laminated in a planar form. The fiber material is loaded into a container. A precursor is injected into the container, and the precursor is gelled while removing residual air bubbles under vacuum to prepare a gel-fiber composite. The aerogel-fiber composite is removed from the container, and the spacer is removed. The gel-fiber composite is modified with an organic surface by using a solvent instead, and then the gel-fiber composite modified with the organic surface is dried at atmospheric pressure or supercritically.

また、例えば、下記特許文献5には「強化エアロゲル複合材料を含む積層体」が開示されている。上記発明はエアロゲル複合材料に関する。上記エアロゲル複合材料は頂部表面及び底部表面を有する少なくとも1つの基底層を含み、上記基底層は強化エアロゲル組成物及び単ブロック強化エアロゲルフレームを含み、上記組成物は強化材料と、上記基底層の上記頂部表面に接着されている第1面材料を含む第1面層と、上記基底層の上記底部表面に接着されている第2面材料を含む第2面層と、を備えている。上記基底層の単ブロックエアロゲルフレームの少なくとも一部分は共に上記第1面層及び上記第2面層の少なくとも一部分まで延伸されている。上記第1面材料及び上記第2面材料は基本的にフルオロポリマー材料で各々構成されている。 For example, Patent Document 5 below discloses a "laminate comprising a reinforced aerogel composite material." The invention relates to an aerogel composite material. The aerogel composite material includes at least one base layer having a top surface and a bottom surface, the base layer including a reinforced aerogel composition and a monoblock reinforced aerogel frame, the composition including a reinforcement material, a first side layer including a first side material bonded to the top surface of the base layer, and a second side layer including a second side material bonded to the bottom surface of the base layer. At least a portion of the monoblock aerogel frame of the base layer both extends to at least a portion of the first side layer and the second side layer. The first side material and the second side material are each essentially composed of a fluoropolymer material.

また、例えば、下記特許文献6には「エアロゲルフェルトの製造方法」が開示されている。上記発明はエアロゲルフェルトの製造方法に関し、まずエアロゲルスラリーをガラス繊維フェルトに注入し、浸漬液を用いてガラス繊維フェルトの表面に1層の封止コーティング層を形成し、エアロゲルフェルトの保管、輸送、及び使用過程で粉塵が落ちる現象を回避している。こうすることで、エアロゲルフェルトのエアロゲル量が減少しないようにし、エアロゲルフェルトの保温性能に影響が出ないようにしている。その表面の封止コーティング層は、アクリル系乳液、タルクパウダー、VAE乳液、及び水性硬化剤混合物である。 For example, Patent Document 6 below discloses a "method for producing aerogel felt." The above invention relates to a method for producing aerogel felt, in which an aerogel slurry is first injected into glass fiber felt, and a layer of a sealing coating layer is formed on the surface of the glass fiber felt using a dipping liquid, thereby preventing dust from falling during storage, transportation, and use of the aerogel felt. This prevents the amount of aerogel in the aerogel felt from decreasing, and prevents the heat retention performance of the aerogel felt from being affected. The sealing coating layer on the surface is a mixture of acrylic emulsion, talc powder, VAE emulsion, and aqueous hardener.

また、本発明者らは、下記特許文献7には「不織布・エアロゲル複合耐火・断熱材及びその製造方法」が開示されている。上記発明は加水分解ステップ及び凝縮ステップによりエアロゲルを調製した後、成形ステップにおいて前述のエアロゲルを不織布に添加し、前述のエアロゲルを上記不織布に十分に挿入し、乾燥手順を経て不織布/エアロゲル複合耐火/断熱材を形成し、エアロゲルを上記不織布に十分に挿入するために、含侵加工方式または連続ローリング方式により実現する。上記乾燥手順の条件は、常温常圧で無水エアロゲルを乾燥し、或いは摂氏30度乃至80度で有機溶液を高速に気化させて乾燥する。 The inventors have also disclosed in the following Patent Document 7 "Nonwoven fabric/aerogel composite fireproof/insulating material and its manufacturing method". In the above invention, after preparing aerogel through a hydrolysis step and a condensation step, the above-mentioned aerogel is added to the nonwoven fabric in a molding step, and the above-mentioned aerogel is fully inserted into the nonwoven fabric, and a nonwoven fabric/aerogel composite fireproof/insulating material is formed through a drying step, and the aerogel is fully inserted into the nonwoven fabric by an impregnation processing method or a continuous rolling method. The conditions for the above drying step are to dry the anhydrous aerogel at room temperature and pressure, or to dry by rapidly evaporating an organic solution at 30 to 80 degrees Celsius.

また、本発明者らは、下記特許文献7には「エアロゲル・複合不織布耐火断熱材の作製方法」が開示されている。上記発明は、混合ステップ、加水分解ステップ、及び凝縮ステップを経てゲル化していないシリカゲル-シリカエアロゲル-シランカップリング剤のエアロゲル溶液の凝縮溶液を形成した後、成形ステップにおいて、ゲル化していない上記シリカゲル-シリカエアロゲル-シランカップリング剤のエアロゲル溶液の凝縮溶液を再生複合不織布毛布または一般的な不織布毛布に含侵、スプレー塗装、噴射、または溶液を連続的に吸圧し、上記シリカゲル-シリカエアロゲル-シランカップリング剤のエアロゲルをゲル化すると共に上記不織布毛布に挿入し、且つ乾燥手順を経てエアロゲル/複合不織布耐火断熱材を形成する。上記乾燥手順の条件は、常温常圧でエアロゲルを乾燥し、或いは摂氏30度乃至80度で有機溶液の高速気化乾燥手順を実行する。上記不織布は、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリエステル(Polyester)、ポリアミド(Polyamine)、ガラス繊維(glass fiber)、セラミック繊維(ceramic fibers)、炭素繊維(carbon fiber)のうちの1つ、またはそれらの組み合わせを利用して粉塵が落ちにくいエアロゲル複合材料を製造する。 The inventors also disclosed a method for producing an aerogel/composite nonwoven fabric fireproof insulation material in the following Patent Document 7. In the above invention, a condensed solution of an aerogel solution of an ungelled silica gel-silica aerogel-silane coupling agent is formed through a mixing step, a hydrolysis step, and a condensation step, and then in a molding step, the condensed solution of the aerogel solution of the ungelled silica gel-silica aerogel-silane coupling agent is impregnated, sprayed, sprayed, or continuously sucked into a recycled composite nonwoven blanket or a general nonwoven blanket, and the aerogel of the silica gel-silica aerogel-silane coupling agent is gelled and inserted into the nonwoven blanket, and an aerogel/composite nonwoven fabric fireproof insulation material is formed through a drying step. The drying step is performed by drying the aerogel at room temperature and normal pressure, or performing a high-speed evaporation drying step of the organic solution at 30 to 80 degrees Celsius. The nonwoven fabric is made of one or a combination of polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyester, polyamine, glass fiber, ceramic fibers, and carbon fiber to produce an aerogel composite material that is less likely to shed dust.

上述の発明特許は全てエアロゲル複合繊維毛布または断熱材の製造技術に関するが、直接調製法を採用するか、異なる有機スラリー浸泡法を利用するか、有機ゲル材接着法を利用するかを問わず、本チームは先行技術の軟性シリカゲル共混合法を利用するが、これにはエアロゲルの微小な粉塵がエアロゲル繊維複合毛布中から落ちやすいという欠点が依然として存在する。エアロゲル複合繊維毛布は粉塵が落ちやすいため、エアロゲルの耐熱効果及び断熱性能が徐々に低下し、特に180度以上の高温では顕著である。以上の発明特許において使用される有機質エアロゲル、有機被覆材料、有機修飾剤、または有機接着剤は180~200度のプロセス条件において高速に疲労すると共に分解するため、被覆効果が低下して大量の有機微粒子やエアロゲル粉塵が漏出した。 The above-mentioned invention patents are all related to the manufacturing technology of aerogel composite fiber blankets or insulation materials, whether they adopt direct preparation methods, different organic slurry soaking methods, or organic gel material adhesion methods. The team uses the prior art soft silica gel co-mixing method, which still has the disadvantage that aerogel fine dust is easy to fall off from the aerogel fiber composite blanket. Because the aerogel composite fiber blanket is easy to fall off dust, the heat resistance effect and insulation performance of the aerogel will gradually decrease, especially at high temperatures above 180 degrees. The organic aerogel, organic coating material, organic modifier, or organic adhesive used in the above-mentioned invention patents will fatigue and decompose quickly under the process conditions of 180-200 degrees, which will reduce the coating effect and cause a large amount of organic fine particles and aerogel dust to leak out.

以上の有機材料は高温による疲労及び分解のためにエアロゲル粉塵が外に漏出し、クリーンルームや電気自動車内部等のハイテク産業の応用において汚染を引き起こした。これはエアロゲル断熱材料の最大の欠点であった。エアロゲルまたはその複合材料の重大な粉塵の外漏れの原因として、内部のエアロゲル分子間に微弱な作用力が存在するため、凝縮して集合し、3次元の網状の多孔質構造を形成することで、シリカエアロゲルまたは有機-無機複合材料が高温での応用過程において、ナノメートル級乃至マイクロメートル級のエアロゲル粉塵を極めて容易に発生させる点が挙げられる。これらのエアロゲル粉塵は、エアロゲルをハイテク産業に早期に応用できなくする主要な原因となっている。特に、ハイテク産業の精密なプロセスは主にクリーンルーム内部で実行されるため、エアロゲル粉塵がハイテク産業やクリーンルームを汚染することが、高断熱エアロゲルの省エネ材料をハイテク産業の生産ラインに応用できない主な原因或いは問題点となっている。 The above organic materials leak aerogel dust due to fatigue and decomposition caused by high temperatures, causing pollution in high-tech industrial applications such as clean rooms and the interior of electric vehicles. This is the biggest drawback of aerogel insulation materials. The cause of serious dust leakage from aerogel or its composite materials is that there is a weak interaction between the internal aerogel molecules, which condense and aggregate to form a three-dimensional net-like porous structure, making it very easy for silica aerogel or organic-inorganic composite materials to generate nanometer to micrometer aerogel dust during application at high temperatures. This aerogel dust is the main reason why aerogel cannot be applied to high-tech industries in the near future. In particular, since the precision processes of high-tech industries are mainly carried out inside clean rooms, the pollution of high-tech industries and clean rooms by aerogel dust is the main reason or problem that prevents the application of high-insulation aerogel energy-saving materials to high-tech industrial production lines.

上述のエアロゲル粉塵が応用上の若干の欠点となっている点について、本発明者は上記の欠点が改善可能と考え、鋭意検討を重ねた結果、合理的設計で上記の課題を効果的に改善する本発明の提案に至った。本発明は、高強度、高い加工性、高い防火性能、高断熱性能、帯電防止性能を兼ね備えた無機材料でシリカエアロゲルを被覆する複合材料の製造方法を提供することを主目的とする。 The inventors believe that the above-mentioned aerogel dust poses some drawbacks in terms of practical applications, and after extensive research, have come up with the present invention, which effectively improves the above-mentioned issues through rational design. The main object of the present invention is to provide a method for producing a composite material in which silica aerogel is coated with an inorganic material that combines high strength, high processability, high fire resistance, high thermal insulation, and antistatic properties.

したがって、現在のポリエステルまたはポリイミド有機フィルムを利用してエアロゲルを被覆する製品では、長時間応用する過程において容易に疲労し分解しやすく、エアロゲル粉塵が漏出するという欠点を改善する。本発明の目的は、高強度、高い防火性能、高断熱、低い誘電率を兼ね備え、粉塵が漏出するのを回避し、繊維強化プラスチック(like-fiber reinforced plastic, LFRP)無機材料によりシリカエアロゲルを被覆する複合材料を提供する。本発明に係る製品は、高強度、高硬度、高断熱、及び高い防火性能等の性質を兼ね備え、クリーンルームにおける高温プロセス及び電気自動車のリチウムバッテリーモジュールの熱暴走の安全保護に応用可能である。本発明の他の目的は、ナノメートル級乃至サブミクロン級の上記ウェットゲル粒子懸濁分散溶液中に極微量の水で分散可能な耐熱性ゲル材料を添加することで、高い断熱効率と高い防火性能を兼ね備え、粉塵が落ちないエアロゲル構造複合材料を調製するためのエアロゲル複合材料の調製技術の改善を提供する。 Therefore, the current products that use polyester or polyimide organic films to cover aerogel are easily fatigued and decomposed during long-term application, and the defects of aerogel dust leakage are improved. The object of the present invention is to provide a composite material that combines high strength, high fire resistance, high insulation, and low dielectric constant, and avoids dust leakage, and that covers silica aerogel with a fiber-reinforced plastic (LFRP) inorganic material. The product of the present invention combines properties such as high strength, high hardness, high insulation, and high fire resistance, and can be applied to high-temperature processes in clean rooms and safety protection against thermal runaway of lithium battery modules in electric vehicles. Another object of the present invention is to provide an improved aerogel composite preparation technology for preparing an aerogel structure composite material that combines high insulation efficiency and high fire resistance and does not shed dust, by adding a heat-resistant gel material that can be dispersed in a very small amount of water to the suspension and dispersion solution of the wet gel particles of nanometer to submicron levels.

本発明のさらなる他の目的は、エアロゲル製品の外層の両側に高い断熱性能及び高熱伝導率をそれぞれ提供し、または低い誘電率及び高導電特性の表層を提供し、クリーンルームの高温管路の外部を被覆する断熱層または断熱層を有する工作機械のプラットフォームに適用し、パイプライン内或いは工作機械のプラットフォームの境界における熱の流失を低減し、省エネ及び炭素排出量の削減効果を高め、且つ導電技術を利用して高温管路を被覆する断熱層プラットフォームの外部に導電性を提供することで摩擦による静電気の発生を抑制する。本発明のさらにさらなる主目的は、複合構造の外部に高い防火性能を提供し、内部に高い断熱性を提供し、且つ電気自動車のリチウムバッテリーモジュールの放熱の断熱に適用し、電気自動車のリチウムバッテリーモジュールの熱暴走(thermal runaway)を回避し、電気自動車の安全性を高める。 A further object of the present invention is to provide high insulation performance and high thermal conductivity on both sides of the outer layer of the aerogel product, or to provide a surface layer with low dielectric constant and high conductivity, and apply it to an insulation layer covering the outside of a high-temperature pipeline in a clean room or a machine tool platform with an insulation layer, thereby reducing heat loss in the pipeline or at the boundary of the machine tool platform, improving the effect of energy saving and reducing carbon emissions, and using conductive technology to provide conductivity to the outside of the insulation layer platform covering the high-temperature pipeline, thereby suppressing the generation of static electricity caused by friction. A further main object of the present invention is to provide high fire protection performance to the outside of the composite structure, provide high insulation to the inside, and apply it to the insulation of the heat dissipation of the lithium battery module of an electric vehicle, to avoid thermal runaway of the lithium battery module of an electric vehicle, and improve the safety of the electric vehicle.

中国特許出願公開第113873697A号明細書Chinese Patent Application Publication No. 113873697A 台湾特許出願公開第201542457号明細書Taiwan Patent Application Publication No. 201542457 台湾特許出願公開第655094号明細書Taiwan Patent Application Publication No. 655094 台湾特許出願公開第663062号明細書Taiwan Patent Application Publication No. 663062 台湾特許出願公開第743082号明細書Taiwan Patent Application Publication No. 743082 台湾特許出願公開第765609号明細書Taiwan Patent Application Publication No. 765609 台湾特許出願公開第535658号明細書Taiwan Patent Application Publication No. 535658 台湾特許出願公開第643888号明細書Taiwan Patent Application Publication No. 643888

本発明は、まず、エアロゲルの調製過程において、懸濁分散技術により凝縮溶液を大量の分散溶液中に分散させた後、微量の耐熱ゲル材料を添加して均一に分散させ、この懸濁分散溶液を予備成形した繊維毛布に注入し、且つゲルを成形し、常圧乾燥した後、低い熱伝導率及び高い防火性能を兼ね備えたエアロゲル繊維予備成形複合構造材を調製する。その後、耐熱樹脂を含有する繊維生地または耐熱非有機フィルム等を更に利用してエアロゲル構造材を予備成形して表層を被覆し、その後に高温で硬化し、耐熱樹脂を含有する繊維生地または耐熱非有機フィルム及びゲル材を架橋硬化し、表層が高強度で緻密性が高い繊維強化プラスチック(LFRP)を調製し、高断熱、高い防火性能を兼ね備えたエアロゲル毛布の製品を被覆する。この組み合わせの製品は、粉塵が落ちず、高い断熱効率、高い防火性能、及び低い誘電率または帯電防止を兼ね備えたエアロゲルを被覆する複合材料である。 In the present invention, first, in the process of preparing the aerogel, the condensed solution is dispersed in a large amount of dispersion solution by a suspension dispersion technique, and then a small amount of heat-resistant gel material is added to disperse uniformly. The suspension dispersion solution is injected into a preformed fiber blanket, and the gel is formed. After drying at normal pressure, an aerogel fiber preformed composite structure material with low thermal conductivity and high fire resistance is prepared. Then, a fiber fabric containing a heat-resistant resin or a heat-resistant non-organic film is further used to preform the aerogel structure material to cover the surface layer, and then cured at high temperature to crosslink and cure the fiber fabric containing a heat-resistant resin or the heat-resistant non-organic film and the gel material, to prepare a fiber-reinforced plastic (LFRP) with a high strength and high density on the surface, which covers the aerogel blanket product with high insulation and high fire resistance. This combination product is a composite material that covers an aerogel that does not fall dust, has high insulation efficiency, high fire resistance, and low dielectric constant or antistatic properties.

上記課題を解決するために、本発明の一態様の耐熱材料で被覆されたエアロゲルは、特に無粉塵、高断熱、高い防火性能、及び低い誘電率を兼ね備えたエアロゲル複合材料に関する。本発明の実施形態は、エタノール水溶液中にシロキサン前駆体を添加して攪拌混合し、混合溶液を形成し、上記シロキサン前駆体としてシロキサン化合物及び異なるアルキル基鎖長で代替した疎水性修飾シロキサン化合物またはそれらの組み合わせを含み、その後、酸触媒を上記混合溶液に添加して加水分解反応を発生させる混合加水分解ステップ(1)と、上記混合溶液に大量の分散水溶液を添加して高速に攪拌し、上記凝縮溶液を水溶液に懸濁分散し、上記分散溶液はアルカリ触媒を含み、凝縮反応を発生させて懸濁分散サブミクロン級凝縮溶液を形成した後、懸濁分散サブミクロン級凝縮溶液体に微量の水で分散可能な耐熱性ゲル材料を添加する凝縮と分散ステップ(2)と、懸濁分散ゾル溶液を予備成形型に注入し、上記分散ゾル溶液を更に凝縮して固体状になったウェットゲルの予備成形型構造を形成し、上記懸濁分散ゾル溶液を繊維材料を含有する型に注入し、上記懸濁分散ゾル溶液を繊維材料を含有する予備成形型中で更に凝縮して繊維材料を含有する固体状になったウェットゲル予備成形複合構造を形成し、且つ微量の水で分散可能な耐熱性ゲル材料によりエアロゲル構造の表面を被覆する構造形成ステップ(3)と、高温加熱炉にマイクロ波技術を結合し、高温加熱炉により常圧及び高温乾燥気流を提供し、上記固体状になったエアロゲル成形構造の溶剤を高速に気化し、且つ水分子回転周波数のマイクロ波技術を利用し、エアロゲル成形構造内部の水分子を高速回転させて水分子の水素結合を破壊し、乾燥過程において水分子の界面張力に起因するエアロゲル構造の収縮破裂を抑制し、以上の技術を結合して多孔質構造であり、且つ低い熱伝導率及び低い誘電率を兼ね備えた予備成形エアロゲル材料を高速に獲得する常圧乾燥ステップ(4)と、300度以上の高温に耐えるゲル材溶液を準備し、上記ゲル材溶液を耐熱繊維生地または無機型板の表面に含侵またはスプレー塗装した後、ゲル材溶液が含侵された耐熱繊維生地または非有機フィルム板を更に利用してエアロゲル予備成形材料を多層で被覆する外層被覆ステップ(5)と、上記含耐熱性ゲル材料の耐熱繊維生地/非有機フィルム板により多層で被覆するエアロゲル予備成形材料を高温硬化環境において樹脂を硬化して成形し、高い強度及び高い緻密性を兼ね備え、粉塵が落ちない繊維強化プラスチックでエアロゲルを被覆する複合材料を獲得し、以上のプロセス技術により調製した外層は高強度、高い係数、高い緻密性を兼ね備えた繊維強化プラスチック(like-fiber reinforced plastic, LFRP)被覆層であり、内層は高断熱、低い誘電率を兼ね備えた微量の耐熱性ゲル材料を含有するエアロゲル構造複合材料であり、この組み合わせの製品は、粉塵が落ちず、高い断熱効率を有するエアロゲル複合構造材料である硬化成形ステップ(6)と、高強度、高い緻密性の上記LFRPで高断熱エアロゲル毛布を被覆し、高圧噴射、サンドブラスト、ウェットサンドブラスター、またはドライサンドブラスター等を利用した艶出し及び表面の塗装等の表面処理技術によりFRP被覆層の表面処理を行い、このプロセスの組み合わせのエアロゲル複合構造材料は、高強度、高耐熱、粉塵が落ちない、及び高い断熱効率を兼ね備えている表面処理ステップ(7)と、を含む。 In order to solve the above problems, the aerogel coated with a heat-resistant material according to one embodiment of the present invention relates to an aerogel composite material that is dust-free, has high thermal insulation, high fire resistance, and a low dielectric constant. The embodiment of the present invention includes a mixed hydrolysis step (1) in which a siloxane precursor is added to an ethanol aqueous solution and stirred to form a mixed solution, the siloxane precursor includes a siloxane compound and a hydrophobically modified siloxane compound substituted with a different alkyl group chain length, or a combination thereof, and then an acid catalyst is added to the mixed solution to cause a hydrolysis reaction; a large amount of a dispersion aqueous solution is added to the mixed solution and stirred at high speed to suspend and disperse the condensed solution in the aqueous solution, the dispersion solution includes an alkali catalyst, and a condensation reaction is caused to form a suspended and dispersed submicron-level condensed solution, and then a suspended and dispersed submicron-level condensed solution is dispersed in the aqueous solution. A condensation and dispersion step (2) of adding a heat-resistant gel material dispersible in a small amount of water to the condensed solution; a structure formation step (3) of injecting the suspended and dispersed sol solution into a preform mold, further condensing the dispersed sol solution to form a solid wet gel preform mold structure, injecting the suspended and dispersed sol solution into a mold containing a fiber material, further condensing the suspended and dispersed sol solution in the preform mold containing a fiber material to form a solid wet gel preform composite structure containing a fiber material, and coating the surface of the aerogel structure with a heat-resistant gel material dispersible in a small amount of water; and a structure formation step (4) of combining a high-temperature heating furnace with microwave technology to form a high-temperature wet gel preform mold structure. A normal pressure drying step (4) is carried out by providing a normal pressure and high temperature drying airflow in a heating furnace to rapidly evaporate the solvent in the solid aerogel molded structure, and by utilizing microwave technology with a water molecule rotation frequency to rapidly rotate the water molecules inside the aerogel molded structure, the hydrogen bonds of the water molecules are broken, and the shrinkage and bursting of the aerogel structure caused by the interfacial tension of the water molecules during the drying process is suppressed. The normal pressure drying step (4) is carried out by combining the above technologies to rapidly obtain a preformed aerogel material with a porous structure and low thermal conductivity and low dielectric constant. A gel material solution that can withstand high temperatures of 300 degrees or more is prepared, and the gel material solution is applied to the surface of a heat-resistant fiber fabric or an inorganic template. (5) an outer layer coating step of further using a heat-resistant fiber fabric or a non-organic film plate impregnated with a gel material solution to coat the aerogel preformed material in multiple layers; and (6) curing the resin of the aerogel preformed material coated with the heat-resistant fiber fabric/non-organic film plate containing the heat-resistant gel material in multiple layers in a high-temperature curing environment to obtain a composite material coated with aerogel and fiber-reinforced plastic that has high strength, high density, and does not shed dust. The outer layer prepared by the above process technology is a fiber-reinforced plastic (like-fiber) that has high strength, high modulus, and high density. The process includes a hardening and molding step (6) in which the LFRP (fiber reinforced plastic) coating layer is made of a high-strength, high-density aerogel blanket, and the inner layer is an aerogel structural composite material containing a small amount of heat-resistant gel material that has high thermal insulation and low dielectric constant. The product of this combination is an aerogel composite structural material that does not shed dust and has high thermal insulation efficiency. The process also includes a surface treatment step (7) in which the high-strength, high-density LFRP is used to cover the high-insulation aerogel blanket, and the surface of the FRP coating layer is treated by surface treatment techniques such as polishing and surface painting using high-pressure spraying, sand blasting, wet sand blasting, or dry sand blasting. The aerogel composite structural material of this process combination has high strength, high heat resistance, no dust, and high thermal insulation efficiency.

さらに、混合加水分解ステップ(1)において、上記シロキサン化合物として、テトラメトキシシラン(Tetramethoxysilane,TMOS)、テトラエトキシシラン(Tetraethoxysilane, TEOS)、またはそれらの組み合わせを含む。上記疎水性修飾シロキサン化合物として、メチルトリメトキシシラン(Methyltrimethoxysilane、MTMS)、プロピルトリメトキシシラン(Propyltrimethoxysilane、PTMS)、ヘキシルトリメトキシシラン(Hexyltrimethoxysilane、HTMS)、オクチルトリメトキシシラン(Octyltrimethoxysilane、OTMS)、ヘキサメチルジシラン(Hexamethyldisilane、HMDS)等の異なるアルキル基鎖長で代替した疎水性修飾シロキサンの1つまたはそれらの組み合わせを含む。混合溶液全体において、上記シロキサン化合物及び上記疎水性修飾シロキサン化合物の含有量のモル比は0:100 mol%~95:5 mol%であり、上記疎水性修飾シロキサン化合物を添加する目的は、乾燥過程でエアロゲル構造に亀裂が発生する現象を減少させることである。一方、上記シロキサン化合物を添加する目的は、エアロゲル構造内部の微細構造を調節し、構造中の孔構造及び空隙率を増加させることで、熱伝導率を低下させる或いは断熱性を高めることである。 In the mixed hydrolysis step (1), the siloxane compound includes tetramethoxysilane (TMOS), tetraethoxysilane (TEOS), or a combination thereof. The hydrophobically modified siloxane compound includes one or a combination of hydrophobically modified siloxanes substituted with different alkyl group chain lengths, such as methyltrimethoxysilane (MTMS), propyltrimethoxysilane (PTMS), hexyltrimethoxysilane (HTMS), octyltrimethoxysilane (OTMS), and hexamethyldisilane (HMDS). In the entire mixed solution, the molar ratio of the content of the siloxane compound and the hydrophobically modified siloxane compound is 0:100 mol% to 95:5 mol%, and the purpose of adding the hydrophobically modified siloxane compound is to reduce the phenomenon of cracks occurring in the aerogel structure during the drying process. On the other hand, the purpose of adding the siloxane compound is to adjust the microstructure inside the aerogel structure and increase the pore structure and porosity in the structure, thereby reducing the thermal conductivity or increasing the thermal insulation.

さらに、混合加水分解ステップ(1)において、上記混合溶液における上記酸触媒の含有量比が高くなる程、加水分解速度が速くなり、但し、大量の酸イオンを含むことで電場作用によってイオンの導電性質が発生するため、エアロゲル構造の誘電率及び誘電損失も明らかに高まった。相対的に、酸触媒の含有量比が低くなる程、全体的な加水分解速度が遅くなる。よって、本発明は酸触媒の含有量を減らし、プロセス温度を高めることで微量の酸イオンの加水分解速度を速め、こうすることで、全体的に添加する酸イオン及び凝縮の塩基イオンの含有量を明確に低下させている。一方、シロキサン化合物及び疏水化シロキサン化合物の加水分解過程で大量に発生するアルコール類分子は、加水分解過程において超純水によりアンモニア水及びアルカン類等の有機溶剤を代替し、こうすることでアンモニア水及びアルカン類等の有機溶剤の添加を減らし、アンモニア水等の有機溶剤がエアロゲルの誘電性質に与える影響を低減するほか、プロセス中の有機溶剤処理に伴う危険及び環境汚染をも減らし、全体的なエアロゲルの調製コストも抑制する。 Furthermore, in the mixed hydrolysis step (1), the higher the content ratio of the acid catalyst in the mixed solution, the faster the hydrolysis rate; however, the inclusion of a large amount of acid ions generates ion conductivity due to the action of an electric field, so the dielectric constant and dielectric loss of the aerogel structure are also significantly increased. Relatively, the lower the content ratio of the acid catalyst, the slower the overall hydrolysis rate. Therefore, the present invention reduces the content of the acid catalyst and increases the process temperature to accelerate the hydrolysis rate of trace amounts of acid ions, thereby significantly reducing the overall content of added acid ions and condensed base ions. Meanwhile, the alcohol molecules generated in large quantities during the hydrolysis of siloxane compounds and hydrophobic siloxane compounds are replaced by ultrapure water in the hydrolysis process with organic solvents such as ammonia water and alkanes, thereby reducing the addition of organic solvents such as ammonia water and alkanes, which not only reduces the impact of organic solvents such as ammonia water on the dielectric properties of the aerogel, but also reduces the danger and environmental pollution associated with the treatment of organic solvents during the process, and reduces the overall cost of preparing the aerogel.

さらに、混合加水分解ステップ(1)において、混合溶液全体における上記溶剤の含有量が多くなる程、後続の乾燥するウェットゲル粒子内の空隙率が高くなる。相対的に、混合溶液全体における上記溶剤の含有量が少なくなる程、後続の乾燥するウェットゲル粒子内の空隙率が低くなる。上記溶剤として、エタノール、再利用エタノール水溶液、再利用メタノール水溶液、再利用水、超純水、濾過水、蒸留水、またはそれらの組み合わせを含む。 Furthermore, in the mixed hydrolysis step (1), the higher the content of the above solvent in the entire mixed solution, the higher the porosity in the subsequently dried wet gel particles. Relatively, the lower the content of the above solvent in the entire mixed solution, the lower the porosity in the subsequently dried wet gel particles. The above solvents include ethanol, recycled ethanol aqueous solution, recycled methanol aqueous solution, recycled water, ultrapure water, filtered water, distilled water, or combinations thereof.

さらに、凝縮分散ステップ(2)において、微量のアルカリ触媒を含有する大量のエタノールを含有する分散水溶液を添加し、上記加水分解溶液中のシロキサン分子または疎水性修飾シロキサン分子の混合溶液を乳化機またはホモジナイザーにより高速に攪拌し、加水分解した上記シロキサン分子または疎水性修飾シロキサン分子を大量の分散水溶液により希釈攪拌し、ナノメートル級乃至サブミクロン級の円形分子懸濁油滴を形成し、大量の分散水溶液中に分散させる。このステップを利用する主な目的は、加水分解する上記シロキサン分子または疎水性修飾シロキサン分子を大量の分散水溶液で希釈攪拌し、ナノメートル級乃至サブミクロン級の円形分子懸濁油滴を形成して反応接触面積を増加し、凝縮反応速度を加速して形成されたナノメートル級乃至サブミクロン級のウェットゲル粒子を高速に疲労させることである。このステップを利用する他の目的は、形成されたナノメートル級乃至サブミクロン級のウェットゲル粒子を後続の乾燥過程において、その比表面積を明確に増加することで乾燥速度を速めることである。 In addition, in the condensation dispersion step (2), a dispersion solution containing a large amount of ethanol containing a trace amount of an alkali catalyst is added, and the mixed solution of siloxane molecules or hydrophobically modified siloxane molecules in the hydrolysis solution is stirred at high speed by an emulsifier or homogenizer, and the hydrolyzed siloxane molecules or hydrophobically modified siloxane molecules are diluted and stirred with a large amount of dispersion solution to form nanometer- to submicron-level circular molecular suspension oil droplets, which are dispersed in a large amount of dispersion solution. The main purpose of using this step is to dilute and stir the hydrolyzed siloxane molecules or hydrophobically modified siloxane molecules with a large amount of dispersion solution to form nanometer- to submicron-level circular molecular suspension oil droplets, thereby increasing the reaction contact area and accelerating the condensation reaction rate, thereby rapidly tiring the formed nanometer- to submicron-level wet gel particles. Another purpose of using this step is to clearly increase the specific surface area of the formed nanometer- to submicron-level wet gel particles in the subsequent drying process, thereby accelerating the drying rate.

さらに、上述の凝縮分散ステップ(2)において、本発明はナノメートル級乃至サブミクロン級の上記ウェットゲル粒子及び分散水中に極微量の水で溶解分散可能な耐熱性ゲル材料を添加し、水で溶解分散可能な上記耐熱性ゲル材料を利用して後続の乾燥過程においてナノメートル級乃至サブミクロン級の上記ウェットゲル粒子の表面を被覆し、且つ被覆するゲル材をウェットゲル粒子構造の安定剤とすることで、本調製方法による製品に亀裂が入らなくなり、大量の疎水性修飾トルエン、n-ヘキサン等の有機溶剤を添加する必要がなくなり、調製中にも界面活性剤等の助剤を添加する必要もなくなり、疎水性修飾有機溶剤の置換ステップを何回も行う必要がなくなる。 Furthermore, in the above-mentioned condensation dispersion step (2), the present invention adds a heat-resistant gel material that can be dissolved and dispersed in a very small amount of water to the above-mentioned nanometer- to submicron-level wet gel particles and dispersion water, and uses the heat-resistant gel material that can be dissolved and dispersed in water to cover the surface of the above-mentioned nanometer- to submicron-level wet gel particles in the subsequent drying process, and the coating gel material serves as a stabilizer for the wet gel particle structure, so that the product prepared by this preparation method does not crack, and there is no need to add a large amount of organic solvents such as hydrophobically modified toluene and n-hexane, and there is no need to add auxiliary agents such as surfactants during preparation, and there is no need to perform the hydrophobically modified organic solvent replacement step multiple times.

さらに、構造形成ステップ(3)では予備成形及び成形ステップを含む。予備成形ステップにおいて、形成されたナノメートル級乃至サブミクロン級の加水分解された上記シロキサン分子及び疎水性修飾シロキサン分子の混合懸濁分散溶液を予備成形型に注入し、ナノメートル級乃至サブミクロン級の上記ウェットゲル粒子を更に凝縮集合させて予備成形構造のゲル構造を形成し、各種サイズの管状、板状、或いは特定の外観形態の予備成形ゲル構造を形成する。本発明は、ナノメートル級乃至サブミクロン級の上記ウェットゲル粒子を相互に集合させることで3次元のウェットゲル粒子網状構造を形成し、ゲル化することでナノメートル級乃至サブミクロン級の上記エアロゲルウェットゲルを凝縮集合させて成形型の構造を形成し、且つ微量の水で分散可能な耐熱性ゲル材料を利用してエアロゲル構造の表面を被覆することで有機-無機複合構造を形成する。他の実施例では、凝縮反応を発生させていない上記凝縮懸濁分散ゾル溶液を、繊維材料を含有する予備成形型に注入し、ナノメートル級乃至サブミクロン級の加水分解された上記ウェットゲル粒子を予備成形型に進入させ、且つ繊維構造の間で更に凝縮集合させて3次元のウェットゲル粒子網状構造を形成し、予備成形型中でゲル化することで上記ケイ素基ウェットゲル粒子と繊維材料とを相互に結合した後、上記予備成形型中で更に凝縮することで繊維材料を含有する固体状になったウェットゲルの成形構造を形成し、且つ微量の水で分散可能な耐熱性ゲル材料を利用してエアロゲル構造の表面を被覆することで有機-無機複合構造を形成する。 Furthermore, the structure formation step (3) includes a preforming and molding step. In the preforming step, the mixed suspension dispersion solution of the hydrolyzed siloxane molecules and hydrophobically modified siloxane molecules of nanometer to submicron level formed is injected into a preforming mold, and the wet gel particles of nanometer to submicron level are further condensed and aggregated to form a gel structure of a preforming structure, and a preforming gel structure of various sizes of tubes, plates, or specific appearance forms is formed. The present invention forms a three-dimensional wet gel particle network structure by condensing and condensing the aerogel wet gel of nanometer to submicron level by gelling, and forms a mold structure by condensing and condensing the aerogel wet gel of nanometer to submicron level by gelling, and forms an organic-inorganic composite structure by coating the surface of the aerogel structure using a heat-resistant gel material that can be dispersed in a small amount of water. In another embodiment, the condensed suspension-dispersed sol solution in which no condensation reaction has occurred is injected into a preform containing a fiber material, the hydrolyzed wet gel particles of nanometer to submicron size enter the preform, and are further condensed and assembled between the fiber structure to form a three-dimensional wet gel particle network structure, and the silicon-based wet gel particles and the fiber material are bonded to each other by gelling in the preform, and then further condensed in the preform to form a solid wet gel molded structure containing the fiber material, and the surface of the aerogel structure is coated with a heat-resistant gel material that can be dispersed in a small amount of water to form an organic-inorganic composite structure.

さらに、上述の構造形成ステップ(3)において、含侵技術、吸圧技術、高圧注入、高圧噴射、高圧噴霧、或いは真空吸着等の技術を利用し、繊維を含有する構造に加水分解された上記シロキサン分子及び疎水性修飾シロキサン分子分散溶液を注入し、繊維を含有するエアロゲル薄板の複合加工を行う。 Furthermore, in the above-mentioned structure formation step (3), the hydrolyzed siloxane molecules and hydrophobically modified siloxane molecule dispersion solution are injected into the fiber-containing structure using techniques such as impregnation, suction, high-pressure injection, high-pressure injection, high-pressure spray, or vacuum adsorption, to perform composite processing of the fiber-containing aerogel thin plate.

さらに、上述の構造形成ステップ(3)において、300度以上の高温に耐える上記ゲル材は無機ゲルまたは熱硬化性樹脂のうちの1つまたはそれらの組み合わせを含み、より具体的な例で言えば、例えば、水ガラス、無機ケイ素樹脂、酸化銅-リン酸ゲル、ケイ酸塩ゲル、リン酸-ケイ酸塩ゲル、硫酸塩ゲル、酸化マグネシウム-二酸化ケイ素-ホウ砂無機ゲル、エポキシ樹脂、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンスルファイド、ポリエーテルケトン液晶ポリマー、ポリテトラフルオロエチレン、ポリメラミン、ポリフェノールアルデヒド、ポリメラミン-ホルムアルデヒド、ポリアミド、ポリアミドエステル、シリカゲル等の各種有機または無機ゲル材のうちの1つまたはそれらの組み合わせを挙げることができる。 Furthermore, in the above-mentioned structure formation step (3), the gel material that can withstand high temperatures of 300 degrees or more includes one or a combination of inorganic gels or thermosetting resins, and more specific examples include water glass, inorganic silicon resin, copper oxide-phosphate gel, silicate gel, phosphate-silicate gel, sulfate gel, magnesium oxide-silicon dioxide-borax inorganic gel, epoxy resin, polyimide, polyetherimide, polyphenylene ether, polyphenylene sulfide, polyether ketone liquid crystal polymer, polytetrafluoroethylene, polymelamine, polyphenol aldehyde, polymelamine-formaldehyde, polyamide, polyamide ester, silica gel, and other various organic or inorganic gel materials, or combinations thereof.

さらに、上述の構造形成ステップ(3)において、本発明の耐熱繊維として、金属繊維、無機繊維、液晶繊維、有機繊維を含み、具体的な例で言えば、マイクロメートル級乃至ナノメートル級の各種金属繊維または金属棒、ガラス繊維、炭素繊維、石英繊維、セラミック繊維、岩綿繊維、Kevlarポリアミド繊維、Nomexポリアミド繊維、ナイロン繊維、ポリエステル繊維、生分解性無機繊維、或いは生分解性有機繊維で調製される各種多孔質ばら繊維、蓆、紙、毛布、縄、厚板等、またはそれらの組み合わせを含む。 Furthermore, in the above-mentioned structure formation step (3), the heat-resistant fibers of the present invention include metal fibers, inorganic fibers, liquid crystal fibers, and organic fibers, and specific examples include various metal fibers or metal rods of the micrometer to nanometer order, glass fibers, carbon fibers, quartz fibers, ceramic fibers, rock wool fibers, Kevlar polyamide fibers, Nomex polyamide fibers, nylon fibers, polyester fibers, biodegradable inorganic fibers, or various porous loose fibers prepared from biodegradable organic fibers, mats, paper, blankets, ropes, thick boards, etc., or combinations thereof.

さらに、常圧乾燥ステップ(4)において、上記固体状になったエアロゲルの予備成形構造を結合した高温設備及びマイクロ波設備に放置し、高温加熱炉、UV光、或いはIR等の熱源を利用して上記混合溶剤の共沸温度の高温気流を提供し、且つ水分子回転周波数のマイクロ波周波数を結合し、エアロゲル成形構造内部の水分子をマイクロ波周波数に追随させて高速回転させ、エアロゲル構造中の水分子の水素結合を破壊し、製品の乾燥速度を加速させ、以上の技術を結合することで、エアロゲル構造内部の水分子及びアルコール類分子を高速に乾燥し、且つ水分子の界面張力に起因するエアロゲル構造の収縮破裂現象を抑制し、一般的な上記固体状になったエアロゲル成形構造の大量の混合溶剤の高速共沸気化温度は60~90℃の間である溶剤共沸気化ステップ(4-1)と、上記共沸温度環境において、気化した蒸気を熱交換回収設備にガイドし、上記熱交換回収設備中で水性アルコールを冷却凝縮すると共に回収し、上記回収の目的は、コストを低下させ、環境汚染を減らすことである溶剤回収ステップ(4-2)と、エアロゲルの予備成形構造を乾燥する乾燥設備の温度を混合剤の突沸温度以上の高温に調整し、且つマイクロ波周波数の高速回転を結合してエアロゲル構造中の水分子の水素結合を破壊し、且つ溶剤分子の摩擦熱を高速に提供し、乾燥が近い上記エアロゲル内部の余剰の混合溶剤を高速に突沸させて正圧を形成させ、このエアロゲル構造内部の正圧を利用してエアロゲルの乾燥過程において発生する収縮現象を抑制し、且つ、エアロゲル構造内部の正圧を利用し、エアロゲル構造の膨張過程中に発生するナノメートル級乃至サブミクロン級の大量の微小孔により、エアロゲル製品の空隙率及び断熱性質を高め、上記突沸温度は110~180℃である突沸ステップ(4-3)と、を含む。 In addition, in the atmospheric drying step (4), the above-mentioned solidified aerogel preform structure is placed in a combined high-temperature equipment and microwave equipment, and a high-temperature heating furnace, UV light, IR or other heat source is used to provide a high-temperature airflow at the azeotropic temperature of the above-mentioned mixed solvent, and a microwave frequency with a water molecule rotation frequency is combined, so that the water molecules inside the aerogel molded structure rotate at high speed following the microwave frequency, destroying the hydrogen bonds of the water molecules in the aerogel structure, and accelerating the drying speed of the product. By combining the above technologies, the water molecules and alcohol molecules inside the aerogel structure are dried quickly, and the shrinkage and bursting phenomenon of the aerogel structure caused by the interfacial tension of the water molecules is suppressed. In the general solvent azeotropic vaporization step (4-1), the high-speed azeotropic vaporization temperature of a large amount of mixed solvent in the above-mentioned solidified aerogel molded structure is between 60 and 90°C. In the above azeotropic temperature environment, the vaporized steam is guided to a heat exchange recovery equipment, and the above The method includes a solvent recovery step (4-2) in which the aqueous alcohol is cooled and condensed in the heat exchange recovery equipment and recovered, the purpose of which is to reduce costs and reduce environmental pollution; and a bumping step (4-3) in which the temperature of the drying equipment for drying the aerogel preformed structure is adjusted to a high temperature above the bumping temperature of the mixture, and combined with high-speed rotation of microwave frequency to break the hydrogen bonds of the water molecules in the aerogel structure and provide frictional heat of the solvent molecules at a high speed, causing the excess mixed solvent inside the aerogel that is close to drying to bump at a high speed and form a positive pressure, and using this positive pressure inside the aerogel structure to suppress the shrinkage phenomenon that occurs during the drying process of the aerogel, and using the positive pressure inside the aerogel structure to generate a large number of nanometer- to submicron-level micropores during the expansion process of the aerogel structure to increase the porosity and heat insulating properties of the aerogel product, the bumping temperature of which is 110 to 180°C.

さらに、外層被覆ステップ(5)において、有機、無機樹脂またはそれらの組み合わせを含む300度以上の高温に耐えるゲル材溶液を準備し、上記耐熱性ゲル材料溶液を耐熱繊維生地、耐熱非有機フィルム、或いは耐熱非有機薄板に含侵またはスプレー塗装し、上記耐熱性ゲル材料溶液を上記耐熱繊維生地、上記耐熱非有機フィルム、或いは耐熱非有機薄板の表面に均一にスプレー塗装した後、この耐熱性ゲル材料を含有する耐熱材料等の製品を更に利用してエアロゲル予備成形構造材の表面を被覆する。 In the outer layer coating step (5), a gel material solution containing organic or inorganic resin or a combination thereof that can withstand high temperatures of 300 degrees or more is prepared, and the heat-resistant gel material solution is impregnated or spray-coated into a heat-resistant fiber fabric, a heat-resistant non-organic film, or a heat-resistant non-organic thin plate, and the heat-resistant gel material solution is uniformly spray-coated onto the surface of the heat-resistant fiber fabric, the heat-resistant non-organic film, or the heat-resistant non-organic thin plate, and then a product such as a heat-resistant material containing this heat-resistant gel material is further used to coat the surface of the aerogel preformed structural material.

さらに、上述の外層被覆ステップ(5)において、上記耐熱非有機フィルム、耐熱非有機薄板、または耐熱繊維の1つまたはそれらの組み合わせは、耐熱非有機フィルム、耐熱非有機薄板に関し、金属、無機及び有機-無機複合等の耐熱フィルム、薄板を含む。さらに、金属フィルム板として、アルミニウム、ステンレス、銅等の金属材料で調製されたフィルムまたはそれらの組み合わせを含む。無機フィルム板として、雲母シート、グラファイトシート、グラフェンシート、ガラスシート、及び各種セラミックシート、金属酸化物、金属窒化ケイ素化合物、及び金属炭化ケイ素化合物で調製されたシート、薄板、またはそれらの組み合わせを含む。有機-無機複合フィルムとして、アルミニウム、ステンレス、銅、雲母シート、グラファイト、グラフェン、ガラス、セラミック、金属酸化物、金属窒化ケイ素化合物、及び金属炭化ケイ素化合物と各種有機ゲルまたは各種無機ゲルとを複合して製造した耐熱有機-無機複合フィルム、薄板、または無機-無機複合フィルム、薄板等の組み合わせを含む。さらに、耐熱繊維として、石英繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、炭素繊維、及びナイロン繊維、ポリエステル繊維、ポリフッ化繊維等の有機繊維、Kevlarポリアミド繊維、Nomexポリアミド繊維等の液晶繊維、並びに各種セルロース、生分解性無機または有機繊維等を複合することで調製した各種多孔質ばら繊維、蓆、紙、毛布、縄、厚板のうちの1つまたはそれらの組み合わせを含む。 Furthermore, in the above-mentioned outer layer coating step (5), the heat-resistant non-organic film, heat-resistant non-organic thin plate, or one or a combination thereof of the heat-resistant fiber includes a heat-resistant film, thin plate, such as a metal, inorganic, or organic-inorganic composite, with respect to a heat-resistant non-organic film or heat-resistant non-organic thin plate. Furthermore, the metal film plate includes a film prepared from a metal material such as aluminum, stainless steel, or copper, or a combination thereof. The inorganic film plate includes a mica sheet, a graphite sheet, a graphene sheet, a glass sheet, and various ceramic sheets, sheets, thin plates, or combinations thereof prepared from metal oxides, metal silicon nitride compounds, and metal silicon carbide compounds. The organic-inorganic composite film includes a heat-resistant organic-inorganic composite film, thin plate, or inorganic-inorganic composite film, thin plate, etc., produced by combining aluminum, stainless steel, copper, mica sheet, graphite, graphene, glass, ceramic, metal oxides, metal silicon nitride compounds, and metal silicon carbide compounds with various organic gels or various inorganic gels. Furthermore, the heat-resistant fibers include one or a combination of quartz fiber, glass fiber, ceramic fiber, carbon fiber, organic fibers such as nylon fiber, polyester fiber, and polyfluoride fiber, liquid crystal fibers such as Kevlar polyamide fiber and Nomex polyamide fiber, and various porous loose fibers prepared by compounding various celluloses, biodegradable inorganic or organic fibers, etc., straw, paper, blankets, ropes, and thick boards.

さらに、上述の外層被覆ステップ(5)において、上記耐熱性ゲル材料溶液として、無機ゲル、熱可塑性または熱硬化性有機樹脂のうちの1つ、またはそれらの組み合わせを含み、具体的な例で言えば、耐熱性無機ゲルは、水ガラスゲル、無機ケイ素樹脂ゲル、酸化銅-リン酸ゲル、ケイ酸塩ゲル、リン酸-ケイ酸塩ゲル、硫酸塩ゲル、酸化マグネシウム-二酸化ケイ素-ホウ砂無機ゲル等、またはそれらの組み合わせである。耐熱熱硬化性有機ゲルは、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリフェニレンスルファイド樹脂、ポリエーテルケトン液晶ポリマー樹脂、ポリテトラフルオロエチレン樹脂、ポリメラミン樹脂、ポリフェノールアルデヒド樹脂、ポリメラミン-ホルムアルデヒド樹脂、ポリアミドゲル、ポリアミドエステルゲル、ポリプロピレン酸樹脂ゲル、シリカゲル等、またはそれらの組み合わせである。 Furthermore, in the above-mentioned outer layer coating step (5), the heat-resistant gel material solution includes one of inorganic gel, thermoplastic or thermosetting organic resin, or a combination thereof. Specific examples of the heat-resistant inorganic gel include water glass gel, inorganic silicon resin gel, copper oxide-phosphate gel, silicate gel, phosphoric acid-silicate gel, sulfate gel, magnesium oxide-silicon dioxide-borax inorganic gel, etc., or a combination thereof. The heat-resistant thermosetting organic gel includes epoxy resin, polyimide resin, polyetherimide resin, polyphenylene ether resin, polyphenylene sulfide resin, polyether ketone liquid crystal polymer resin, polytetrafluoroethylene resin, polymelamine resin, polyphenol aldehyde resin, polymelamine-formaldehyde resin, polyamide gel, polyamide ester gel, polypropylene acid resin gel, silica gel, etc., or a combination thereof.

さらに、外層被覆ステップ全体について、上記耐熱性ゲル材料溶液の固形含有量濃度は10.0 ~ 75.0wt%である。上記ゲル材溶液を上記繊維生地、上記耐熱非有機フィルム、または上記耐熱非有機薄板にスプレー塗装または塗布することでエアロゲル予備成形複合材料を多層で被覆する。耐熱性ゲル材料溶液の濃度が低くなる程、ゲル材溶液が繊維生地内部に浸入する効率が高くなり、且つ加工が容易になる。但し、調製されたゲル材溶液を含侵する繊維生地が多層で被覆するエアロゲル成形複合材料の緻密性が低くなり、構造中の孔の含有量が多くなり、エアロゲル粉塵の漏出が発生しやすくなる。相対的に、耐熱性ゲル材料溶液の濃度が高くなる程、ゲル材溶液が繊維生地の表面を被覆する含有量が多くなり、調製されたゲル材溶液を含侵する繊維生地が多層で被覆するエアロゲル成形複合材料の強度が高くなり、緻密性も高くなり、且つエアロゲル粉塵の漏出が発生しにくくなり、但し、加工がより困難になると共に、膜厚を制御しにくくなる。これは、含侵するゲル材溶液の濃度を利用してゲル材溶液を含侵する繊維生地が多層で被覆するエアロゲル成形複合材料の成形加工及び粉塵を落とさない性質を制御し、最も好ましくは、ゲル材溶液の濃度を30~50.0wt%とする。 Furthermore, for the entire outer layer coating step, the solid content concentration of the heat-resistant gel material solution is 10.0-75.0wt%. The gel material solution is sprayed or coated on the fiber fabric, the heat-resistant non-organic film, or the heat-resistant non-organic thin plate to coat the aerogel preformed composite material in multiple layers. The lower the concentration of the heat-resistant gel material solution, the higher the efficiency of the gel material solution penetrating into the fiber fabric and the easier the processing. However, the fiber fabric impregnated with the prepared gel material solution will have a lower density of the aerogel molded composite material coated in multiple layers, and the pore content in the structure will be increased, making it easier for aerogel dust to leak. Relatively, the higher the concentration of the heat-resistant gel material solution, the more the content of the gel material solution covering the surface of the fiber fabric, and the strength and density of the aerogel molding composite material coated with the fiber fabric impregnated with the prepared gel material solution in multiple layers will be higher, and the leakage of aerogel dust will be less likely to occur, but processing will be more difficult and the film thickness will be more difficult to control. This is because the concentration of the impregnating gel material solution is used to control the molding processing and dust-proof properties of the aerogel molding composite material coated with the fiber fabric impregnated with the gel material solution in multiple layers, and most preferably the concentration of the gel material solution is 30 to 50.0 wt%.

さらに、硬化成形ステップ(6)において、溶剤乾燥ステップ(6-1)及び架橋硬化ステップ(6-2)を含む。溶剤乾燥ステップにおいて、上記ゲル材溶液を繊維生地や耐熱フィルム/耐熱薄板の表面に含侵または塗布することで多層で被覆するエアロゲル予備成形複合材料を、ゲル材溶液に含侵した溶剤の沸点温度下で放置し、上記ゲル材溶液の溶剤を気化させて欠陥または気泡の形成を減少させる。上記ゲル材は常温硬化樹脂であり、溶剤の乾燥期間に樹脂に伴って硬化するため、常温乾燥硬化ステップと呼ばれ、高強度、高緻密性を兼ね備えた粉塵が落ちないような繊維強化プラスチック(like-fiber reinforced plastic, LFRP)無機材料でシリカエアロゲルを被覆する複合材料を形成する。 The curing and molding step (6) further includes a solvent drying step (6-1) and a crosslinking and curing step (6-2). In the solvent drying step, the gel solution is impregnated or applied to the surface of a fiber fabric or a heat-resistant film/thin plate to form a multi-layered aerogel preformed composite material, which is then left at the boiling point of the solvent impregnated in the gel solution to evaporate the solvent in the gel solution and reduce the formation of defects or bubbles. The gel material is a room temperature curing resin, and hardens with the resin during the drying period of the solvent, so this is called the room temperature drying and curing step, in which a composite material is formed in which silica aerogel is coated with a fiber-reinforced plastic (LFRP) inorganic material that has high strength and high density and does not fall dust.

さらに、高強度、高い防火性能、高断熱、帯電防止を兼ね備え、粉塵が漏れない繊維強化プラスチック(like-fiber reinforced plastic, LFRP)無機材料でシリカエアロゲルを被覆する複合材料を提供し、関連製品は、高強度、高硬度及び高い防火性能等の性質を有し、クリーンルームでの高温プロセス及び電気自動車のリチウムバッテリーモジュールの放熱の安全保護に応用可能である。本発明の目的は、高断熱効率、高い防火性能を兼ね備え、粉塵が落ちない無機材料でエアロゲル構造を被覆する複合材を調製するためのエアロゲル複合材料の調製技術の改善を提供する。本発明の他の目的は、従来の有機フィルムで被覆するシリカエアロゲル或いは有機-無機複合エアロゲルを高温で応用すると疲労または分解するという欠点を改善する。一方、本発明はクリーンルームの高温管路の外部を被覆する断熱層または断熱層を有する工作機械のプラットフォームに適用し、パイプライン内或いは工作機械のプラットフォームの境界における熱の流失を低減し、省エネ及び炭素排出量の削減効果を高める。 Furthermore, a composite material is provided in which silica aerogel is coated with a fiber-reinforced plastic (LFRP) inorganic material, which has high strength, high fire resistance, high thermal insulation, antistatic properties, and no dust leakage. The related products have properties such as high strength, high hardness, and high fire resistance, and can be applied to high-temperature processes in clean rooms and the safety protection of heat dissipation of lithium battery modules in electric vehicles. The object of the present invention is to provide an improved aerogel composite preparation technology for preparing a composite material in which an aerogel structure is coated with an inorganic material that has high thermal insulation efficiency, high fire resistance, and no dust leakage. Another object of the present invention is to improve the drawback that silica aerogel or organic-inorganic composite aerogel coated with an organic film is fatigued or decomposed when applied at high temperatures. Meanwhile, the present invention is applied to a heat insulating layer or a machine tool platform having a heat insulating layer that covers the outside of a high-temperature pipeline in a clean room, thereby reducing the heat loss in the pipeline or at the boundary of the machine tool platform, and improving the effects of energy saving and carbon emission reduction.

上述の溶剤乾燥ステップ(6-1)において、繊維生地または耐熱フィルム/耐熱薄板の表面に含侵または塗布した高耐熱性、高強度で粉塵が落ちないゲル材溶液が有機溶剤に伴って気化し、上記ゲル材溶液が徐々に乾燥する。ここでは、溶剤の乾燥温度は上記ゲル材溶液の混合溶剤の沸点に基づいて決定する。いくつかの実施形態では、溶剤はエタノールであり、その溶剤の乾燥温度は60~75℃である。他の実施例では、溶剤はメチルエチルケトンであり、その溶剤の乾燥温度は80~90℃である。他の実施例では、溶剤は水であり、その水溶剤の乾燥温度は80~102℃である。上記乾燥溶剤の危険性を鑑み、上記溶剤の気化は回収装置により溶剤を回収することで、作業環境における気化溶剤の含有量を減少させ、リスクを減らす。 In the above-mentioned solvent drying step (6-1), the gel material solution with high heat resistance, high strength and no dusting impregnated or applied to the surface of the fiber fabric or heat-resistant film/sheet evaporates along with the organic solvent, and the gel material solution gradually dries. Here, the drying temperature of the solvent is determined based on the boiling point of the mixed solvent of the gel material solution. In some embodiments, the solvent is ethanol, and the drying temperature of the solvent is 60-75°C. In other embodiments, the solvent is methyl ethyl ketone, and the drying temperature of the solvent is 80-90°C. In other embodiments, the solvent is water, and the drying temperature of the water-solvent is 80-102°C. In view of the danger of the above-mentioned drying solvent, the evaporation of the above-mentioned solvent is recovered by a recovery device, thereby reducing the content of the evaporated solvent in the working environment and reducing the risk.

他の実施例では、溶剤乾燥ステップ(6-1)において、繊維生地または耐熱フィルム/耐熱薄板内部に含侵または塗布したゲル材溶液が有機溶剤に伴って気化し、上記ゲル材溶液が徐々に乾燥し、上記ゲル材溶液が含侵または塗布されている繊維生地または耐熱フィルム/耐熱薄板が高い耐熱性及び高強度を獲得し、且つ粉塵が落ちないゲル材溶液が含侵した繊維生地または耐熱フィルム/耐熱薄板がエアロゲル複合材料を被覆する。 In another embodiment, in the solvent drying step (6-1), the gel material solution impregnated or applied inside the fiber fabric or heat-resistant film/thin plate evaporates along with the organic solvent, the gel material solution gradually dries, and the fiber fabric or heat-resistant film/thin plate impregnated or applied with the gel material solution acquires high heat resistance and high strength, and the fiber fabric or heat-resistant film/thin plate impregnated with the gel material solution without dusting covers the aerogel composite material.

さらに、架橋硬化ステップ(6-2)において、上記ゲル材溶液を含侵または塗布した繊維生地または耐熱フィルム/耐熱薄板により多層で被覆したエアロゲル予備成形複合材料を特定の架橋硬化温度において、無機ゲルまたは熱硬化性ポリマー鎖の間及び無機ゲルまたは熱硬化性分子とエアロゲル分子との間で架橋反応を発生させ、且つ結合させて硬化させる。例えば、、水ガラスゲル、無機ケイ素樹脂ゲル等の無機ゲル及びエポキシ樹脂(epoxy)のような熱硬化性ポリマーは、上記架橋硬化温度が約120~200℃であり、他の実施例では、最も好ましい架橋硬化温度は150~180℃或いは185~190℃である。一方、酸化銅-リン酸ゲル、ケイ酸塩ゲル、リン酸-ケイ酸塩ゲル等の無機ゲル及びポリイミド(polyimide)のような熱硬化性ポリマーは、上記架橋硬化温度が約120~325℃であり、他の実施例では、最高架橋硬化温度が320~325℃である。上記架橋硬化ステップ(6-2)において、特定の架橋温度で上記有機または無機樹脂溶液を含侵または塗布する繊維生地或いは耐熱フィルム/耐熱薄板の分子間で相互に架橋反応を発生させ、高い断熱性、高い防火性能、高い強度を兼ね備え、且つ粉塵が落ちないゲル材溶液が含侵または塗布されている繊維生地或いは耐熱フィルム/耐熱薄板により多層で被覆するエアロゲル成形複合材料を形成する。 In the crosslinking and curing step (6-2), the aerogel preformed composite material coated with multiple layers of fiber fabric or heat-resistant film/thin plate impregnated or coated with the gel material solution undergoes crosslinking reactions between inorganic gel or thermosetting polymer chains and between inorganic gel or thermosetting molecules and aerogel molecules at a specific crosslinking and curing temperature, and is bonded and cured. For example, inorganic gels such as water glass gel and inorganic silicone resin gel, and thermosetting polymers such as epoxy resin, have a crosslinking and curing temperature of about 120 to 200°C, and in other embodiments, the most preferred crosslinking and curing temperature is 150 to 180°C or 185 to 190°C. On the other hand, inorganic gels such as copper oxide-phosphate gel, silicate gel, and phosphoric acid-silicate gel, and thermosetting polymers such as polyimide, have a crosslinking and curing temperature of about 120 to 325°C, and in other embodiments, the highest crosslinking and curing temperature is 320 to 325°C. In the crosslinking and curing step (6-2), a crosslinking reaction occurs between the molecules of the fiber fabric or heat-resistant film/thin plate impregnated or coated with the organic or inorganic resin solution at a specific crosslinking temperature, forming an aerogel molded composite material that is covered in multiple layers with the fiber fabric or heat-resistant film/thin plate impregnated or coated with the gel material solution, which has high thermal insulation, high fire resistance, and high strength and does not shed dust.

さらに、表面処理ステップ(7)において、高強度、低い熱伝導率、低い誘電率、高い防火性能を兼ね備えた上記耐熱フィルムでエアロゲル及び材料を被覆し、エアロゲル防火断熱塗料の1つまたはそれらの組み合わせを利用して艶出し、噴射、及び表面スプレー塗装を行い、洗浄及び表面の保護等のプロセスを組み合わせることで、高強度、低い熱伝導率、低い誘電率、高い防火性能を兼ね備えた耐熱フィルムでエアロゲルを被覆する。 Furthermore, in the surface treatment step (7), the aerogel and the material are coated with the above-mentioned heat-resistant film having high strength, low thermal conductivity, low dielectric constant, and high fire resistance, and one or a combination of aerogel fire and heat insulating paints are used for polishing, spraying, and surface spray painting, and by combining processes such as cleaning and surface protection, the aerogel is coated with a heat-resistant film having high strength, low thermal conductivity, low dielectric constant, and high fire resistance.

さらに、上述の調製方法において、低い熱伝導率及び低い誘電率を兼ね備え、多層で被覆するエアロゲル成形複合材料内部のエアロゲル材料は多孔質構造であり、その空隙率は50.0~75.0%であり、その密度は0.20~0.60g/cm3であり、その熱伝導率は0.020~0.045W/mkであり、その誘電率は1.30~1.85であり、耐燃性質はUL94-5VA等級以上であり、最高耐熱温度は1200度に達する。高温のホットスポットの温度が約650度であり、製品の厚さが2mm~3mmである条件において、断熱温度が約200度以下まで低下する。 Furthermore, in the above-mentioned preparation method, the aerogel material inside the aerogel molding composite material with low thermal conductivity and low dielectric constant and coated with multiple layers has a porous structure, with a porosity of 50.0-75.0%, a density of 0.20-0.60g/ cm3 , a thermal conductivity of 0.020-0.045W/mk, a dielectric constant of 1.30-1.85, a flame resistance property of UL94-5VA grade or higher, and a maximum heat resistance temperature of 1200 degrees. Under the condition that the hot spot temperature is about 650 degrees and the product thickness is 2mm-3mm, the insulation temperature is reduced to about 200 degrees or less.

本発明は高強度な耐熱材料でエアロゲルを被覆する複合材料を高速に生成する。まず、改良型ゲル-ゾル技術を利用し、有機溶剤、酸アルカリイオンの濃度が低い条件において、乳化機またはホモジナイザー等の設備により懸濁分散溶液を高速に凝縮した後、上記凝縮懸濁分散溶液を予備成形型または繊維を含有する予備成形型に含侵させることで、高断熱及び低い誘電率をで兼ね備えた特定の成形構造のエアロゲル或いはエアロゲル/繊維複合構造材を調製する。更に、上記エアロゲルまたはエアロゲル/繊維複合構造材をゲル材溶液が含侵または塗布された繊維生地或いは耐熱フィルム/耐熱薄板により単層または多層で被覆した後、架橋硬化及び表面処理を行って高い防火性能、低い熱伝導率を兼ね備え、粉塵が落ちないエアロゲルを多層で被覆した複合構造材料を調製し、関連製品を各種ハイテク産業のクリーンルームに提供し、省エネ及び炭素排出量の削減効果を達成し、将来的に電気自動車や水素自動車の安全保護等に応用する。 The present invention rapidly produces a composite material in which aerogel is coated with a high-strength heat-resistant material. First, using an improved gel-sol technology, the suspension dispersion solution is rapidly condensed by equipment such as an emulsifier or homogenizer under conditions of low organic solvent and acid alkali ion concentrations, and then the condensed suspension dispersion solution is impregnated into a preform or a preform containing fibers to prepare an aerogel or aerogel/fiber composite structural material with a specific molded structure that combines high thermal insulation and low dielectric constant. Furthermore, the aerogel or aerogel/fiber composite structural material is coated in a single layer or multiple layers with a fiber fabric or heat-resistant film/heat-resistant thin plate impregnated or coated with a gel material solution, and then crosslinked curing and surface treatment are performed to prepare a composite structural material coated with aerogel in multiple layers that combines high fire resistance, low thermal conductivity, and does not shed dust. The related products can be provided for clean rooms in various high-tech industries, achieving the effects of energy saving and carbon emission reduction, and will be applied to the safety protection of electric vehicles and hydrogen vehicles in the future.

本発明は、以上説明したように構成されているので、以下に記載されるような効果を奏する。
1、本発明に係る調製方法は、従来のエアロゲル断熱材は屑が落ちやすいという欠点を改善し、エアロゲル断熱材料の応用を広く促進する。本発明は、高強度、高い防火性能、粉塵が落ちない、及び高い断熱性を兼ね備えたエアロゲル複合材料を調製する。エアロゲル複合材料は、改良したゾル-ゲル技術を利用しているため、プロセス中に大量の有機溶剤、界面活性剤、及び接着剤等の物質を添加せず、エアロゲル複合材の調製過程において、長時間溶剤を置換する必要がなく、超臨界乾燥技術も不要であり、溶剤を回収する常圧乾燥技術のみを使用する。全体的なプロセスが簡易であり、安全性が高く、経済的であり、製品が完成するまでにかかるプロセスの速度が12~48時間に短縮する。或いは、連続生産方式でエアロゲルまたはエアロゲル/繊維複合材料等を調製することで、生産効率を高めている。
2、本発明に係る調製方法は、シロキサン化合物及び疎水性修飾シロキサン化合物の比率、加水分解溶剤の含有量、分散水溶液の含有量、乳化機またはホモジナイザー等の分散設備の攪拌速度、酸触媒及びアルカリ触媒の含有量及び比率等の要素を利用し、多孔質エアロゲル粒子内部の空隙率、孔径の大きさ、エアロゲル粒子の間の空隙率、及びエアロゲル構造の緻密性を容易に調節できる。
3、本発明に係る調製方法は、親水性-疎水性修飾の斥力及び高速攪拌を利用し、シロキサン化合物及び疎水性修飾シロキサン化合物により微細なウェットゲル粒子を形成し、その乾燥速度を速め、収縮性質を低下させている。こうすることで、アルコール類以外のシクロヘキサン、ベンゼン、イソプロパノール、アンモニア水及び大量の界面活性剤等の他の疎水性修飾有機溶剤を添加せず、酸触媒及びアルカリ触媒を極低濃度に制御することで、エアロゲル材料の熱伝導、防火性能、及びその誘電性質を更に調節し、エアロゲル複合材料の製造コストを削減している。
4、本発明に係る調製方法は、乳化機またはホモジナイザーによる高速凝縮分散溶液技術を提供し、且つ上記凝縮分散水溶液に微量の水で分散可能な耐熱性ゲル材料を添加し、この凝縮分散溶液を予備成形型中または繊維を含有する予備成形型に充填し、ゲル化成形を行う。さらに、後続のゲル化過程において、ウェットゲル粒子を上記予備成形型または上記繊維を含有する予備成形型に相互に集合させることで、網状エアロゲル構造を形成する。その後、更に乾燥することで、異なるサイズの管状、板状、及び特定の外観形態を呈するエアロゲル成形構造を調製する。この技術を利用して調製した製品は、他の技術のものと比較し、大量の有機溶剤を節約すると共に、プロセスが高速化する。
5、エアロゲルの粉塵が落ちる問題を解決するため、本発明は一方では水溶液に懸濁分散する微量の水で分散可能な耐熱性ゲル材料を添加し、エアロゲル構造の表面を被覆することで有機-無機複合構造を形成する。また一方では、繊維強化樹脂(LFRP)被覆技術を提供し、耐熱有機または無機ゲル体を耐熱金属、無機または有機-無機複合フィルム、薄板または耐熱繊維生地に含侵するように塗布した後、エアロゲル予備成形複合材料を単層乃至多層で被覆し、且つ常圧高温環境において架橋硬化した後、繊維強化樹脂(LFRP)がエアロゲルを多層で被覆する複合材料を形成する。この技術により、高強度、高断熱、高い防火性能を兼ね備えた粉塵が落ちないエアロゲル複合材を調製する。
6、本発明に係る調製方法は、この繊維強化樹脂(LFRP)でエアロゲルを被覆する複合材は、樹脂の種類及び被覆材料の材質により外層を被覆する強度、耐用温度、剛性、緻密性、導電性、熱伝導性、または誘電性等の各性質を調節する。本発明に係る調製技術により、繊維強化樹脂(LFRP)が多層で被覆するエアロゲル複合の空隙率を50.0~75.0%とし、その密度を0.20~0.60g/cm3とし、その熱伝導率を0.020~0.045W/mkとし、その誘電率を1.30~1.85とし、耐燃性質をUL94-5VA等級以上とし、最高耐熱温度が1200度に達する。高温のホットスポットの温度が約850度であり、製品の厚さが2mm~3mmである条件において、断熱温度が約200度以下にまで低下する。
The present invention is configured as described above and therefore provides the effects described below.
1. The preparation method of the present invention improves the drawback of the conventional aerogel insulation material being easily shed, and promotes the wide application of aerogel insulation materials. The present invention prepares an aerogel composite material with high strength, high fire resistance, no dusting, and high insulation. The aerogel composite material uses an improved sol-gel technology, so a large amount of organic solvents, surfactants, adhesives, and other substances are not added during the process, and the preparation process of the aerogel composite material does not require a long time to replace the solvent, and does not require supercritical drying technology, and only uses normal pressure drying technology to recover the solvent. The overall process is simple, safe, and economical, and the process speed required to complete the product is shortened to 12 to 48 hours. Alternatively, the aerogel or aerogel/fiber composite material, etc. are prepared in a continuous production manner, thereby improving production efficiency.
2. The preparation method of the present invention can easily adjust the porosity, pore size, porosity between the porous aerogel particles, and the denseness of the aerogel structure by utilizing factors such as the ratio of the siloxane compound and the hydrophobically modified siloxane compound, the content of the hydrolysis solvent, the content of the aqueous dispersion, the stirring speed of the dispersion equipment such as an emulsifier or homogenizer, and the contents and ratios of the acid catalyst and the alkali catalyst.
3. The preparation method of the present invention utilizes the repulsive force of hydrophilic-hydrophobic modification and high-speed stirring to form fine wet gel particles by siloxane compounds and hydrophobically modified siloxane compounds, and accelerates the drying speed and reduces the shrinkage property. In this way, other hydrophobically modified organic solvents such as cyclohexane, benzene, isopropanol, ammonia water and large amounts of surfactants other than alcohols are not added, and the acid catalyst and alkali catalyst are controlled to a very low concentration, so that the thermal conductivity, fire retardant performance and dielectric properties of the aerogel material can be further adjusted, and the production cost of the aerogel composite material can be reduced.
4. The preparation method of the present invention provides a high-speed condensation dispersion solution technology using an emulsifier or homogenizer, and adds a small amount of heat-resistant gel material dispersible in water to the condensation dispersion aqueous solution, and fills the condensation dispersion solution into a preform or a preform containing fibers to perform gelation molding. In the subsequent gelation process, the wet gel particles are mutually assembled in the preform or the preform containing fibers to form a network aerogel structure. Then, the aerogel molding structure is prepared by further drying, which has different sizes of tubes, plates, and specific appearance forms. The products prepared using this technology save a large amount of organic solvent and have a high process speed compared to other technologies.
5. To solve the problem of aerogel dusting, the present invention provides a fiber-reinforced plastic (LFRP) coating technology, which is applied to heat-resistant metal, inorganic or organic-inorganic composite film, thin plate or heat-resistant fiber fabric so as to be impregnated with a heat-resistant organic or inorganic gel body, and then coated with aerogel preformed composite material in a single layer or multiple layers, and crosslinked and cured in a normal pressure and high temperature environment to form a composite material in which the fiber-reinforced plastic (LFRP) coats the aerogel in multiple layers. This technology prepares aerogel composite material with high strength, high thermal insulation and high fire resistance and no dusting.
6. The preparation method of the present invention adjusts the strength, temperature resistance, rigidity, density, electrical conductivity, thermal conductivity, dielectric properties, etc. of the outer layer of the composite material coated with LFRP by the type of resin and the quality of the coating material. The preparation technique of the present invention makes the aerogel composite coated with LFRP in multiple layers have a porosity of 50.0-75.0%, a density of 0.20-0.60g/ cm3 , a thermal conductivity of 0.020-0.045W/mk, a dielectric constant of 1.30-1.85, a flame resistance of UL94-5VA grade or higher, and a maximum heat resistance temperature of 1200°C. Under the condition that the hot spot temperature is about 850°C and the product thickness is 2mm-3mm, the insulation temperature is reduced to about 200°C or less.

本発明の他の目的、構成及び効果については、以下の発明の実施の形態の項から明らかになるであろう。 Other objects, configurations and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description of the preferred embodiments of the invention.

本発明の第1実施形態に係るステップを示すフローチャートであり、本発明は高断熱性、高い防火性能、高強度を兼ね備え、粉塵が落ちない耐熱性ゲル材料を繊維生地または耐熱フィルム/耐熱薄板に塗布して多層で被覆するエアロゲル複合材料の調製フローチャートを説明する。FIG. 1 is a flow chart showing the steps according to a first embodiment of the present invention, which illustrates a flow chart for preparing an aerogel composite material in which a heat-resistant gel material having high thermal insulation, high fire resistance, high strength, and no dust is applied to a fiber fabric or a heat-resistant film/thin plate to form a multi-layer coating. 本発明の第1実施形態に係る調製方法により調製した高強度、高い防火性能、高断熱性を兼ね備え、粉塵が落ちない管状繊維強化樹脂(LFRP)でエアロゲルを被覆する複合材料の外観の写真を示し、第1実施形態は3種類の異なる耐熱性ゲル材料のガラス繊維を利用してエアロゲルを被覆し、高強度、高硬度を兼ね備えた耐熱性の繊維強化樹脂(LFRP)で外殻を被覆し、被覆する外殻の内部は低い熱伝導率、低い誘電率を兼ね備え、粉塵が落ちないエアロゲル材料である。FIG. 1 shows a photograph of the appearance of a composite material prepared by a preparation method according to a first embodiment of the present invention, in which an aerogel is coated with tubular fiber-reinforced plastic (LFRP) that has high strength, high fire resistance, high thermal insulation, and does not shed dust. In the first embodiment, the aerogel is coated using glass fibers of three different types of heat-resistant gel materials, and the outer shell is coated with heat-resistant fiber-reinforced plastic (LFRP) that has high strength and high hardness. The inside of the coated outer shell is an aerogel material that has low thermal conductivity and low dielectric constant and does not shed dust. 本発明の第1実施形態に係る調製方法により調製した高強度、高い防火性能、高断熱性質を兼ね備えた粉塵が落ちない繊維強化樹脂でエアロゲルを被覆する複合材料の内部にある低い熱伝導率の純エアロゲルの断面を走査型電子顕微鏡(SEM)で撮影し、倍率300倍で拡大した写真を示す。The cross section of a pure aerogel with low thermal conductivity inside a composite material prepared by the preparation method according to the first embodiment of the present invention, in which an aerogel is coated with a fiber-reinforced resin that does not shed dust and has high strength, high fire resistance, and high thermal insulation properties, is photographed with a scanning electron microscope (SEM) at a magnification of 300 times. 本発明の第2実施形態で調製した高強度、高い防火性能、高断熱性質を兼ね備えた粉塵が落ちない繊維強化樹脂でエアロゲルを被覆する複合材料の外観の写真を示し、第2実施形態は上下2層が共に耐熱性無機ゲルを雲母シートに塗布し、エアロゲルを被覆する複合材料を強化し、更なる耐熱性、高強度を提供し、高断熱性の雲母により樹脂被覆層を強化し、外殻構造の内部は低い熱伝導率を有するエアロゲル/繊維複合材料である。FIG. 1 shows a photograph of the appearance of a composite material prepared in a second embodiment of the present invention, in which an aerogel is coated with a fiber-reinforced resin that does not shed dust and has high strength, high fire resistance, and high thermal insulation properties. In the second embodiment, heat-resistant inorganic gel is applied to a mica sheet in both upper and lower layers to reinforce the composite material coating the aerogel, providing further heat resistance and high strength. The resin coating layer is reinforced by the highly insulating mica, and the inside of the outer shell structure is an aerogel/fiber composite material with low thermal conductivity. 本発明の第2実施形態に係る高強度、高い防火性能、高断熱性を兼ね備えた粉塵が落ちない繊維強化樹脂でエアロゲルを被覆する複合材料内部の断面を、SEM走査型電子顕微鏡で撮影し、倍率250倍で拡大した写真を示す。The cross section of the inside of a composite material according to the second embodiment of the present invention, in which an aerogel is coated with a fiber-reinforced resin that has high strength, high fire resistance, and high thermal insulation properties and does not shed dust, was photographed with a SEM scanning electron microscope at a magnification of 250 times. 本発明の第3実施形態に係る調製方法で調製した高強度、高い防火性能、高断熱性を兼ね備えた粉塵が落ちない繊維強化樹脂でエアロゲルを被覆する複合材料の外観の写真を示し、第3実施形態は上下2層が耐熱性無機ゲルを雲母シート被覆層に塗布した後、グラフェン熱伝導シートを耐熱性無機ゲルが塗布された雲母シートの外層に貼付し、この材料が熱拡散機能を提供し、エアロゲルを被覆する複合材料の熱伝導性能を強化する。FIG. 3 shows a photograph of the appearance of a composite material in which an aerogel is coated with a fiber-reinforced resin that has high strength, high fire resistance, high insulation, and does not shed dust, which is prepared by a preparation method according to a third embodiment of the present invention. In the third embodiment, heat-resistant inorganic gel is applied to a mica sheet coating layer in two layers, upper and lower, and then a graphene thermal conductive sheet is attached to the outer layer of the mica sheet coated with the heat-resistant inorganic gel, which provides a heat diffusion function and enhances the thermal conductivity performance of the composite material coating the aerogel. 本発明の第4実施形態に係る調製方法で調製した高強度、高い防火性能、高断熱性を兼ね備えた粉塵が落ちない繊維強化樹脂でエアロゲルを被覆する複合材料の外観の写真を示し、第4実施形態は上下2層が耐熱性無機ゲルを雲母シートに塗布し、耐熱性雲母シートによりエアロゲルを被覆する複合材料を強化した後、熱伝導金属箔を貼付することでこの材料が熱拡散機能を提供し、エアロゲルを被覆する複合材料の熱伝導性能を強化する。FIG. 4 shows a photograph of the appearance of a composite material in which an aerogel is coated with a fiber-reinforced resin that has high strength, high fire resistance, high insulation, and does not shed dust, which is prepared by a preparation method according to a fourth embodiment of the present invention. In the fourth embodiment, two layers of heat-resistant inorganic gel are applied to a mica sheet, and the composite material in which the aerogel is coated is strengthened by the heat-resistant mica sheet. After that, a heat-conducting metal foil is attached, which provides a heat diffusion function, thereby enhancing the thermal conductivity performance of the composite material in which the aerogel is coated. 本発明の第5実施形態に係る前述の第2乃至第4実施形態で調製した高強度、高い防火性能、高断熱性を兼ね備えた繊維強化樹脂でエアロゲルを被覆する複合材料の表面にエアロゲル防火断熱塗料をスプレー塗装した後の外観の写真を示し、第5実施形態はエアロゲル防火断熱塗料を表面にスプレー塗装し、この材料が更に優れた防火断熱機能を提供する。The fifth embodiment of the present invention shows a photo of the appearance after spraying aerogel fireproof and heat-insulating paint on the surface of a composite material prepared in the above-mentioned second to fourth embodiments, which is made of aerogel coated with fiber-reinforced resin having high strength, high fireproof performance and high heat insulation. In the fifth embodiment, the aerogel fireproof and heat-insulating paint is sprayed on the surface, and this material provides better fireproof and heat-insulating function. 本発明の第5実施形態に係る製品を高温の火炎で防火断熱試験を行う概略図を示す。FIG. 13 is a schematic diagram showing a fire and insulation test of a product according to a fifth embodiment of the present invention using a high-temperature flame.

次に、図面を参照しながら本発明の耐熱材料でエアロゲルを被覆する断熱複合材の実施形態を説明するが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、以下に説明する部材、材料等は、本発明の趣旨の範囲内で種々改変することができるものである。 Next, we will explain the embodiments of the heat insulating composite material of the present invention, in which the heat resistant material of the present invention is used to coat the aerogel, with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to these embodiments, and the members, materials, etc. described below can be modified in various ways within the scope of the present invention.

図1は本発明に係るクリーンルーム及び電気自動車の安全保護用の無粉塵、高断熱、高い防火性能を兼ね備えたエアロゲル複合材料及びその調製方法並びにその調製方法の実施形態を示し、そのステップとして、混合加水分解ステップ(S1)と、凝縮と分散ステップ(S2)と、構造形成ステップ(S3)と、常圧乾燥ステップ(S4)と、外層被覆ステップ(S5)と、硬化成形ステップ(S6)と、表面処理ステップ(S7)と、を含む。以下、それぞれについて説明する。 Figure 1 shows an embodiment of an aerogel composite material and its preparation method, which are dust-free, highly heat-insulating, and highly fire-resistant for use in clean rooms and electric vehicle safety protection according to the present invention, and includes the steps of a mixed hydrolysis step (S1), a condensation and dispersion step (S2), a structure formation step (S3), a normal pressure drying step (S4), an outer layer coating step (S5), a hardening molding step (S6), and a surface treatment step (S7). Each step will be described below.

<混合加水分解ステップ(S1)>
エタノール水溶液にシロキサン前駆体を添加して混合溶液を形成する。上記シロキサン前駆体として、疎水性修飾シロキサン化合物、シロキサン化合物、またはそれらの組み合わせを含み、上記疎水性修飾シロキサン化合物として鎖長の異なる疎水性修飾シロキサン化合物を含む。その後、酸触媒を上記混合溶液に添加して加水分解反応を発生させる。いくつかの実施形態では、上記シロキサン化合物として、テトラメトキシシラン(Tetramethoxysilane, TMOS)、テトラエトキシシラン(Tetraethoxysilane, TEOS)、またはそれらの組み合わせを含む。上記疎水性修飾シロキサン化合物として、メチルトリメトキシシラン(Methyltrimethoxysilane、MTMS)、プロピルトリメトキシシラン(Propyltrimethoxysilane、PTMS)、ヘキシルトリメトキシシラン(Hexyltrimethoxysilane、HTMS)、オクチルトリメトキシシラン(Octyltrimethoxysilane、OTMS)、ヘキサメチルジシラン(Hexamethyldisilane、HMDS)等の異なるアルキル基鎖長で代替した疎水性修飾シロキサンのうちの1つまたはそれらの組み合わせを含む。上記疎水性修飾シロキサンを添加する目的は、乾燥過程でエアロゲル構造に発生する亀裂現象を減少させることである。上記シロキサンを添加する目的は、エアロゲル構造内部の微細構造を調節することで構造中の孔の含有量を増加させるである。いくつかの実施形態では、混合溶液全体について、上記シロキサン化合物及び疎水性修飾シロキサンの総含有量のモル比は0.5mol%~40mol%の間であり、上記エタノール水溶液の含有量のモル比は99.5mol%~60mol%の間である。
<Mixing hydrolysis step (S1)>
A siloxane precursor is added to the ethanol aqueous solution to form a mixed solution. The siloxane precursor includes a hydrophobically modified siloxane compound, a siloxane compound, or a combination thereof, and the hydrophobically modified siloxane compound includes a hydrophobically modified siloxane compound having a different chain length. An acid catalyst is then added to the mixed solution to cause a hydrolysis reaction. In some embodiments, the siloxane compound includes tetramethoxysilane (TMOS), tetraethoxysilane (TEOS), or a combination thereof. The hydrophobically modified siloxane compound includes one or a combination of hydrophobically modified siloxanes with different alkyl chain lengths, such as methyltrimethoxysilane (MTMS), propyltrimethoxysilane (PTMS), hexyltrimethoxysilane (HTMS), octyltrimethoxysilane (OTMS), and hexamethyldisilane (HMDS). The purpose of adding the hydrophobically modified siloxane is to reduce the crack phenomenon that occurs in the aerogel structure during drying. The purpose of adding the siloxane is to increase the content of holes in the structure by adjusting the microstructure inside the aerogel structure. In some embodiments, the molar ratio of the total content of the siloxane compound and the hydrophobically modified siloxane is between 0.5 mol% and 40 mol%, and the molar ratio of the content of the ethanol aqueous solution is between 99.5 mol% and 60 mol% for the entire mixed solution.

本実施例では、上記シロキサン化合物及び上記疎水性修飾シロキサン化合物のモル比は0:100~95:5である。本発明の好ましい実施形態では、シロキサン化合物及び疎水性修飾シロキサン化合物のモル比は5:95である。本発明の他の好ましい実施形態では、シロキサン化合物及び疎水性修飾シロキサン化合物のモル比は0:100 mol%~40:60 mol%である。上記エタノール水溶液において、エタノール及び水モル比は0:100~50:50である。いくつかの好ましい実施形態では、エタノール及び水のモル比は15:85である。 In this example, the molar ratio of the siloxane compound to the hydrophobically modified siloxane compound is 0:100 to 95:5. In a preferred embodiment of the invention, the molar ratio of the siloxane compound to the hydrophobically modified siloxane compound is 5:95. In other preferred embodiments of the invention, the molar ratio of the siloxane compound to the hydrophobically modified siloxane compound is 0:100 mol% to 40:60 mol%. In the aqueous ethanol solution, the molar ratio of ethanol to water is 0:100 to 50:50. In some preferred embodiments, the molar ratio of ethanol to water is 15:85.

混合加水分解ステップ(S1)において、シロキサン化合物または疎水性修飾シロキサン化合物と大量の微量の酸触媒を含有するエタノール水溶液とを十分に混合する混合過程では、同時に加水分解反応(hydrolysis)を発生させる。上記酸触媒エタノール水溶液の溶剤として、エタノール、超純水、処理水、二次処理水等のうちの1種類または異なる組成の混合を含み、上記シロキサン及び疎水性修飾シロキサン混合物の総含有量と酸触媒の含有量とのモル比は1:0.01~1:0.00005である。上記シロキサン及び疎水性修飾シロキサン混合溶液において、上記酸触媒の含有量比が高くなる程、加水分解速度が速まる。換言すれば、酸触媒の含有量比が高くなる程、エアロゲル構造全体におけるイオン含有量が多くなり、エアロゲルの誘電損失も多くなる。本発明の好ましい実施形態では、シロキサン及び疎水性修飾シロキサン混合物の総含有量と酸触媒の含有量とのモル比は1:0.00014である。 In the mixing and hydrolysis step (S1), the siloxane compound or hydrophobically modified siloxane compound is thoroughly mixed with a large amount of an ethanol aqueous solution containing a trace amount of an acid catalyst, and a hydrolysis reaction (hydrolysis) occurs at the same time during the mixing process. The solvent of the acid catalyst ethanol aqueous solution includes one or a mixture of different compositions of ethanol, ultrapure water, treated water, secondary treated water, etc., and the molar ratio of the total content of the siloxane and hydrophobically modified siloxane mixture to the content of the acid catalyst is 1:0.01 to 1:0.00005. In the siloxane and hydrophobically modified siloxane mixed solution, the higher the content ratio of the acid catalyst, the faster the hydrolysis rate. In other words, the higher the content ratio of the acid catalyst, the higher the ion content in the entire aerogel structure and the higher the dielectric loss of the aerogel. In a preferred embodiment of the present invention, the molar ratio of the total content of the siloxane and hydrophobically modified siloxane mixture to the content of the acid catalyst is 1:0.00014.

<凝縮と分散ステップ(S2)>
上記混合溶液に分散水溶液を添加し、上記分散水溶液はアルカリ触媒を含み、且つ乳化機またはホモジナイザー等の高速攪拌設備を利用して高速攪拌を行って凝縮反応を発生させ、分散ゾル溶液を形成する。更に詳しくは、凝縮反応中に、上記凝縮反応温度、添加する超純水の含有量、及び攪拌速度を制御することで凝縮反応速度を調節し、獲得する上記分散ゾル溶液内部のエアロゲル微細構造を制御する。上記分散水溶液と上記エタノール水溶液との体積比は75:25~30:70である。本発明の好ましい実施形態では、上記分散水溶液と上記エタノール水溶液との体積比は50:50である。
<Condensation and Dispersion Step (S2)>
The mixed solution is added with an aqueous dispersion solution, the aqueous dispersion solution contains an alkaline catalyst, and is stirred at high speed using a high speed stirring device such as an emulsifier or homogenizer to cause a condensation reaction to form a sol dispersion solution. More specifically, during the condensation reaction, the condensation reaction temperature, the content of ultrapure water added, and the stirring speed are controlled to adjust the condensation reaction rate and control the aerogel microstructure inside the sol dispersion solution obtained. The volume ratio of the aqueous dispersion solution to the ethanol aqueous solution is 75:25-30:70. In a preferred embodiment of the present invention, the volume ratio of the aqueous dispersion solution to the ethanol aqueous solution is 50:50.

凝縮と分散ステップにおいて、温度が上昇することで凝縮反応時間が明確に短縮し、即ち、エアロゲルのゲル化時間が上記分散凝縮ステップ(S2)において効果的に短縮される。アルカリ触媒と酸触媒の含有量の当量比が1.0:1.0である場合、上記凝縮反応温度は20~55℃であり、凝縮反応時間は20~250分間である。いくつかの実施形態では、上記凝縮反応温度は25℃であり、凝縮反応時間は約220分間である。上記凝縮反応温度が50℃である場合、凝縮反応時間は約15分間である。 In the condensation and dispersion steps, the condensation reaction time is significantly shortened by increasing the temperature, i.e., the gelation time of the aerogel is effectively shortened in the dispersion-condensation step (S2). When the equivalent ratio of the contents of the alkali catalyst and the acid catalyst is 1.0:1.0, the condensation reaction temperature is 20-55°C, and the condensation reaction time is 20-250 minutes. In some embodiments, the condensation reaction temperature is 25°C, and the condensation reaction time is about 220 minutes. When the condensation reaction temperature is 50°C, the condensation reaction time is about 15 minutes.

凝縮と分散ステップにおいて、加水分解された上記シロキサン分子及び疎水性修飾シロキサン分子混合物が懸濁分散水溶液中でナノメートル級乃至サブミクロン級の加水分解されたウェットゲル粒子を形成し、微量の水で分散可能な耐熱性ゲル材料をこの懸濁分散水溶液に添加することで、ゲル化過程でナノメートル級乃至サブミクロン級のエアロゲルウェットゲルを凝縮集合させて網状構造を形成した後、微量の水で分散可能な上記耐熱性ゲル材料がエアロゲルの3次元網状構造の表面を被覆して有機-無機複合ナノメートル構造材を形成する。添加する微量の水で分散可能な耐熱性ゲル材料と分散水溶液との体積比は0.01%~5%であり、且つ上記耐熱性ゲル材料は300℃以上の高温に耐え得る。 In the condensation and dispersion step, the mixture of hydrolyzed siloxane molecules and hydrophobically modified siloxane molecules forms hydrolyzed wet gel particles of nanometer to submicron size in the suspension dispersion aqueous solution, and a heat-resistant gel material dispersible in a small amount of water is added to the suspension dispersion aqueous solution, so that the nanometer to submicron size aerogel wet gel is condensed and aggregated to form a network structure during the gelation process, and then the heat-resistant gel material dispersible in a small amount of water covers the surface of the three-dimensional network structure of the aerogel to form an organic-inorganic composite nanometer structural material. The volume ratio of the heat-resistant gel material dispersible in a small amount of water to the dispersion aqueous solution is 0.01% to 5%, and the heat-resistant gel material can withstand high temperatures of 300°C or more.

他の実施形態では、アルカリ触媒の含有量が増加すると、凝縮反応時間が明らかに短縮する。1.0Mのアルカリ触媒と1.0Mの酸触媒の含有量の当量比は0.8:1.0~2.0:1.0であり、凝縮反応時間は360~約3分間である。いくつかの実施形態では、上記含有量の当量比は0.8:1.0であり、凝縮反応時間は360分間である。さらなる他の実施形態では、上記含有量の当量比は1.6:1.0であり、凝縮反応時間は約10分間である。更に詳しくは、上記含有量の当量比が1.0:1.0より小さい場合、凝縮反応時間が徐々に増加し、調製されるエアロゲルの誘電損失が明らかに低下する。上記含有量の当量比が1.0:1.0より大きい場合、凝縮反応時間が徐々に減少し、イオンの含有量の上昇伴って調製されるエアロゲルの誘電損失が明確に増加する。本発明の好ましい実施形態では、上記含有量の体積比は1.2:1.0である。 In other embodiments, the condensation reaction time is obviously shortened when the content of the alkali catalyst increases. The equivalent ratio of the contents of 1.0M alkali catalyst and 1.0M acid catalyst is 0.8:1.0 to 2.0:1.0, and the condensation reaction time is 360 to about 3 minutes. In some embodiments, the equivalent ratio of the contents is 0.8:1.0, and the condensation reaction time is 360 minutes. In still other embodiments, the equivalent ratio of the contents is 1.6:1.0, and the condensation reaction time is about 10 minutes. More specifically, when the equivalent ratio of the contents is less than 1.0:1.0, the condensation reaction time gradually increases and the dielectric loss of the prepared aerogel obviously decreases. When the equivalent ratio of the contents is greater than 1.0:1.0, the condensation reaction time gradually decreases and the dielectric loss of the prepared aerogel obviously increases with the increase in the content of ions. In a preferred embodiment of the present invention, the volume ratio of the contents is 1.2:1.0.

<構造形成ステップ(S3)>
上記懸濁分散ゾル溶液を予備成形型に注入し、微量の耐熱性ゲル材料を含有する上記懸濁分散ゾル溶液を予備成形型中で更に凝縮して固体状になったウェットゲルの予備成形構造を形成する。この成形ステップにおいて、シロキサンエアロゲル分子が凝縮反応により集合してシロキサンエアロゲル分子集合体を形成し、シロキサンエアロゲル分子の初期構造のサイズを5~10nmに制御し、初期構造を蓄積して約50~100nmのエアロゲルウェットゲル分子を形成し、50~100nmのエアロゲルウェットゲル分子を更に蓄積して更に大きな集合体を形成し、且つ相互に連結して3次元網状構造を形成し、安定した大量の溶剤を含有する耐熱性ゲル材料でエアロゲルの3次元網状構造の表面を被覆する有機-無機複合ゲル構造材料を形成する。
<Structure Formation Step (S3)>
The above-mentioned suspension-dispersed sol solution is poured into a preform mold, and the above-mentioned suspension-dispersed sol solution containing a small amount of heat-resistant gel material is further condensed in the preform mold to form a solid wet gel preform structure. In this molding step, the siloxane aerogel molecules are aggregated by condensation reaction to form siloxane aerogel molecular aggregates, the size of the initial structure of the siloxane aerogel molecules is controlled to 5-10 nm, the initial structure is accumulated to form aerogel wet gel molecules of about 50-100 nm, the aerogel wet gel molecules of 50-100 nm are further accumulated to form larger aggregates, and are interconnected to form a three-dimensional network structure, forming an organic-inorganic composite gel structure material, which is coated on the surface of the three-dimensional network structure of aerogel with a stable heat-resistant gel material containing a large amount of solvent.

他の実施形態では、微量の耐熱性ゲル材料を含有する懸濁分散ゾル溶液を大量の繊維を含有する予備成形型に注入する。この条件において、シロキサンエアロゲル分子が繊維の表面に吸着し、且つ繊維の表面で凝縮し蓄積して50~100nmのエアロゲルウェットゲル分子を形成し、50~100nmのエアロゲルウェットゲル分子が繊維と繊維構造との間に更に蓄積して3次元エアロゲル網状構造を形成し、安定した大量の繊維を含有する耐熱性ゲル材料でエアロゲル3次元網状構造の表面を被覆する有機-無機複合ゲル構造材料を更に形成する。上記成形ステップにおいて、分子級のエアロゲル溶液を含侵技術、吸圧、噴射、灌流、或いは真空吸着等の技術を利用して繊維材料に複合加工する。よって、上記予備成形型は成形型または繊維材料材料を含む成形型である。 In another embodiment, a suspension-dispersed sol solution containing a small amount of heat-resistant gel material is injected into a preform containing a large amount of fibers. Under this condition, the siloxane aerogel molecules are adsorbed on the surface of the fibers, and condensed and accumulated on the surface of the fibers to form 50-100 nm aerogel wet gel molecules, and the 50-100 nm aerogel wet gel molecules are further accumulated between the fibers and the fiber structure to form a three-dimensional aerogel network structure, and further form an organic-inorganic composite gel structure material that covers the surface of the aerogel three-dimensional network structure with a stable heat-resistant gel material containing a large amount of fibers. In the above molding step, the molecular-grade aerogel solution is composite-processed into the fiber material using techniques such as impregnation, suction, injection, perfusion, or vacuum adsorption. Therefore, the above preform is a molding mold or a molding mold containing a fiber material.

いくつかの実施形態では、上記繊維材料として、金属繊維、無機繊維、液晶繊維、有機繊維を含み、より具体的な例で言えば、例えば、マイクロメートル級乃至ナノメートル級の各種金属繊維または金属棒、ガラス繊維、炭素繊維、石英繊維、セラミック繊維、岩綿繊維、Kevlarポリアミド繊維、Nomexポリアミド繊維、ナイロン繊維、ポリエステル繊維、各種セルロース、生分解性無機繊維、或いは生分解性有機繊維で調製される各種多孔質ばら繊維、蓆、紙、毛布、縄、厚板等、またはそれらの組み合わせを挙げることができる。 In some embodiments, the fiber material includes metal fibers, inorganic fibers, liquid crystal fibers, and organic fibers. More specific examples include, for example, various metal fibers or metal rods of the micrometer to nanometer order, glass fibers, carbon fibers, quartz fibers, ceramic fibers, rock wool fibers, Kevlar polyamide fibers, Nomex polyamide fibers, nylon fibers, polyester fibers, various celluloses, various porous loose fibers prepared from biodegradable inorganic fibers or biodegradable organic fibers, straw mats, paper, blankets, ropes, thick boards, etc., or combinations thereof.

<常圧乾燥ステップ(S4)>
常圧において、成形乾燥温度で上記固体状になったウェットゲル構造を常圧条件で高温で乾燥し、構造が均一な低い熱伝導率を有するエアロゲル予備成形複合材料を獲得する、これはエアロゲル板材またはエアロゲル/繊維複合板を含む。いくつかの実施形態では、上記乾燥温度は60~150℃である。
<Normal pressure drying step (S4)>
The solidified wet-gel structure is dried at elevated temperature under atmospheric pressure to obtain a homogeneous structure and low thermal conductivity aerogel preformed composite material, including aerogel plate or aerogel/fiber composite plate. In some embodiments, the drying temperature is 60-150° C.

さらに、上記乾燥ステップは、溶剤気化ステップ(S4-1)と、溶剤回収ステップ(S4-2)と、溶剤突沸ステップ(S4-3)と、を含む。 Furthermore, the drying step includes a solvent vaporization step (S4-1), a solvent recovery step (S4-2), and a solvent bumping step (S4-3).

・気化ステップ(S4-1)
上記固体状になった予備成形ウェットゲル体を常圧且つ混合溶剤の共沸気化温度で放置し、温度を利用して大量のアルコール類水分子を高速に共沸気化させ、ウェットゲル体のアルコール類水分子を共沸させ、蒸留し乾燥する。いくつかの実施形態では、上記溶剤の共沸温度は60~90℃である。
Vaporization step (S4-1)
The preformed wet gel body in the solid state is left at normal pressure and at the azeotropic vaporization temperature of the mixed solvent, and a large amount of alcohol water molecules are azeotropically vaporized at high speed using the temperature, and the alcohol water molecules of the wet gel body are azeotropically evaporated, distilled, and dried. In some embodiments, the azeotropic temperature of the solvent is 60 to 90°C.

・溶剤回収ステップ(S4-2)
上記共沸気化温度環境において、予備成形構造の大量のアルコールを含む水溶液を高速に共沸させて気化させ、気化した蒸気を熱交換回収設備にガイドする。上記熱交換回収設備中で水性アルコールを冷却凝縮すると共に回収する。本発明のいくつかの実施形態では、冷却凝縮した上記水性アルコールは本プロセスの付加回収製品となり、上記回収の目的は、一方では価値があるアルコール副産物を回収して製造コストを低下させ、もう一方では、アルコールを含む蒸気を回収することで環境及び空気に対する汚染を減らすことである。
Solvent recovery step (S4-2)
In the azeotropic vaporization temperature environment, the aqueous solution containing a large amount of alcohol in the preformed structure is azeotropically vaporized at a high speed, and the vaporized vapor is guided to a heat exchange recovery device, where the aqueous alcohol is cooled and condensed and recovered. In some embodiments of the present invention, the cooled and condensed aqueous alcohol is an additional recovery product of the process, and the purpose of said recovery is, on the one hand, to recover valuable alcohol by-products to reduce production costs, and, on the other hand, to recover alcohol-containing vapors to reduce pollution to the environment and air.

・突沸ステップ(S4-3)
上記気化が完了した微量の溶剤を含有する予備成形エアロゲルの環境温度を溶剤の突沸温度まで調整し、その内部に含まれている微量の溶剤を高速に気化する突沸現象を発生させる。いくつかの実施形態では、上記突沸温度は110~150℃である。更に詳しくは、上記突沸温度が創造する高温環境において、上記エアロゲル内部の微量のアルコール類水分子が発生させる突沸現象により、エアロゲル内部に正圧の蒸気を発生させ、上記正圧の蒸気によりエアロゲル構造の乾燥過程で発生する収縮または崩壊現象を抑制する。一方、上記正圧によりエアロゲル網状構造を膨張させ、大量の微小孔を発生させて多孔質にすることで、上記エアロゲル予備成形材料を獲得する。そこで、上記調製方法は低密度且つ高空隙率のエアロゲルまたはエアロゲル/繊維複合材料を調製するために用い、その熱伝導性質kは約0.013~0.018W/mkである。エアロゲル/繊維複合材料の熱伝導性質kは約0.022~0.032W/mkであり、耐燃性質はUL94-V0等級以上である。
・Bumping step (S4-3)
The temperature of the environment of the preformed aerogel containing the trace amount of solvent after the vaporization is adjusted to the bumping temperature of the solvent, and the bumping phenomenon occurs, in which the trace amount of solvent contained therein is vaporized at a high speed. In some embodiments, the bumping temperature is 110-150°C. More specifically, in the high temperature environment created by the bumping temperature, the bumping phenomenon occurs due to the trace amount of alcohol water molecules inside the aerogel, and the positive pressure steam generates positive pressure steam inside the aerogel, suppressing the shrinkage or collapse phenomenon occurring during the drying process of the aerogel structure. Meanwhile, the positive pressure expands the aerogel network structure, generating a large number of micropores to make it porous, thereby obtaining the aerogel preformed material. Thus, the preparation method is used to prepare aerogel or aerogel/fiber composite material with low density and high porosity, and its thermal conductivity k is about 0.013-0.018 W/mk. The thermal conductivity k of the aerogel/fiber composite is approximately 0.022-0.032 W/mk, and the flame resistance meets or exceeds the UL94-V0 rating.

また、アルカン類、芳香ベンゼン類、アミン類等の大量の有機溶剤及び界面活性剤を添加していないため、乾燥過程が安全であり、且つより高純度なエアロゲル製品を調製できる。よって、調製された高空隙率のエアロゲル板材またはエアロゲル/繊維複合板には不純物が含まれず、製品の熱伝導性、誘電率、及び誘電損失等の性質が更に高まっている。 In addition, since large amounts of organic solvents and surfactants such as alkanes, aromatic benzenes, and amines are not added, the drying process is safe and aerogel products of higher purity can be prepared. As a result, the high-porosity aerogel plate or aerogel/fiber composite plate prepared does not contain impurities, and the product's properties such as thermal conductivity, dielectric constant, and dielectric loss are further improved.

<外層被覆ステップ(S5)>
300℃以上の高温に耐えるゲル材溶液を準備し、上記耐熱性ゲル材料溶液を300℃以上の高温に耐える材料の表面に含侵するように塗布し、高温のゲル材溶液を耐熱繊維生地のような上記耐熱材料の内部に均一に浸入させる。その後、耐熱性ゲル材料溶液が含侵した耐熱材料を更に利用してエアロゲル予備成形複合材料を単層または多層で被覆する。上記耐熱材料は非有機フィルム、非有機薄板、または耐熱繊維のうちの1つまたはそれらの組み合わせを含み、例えば、耐熱フィルムである。上記耐熱性ゲル材料溶液は耐熱性無機ゲル材または熱硬化性樹脂溶液であり、上記耐熱性ゲル材料溶液の耐熱性ゲル材料は300℃以上の高温に耐え得る。他の耐熱材料、耐熱フィルム、及び耐熱繊維が耐え得る温度も300℃以上であり、具体的な例で言えば、上記耐熱性ゲル材料溶液として、無機ゲル、熱可塑性樹脂、または熱硬化性樹脂のうちの1つまたはそれらの組み合わせを含む。上記無機ゲル材として、例えば、水ガラスゲル、無機ケイ素樹脂ゲル、酸化銅-リン酸ゲル、ケイ酸塩ゲル、リン酸-ケイ酸塩ゲル、硫酸塩ゲル、酸化マグネシウム-二酸化ケイ素-ホウ砂無機ゲルを含む。上記熱硬化性樹脂として、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリフェニレンスルファイド樹脂、ポリエーテルケトン液晶ポリマー樹脂、ポリテトラフルオロエチレン樹脂、ポリメラミン樹脂、ポリフェノールアルデヒド樹脂、ポリメラミン-ホルムアルデヒド樹脂、ポリエステルゲル、ポリアミドゲル、ポリアミドエステルゲル、シリカゲル等のゲル材のうちの1つまたはそれらの組み合わせを含む。上記ゲル材を繊維生地に含侵し被覆するステップ全体について、上記ゲル材溶液の濃度は10 ~ 75.0wt%である。ゲル材溶液の濃度が低くなる程、ゲル材溶液が繊維生地内部に浸入する効率が高くなり、且つ加工も容易になる。但し、調製されるゲル材溶液が含侵された繊維生地が多層で被覆するエアロゲル成形複合材料の緻密性が低くなり、構造中の孔の含有量が多くなり、エアロゲル粉塵が漏出しやすくなる。相対的に、ゲル材溶液の濃度が高くなる程、ゲル材溶液が繊維生地の表面を被覆する含有量が多くなり、調製されるゲル材溶液が含侵された繊維生地が多層で被覆するエアロゲル成形複合材料の強度が高くなり、緻密性も高まり、エアロゲル粉塵が漏出しにくくなる。但し、加工が難しくなり、且つ膜厚の制御も難しくなる。以上のことから、ゲル材溶液を含侵する濃度を制御することで、ゲル材溶液が含侵される繊維生地が多層で被覆するエアロゲル成形複合材料の成形加工及び粉塵が落ちない性質を最適化するためのゲル材溶液の濃度は30~50.0wt%となる。
<Outer layer covering step (S5)>
A gel material solution that can withstand high temperatures of 300°C or more is prepared, and the heat-resistant gel material solution is applied to the surface of a material that can withstand high temperatures of 300°C or more so as to impregnate the surface, and the high-temperature gel material solution is uniformly infiltrated into the heat-resistant material, such as a heat-resistant fiber fabric. The heat-resistant material impregnated with the heat-resistant gel material solution is then further used to coat the aerogel preformed composite material in a single layer or multiple layers. The heat-resistant material includes one or a combination of a non-organic film, a non-organic thin plate, or a heat-resistant fiber, for example, a heat-resistant film. The heat-resistant gel material solution is a heat-resistant inorganic gel material or a thermosetting resin solution, and the heat-resistant gel material of the heat-resistant gel material solution can withstand high temperatures of 300°C or more. The temperatures that other heat-resistant materials, heat-resistant films, and heat-resistant fibers can withstand are also 300°C or more, and in specific examples, the heat-resistant gel material solution includes one or a combination of an inorganic gel, a thermoplastic resin, or a thermosetting resin. The inorganic gel material includes, for example, water glass gel, inorganic silicon resin gel, copper oxide-phosphate gel, silicate gel, phosphoric acid-silicate gel, sulfate gel, magnesium oxide-silicon dioxide-borax inorganic gel. The thermosetting resin includes one or a combination of gel materials such as epoxy resin, polyimide resin, polyetherimide resin, polyphenylene ether resin, polyphenylene sulfide resin, polyether ketone liquid crystal polymer resin, polytetrafluoroethylene resin, polymelamine resin, polyphenol aldehyde resin, polymelamine-formaldehyde resin, polyester gel, polyamide gel, polyamide ester gel, and silica gel. In the entire step of impregnating and covering the fiber fabric with the gel material, the concentration of the gel material solution is 10 to 75.0 wt%. The lower the concentration of the gel material solution, the higher the efficiency of the gel material solution penetrating into the fiber fabric and the easier the processing. However, the density of the aerogel molding composite material coated with the fiber fabric impregnated with the gel solution in multiple layers is low, the content of holes in the structure is high, and the aerogel dust is easily leaked. Relatively, the higher the concentration of the gel solution, the more the content of the gel solution covering the surface of the fiber fabric, and the strength and density of the aerogel molding composite material coated with the fiber fabric impregnated with the gel solution in multiple layers are high, and the aerogel dust is not easily leaked. However, it is difficult to process and difficult to control the film thickness. From the above, the concentration of the gel solution is 30 to 50.0 wt% to optimize the molding process and dust-proof property of the aerogel molding composite material coated with the fiber fabric impregnated with the gel solution in multiple layers by controlling the concentration of the gel solution.

上記外層被覆ステップ(S5)において、上記耐熱非有機フィルム、耐熱非有機薄板、または耐熱繊維のうちの1つまたはそれらの組み合わせは、耐熱非有機フィルム及び耐熱非有機薄板として、金属、無機及び有機-無機複合等の耐熱フィルムを含み、薄板でエアロゲルを単層で被覆するか、多層で被覆するか、エアロゲルと多層に積層することで被覆する。ちなみに、多層で被覆とは、同じ耐熱フィルムを多層に積層して被覆することを指し、多層に積層することで被覆するとは、複数種の耐熱フィルムを多層に積層して被覆することを指す。換言すれば、本発明はエアロゲル予備成形複合材料を被覆する耐熱フィルムの種類を金属フィルム板、無機フィルム板、または有機-無機複合耐熱フィルム板、及び単層または多層に限定しない。さらに、金属フィルム板として、アルミニウム、ステンレス、銅等の金属材料で調製されたフィルムまたはそれらの組み合わせを含む。無機フィルム板として、雲母シート、グラファイトシート、グラフェンシート、ガラスシート、及び各種セラミックシート、金属酸化物、金属窒化ケイ素化合物、及び金属炭化ケイ素化合物で調製されたシート、薄板、またはそれらの組み合わせを含む。有機-無機複合フィルムとして、例えば、アルミニウム、ステンレス、銅、雲母シート、グラファイト、グラフェン、ガラス、及びセラミック等の金属、金属酸化物、金属窒化ケイ素化合物、及び金属炭化ケイ素化合物の微粒子を各種有機ゲルまたは各種無機ゲルに結合し複合して製造した耐熱有機-無機複合フィルム、薄板、或いは無機-無機複合フィルム、薄板等の組み合わせを含む。さらに、300度以上の高温に耐える繊維として、例えば、石英繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、炭素繊維を含み、有機繊維として、ナイロン繊維、ポリエステル繊維、ポリフッ化繊維を含み、液晶繊維として、Kevlarポリアミド繊維、Nomexポリアミド繊維、及び各種セルロース、生分解性無機、または有機繊維等を複合して調製した各種多孔質ばら繊維、蓆、紙、毛布、縄、厚板のうちの1つまたはそれらの組み合わせを含む。 In the outer layer coating step (S5), the heat-resistant non-organic film, heat-resistant non-organic thin plate, or heat-resistant fiber, or a combination thereof, includes heat-resistant films such as metal, inorganic, and organic-inorganic composite as the heat-resistant non-organic film and heat-resistant non-organic thin plate, and the aerogel is coated with the thin plate in a single layer, in a multilayer, or by laminating in a multilayer with the aerogel. Incidentally, coating in a multilayer refers to coating by laminating in a multilayer the same heat-resistant film, and coating by laminating in a multilayer refers to coating by laminating in a multilayer a plurality of types of heat-resistant films. In other words, the present invention does not limit the type of heat-resistant film coating the aerogel preformed composite material to a metal film plate, an inorganic film plate, or an organic-inorganic composite heat-resistant film plate, and to a single layer or a multilayer. Furthermore, the metal film plate includes a film prepared from a metal material such as aluminum, stainless steel, copper, or a combination thereof. Examples of inorganic film plates include mica sheets, graphite sheets, graphene sheets, glass sheets, and various ceramic sheets, sheets, thin plates, or combinations thereof prepared from metal oxides, metal silicon nitride compounds, and metal silicon carbide compounds. Examples of organic-inorganic composite films include heat-resistant organic-inorganic composite films, thin plates, or combinations of inorganic-inorganic composite films, thin plates, etc., produced by combining and compounding fine particles of metals such as aluminum, stainless steel, copper, mica sheets, graphite, graphene, glass, and ceramics, metal oxides, metal silicon nitride compounds, and metal silicon carbide compounds with various organic gels or various inorganic gels. Furthermore, examples of fibers that can withstand high temperatures of 300 degrees or more include quartz fiber, glass fiber, ceramic fiber, and carbon fiber, while organic fibers include nylon fiber, polyester fiber, and polyfluoride fiber, and liquid crystal fibers include Kevlar polyamide fiber, Nomex polyamide fiber, and various types of porous loose fibers prepared by combining cellulose, biodegradable inorganic, or organic fibers, straw, paper, blankets, rope, and thick boards, or combinations thereof.

<硬化成形ステップ(S6)>
300度以上の高温に耐えるゲル材溶液に含侵した上記繊維生地の単層または多層の耐熱フィルム等の耐熱材料で被覆するエアロゲル予備成形複合材料を、耐熱性ゲル材料溶液を含侵した溶剤を乾燥する沸点温度で放置し、上記ゲル材溶液の溶剤を気化させて欠陥または気泡孔の形成を減少させ、上記ゲル材溶液を徐々に乾燥させる。ここでは、溶剤の乾燥温度は上記ゲル材溶液の混合溶剤の沸点に基づいて決定する。いくつかの実施形態では、混合溶剤はエタノールであり、その溶剤の乾燥温度は60~75℃である。他の実施形態では、混合溶剤はメチルエチルケトンであり、その溶剤の乾燥温度は80~90℃である。さらなる他の実施形態では、溶剤は水であり、その水の溶剤の乾燥温度は80~102℃である。よって、実施形態の上記溶剤の乾燥温度は60~115℃であり、乾燥後に得られるゲル材溶液を含侵した繊維生地は乾燥温度が高過ぎて大量の気泡が発生して孔が形成され、後続の応用においてエアロゲル粉塵が漏出することがない。その後、更に高い硬化成形温度で上記耐熱性ゲル材料溶液を含侵する硬化成形ステップを実行する。上記硬化成形温度は上記溶剤の乾燥温度より高く、よって、高強度、低い熱伝導率、低い誘電率、高い防火性能を兼ね備えた耐熱フィルムでエアロゲル予備成形を被覆する複合材料を獲得する。
<Curing and molding step (S6)>
The aerogel preform composite material is coated with a heat-resistant material such as a heat-resistant film of the fiber fabric layer or multi-layer impregnated with a gel material solution that can withstand high temperatures of 300 degrees or more, and is left at a boiling point temperature for drying the solvent impregnated with the heat-resistant gel material solution, so that the solvent of the gel material solution is evaporated to reduce the formation of defects or air bubbles, and the gel material solution is gradually dried. Here, the drying temperature of the solvent is determined based on the boiling point of the mixed solvent of the gel material solution. In some embodiments, the mixed solvent is ethanol, and the drying temperature of the solvent is 60-75°C. In other embodiments, the mixed solvent is methyl ethyl ketone, and the drying temperature of the solvent is 80-90°C. In still other embodiments, the solvent is water, and the drying temperature of the water solvent is 80-102°C. Therefore, the drying temperature of the solvent in the embodiment is 60-115°C, and the fiber fabric impregnated with the gel material solution obtained after drying will not have a large amount of bubbles and holes due to the drying temperature being too high, which will prevent aerogel dust from leaking in subsequent applications. Then, a curing step is performed to impregnate the heat-resistant gel material solution at a higher curing temperature. The curing temperature is higher than the drying temperature of the solvent, and thus a composite material is obtained in which the aerogel preform is covered with a heat-resistant film, which has high strength, low thermal conductivity, low dielectric constant, and high fire resistance.

他の実施形態では、溶剤乾燥ステップにおいて、ゲル材溶液を含侵する繊維生地内部の有機溶剤が共に気化し、例えば、上記耐熱性ゲル材料溶液が含侵される上記非有機フィルム、上記非有機薄板、または上記300℃以上の高温に耐える繊維が上記エアロゲル予備成形材料を被覆して形成する上記耐熱フィルムがエアロゲル予備成形材料を被覆する複合材料は、上記耐熱性ゲル材料の溶剤の乾燥温度において上記溶剤が気化する。常温硬化型樹脂ゲル材である場合、上記ゲル材溶液が含侵する繊維生地は溶剤の気化過程に伴って硬化し、高強度なクリーンルーム及び電気自動車の安全保護用の無粉塵、高断熱のエアロゲル複合材料を獲得する。換言すれば、このステップにおいて、溶剤の乾燥以外にゲル材樹脂の硬化ステップを更に含み、よって、このステップも常温乾燥硬化ステップと呼ぶ。 In another embodiment, in the solvent drying step, the organic solvent inside the fiber fabric impregnated with the gel material solution evaporates together, and for example, in the composite material in which the heat-resistant film covering the aerogel preform material is formed by covering the non-organic film, the non-organic thin plate, or the fiber that can withstand high temperatures of 300°C or more impregnated with the heat-resistant gel material solution, the solvent evaporates at the drying temperature of the solvent of the heat-resistant gel material. In the case of a room temperature curing resin gel material, the fiber fabric impregnated with the gel material solution hardens with the evaporation of the solvent, obtaining a high-strength, dust-free, and highly insulating aerogel composite material for the safety protection of clean rooms and electric vehicles. In other words, in addition to drying the solvent, this step further includes a gel material resin hardening step, so this step is also called a room temperature drying and hardening step.

硬化成形ステップ(S6)において、上記耐熱性ゲル材料溶液が含侵または塗布された耐熱繊維生地または耐熱フィルム/耐熱薄板により多層で被覆するエアロゲル予備成形複合材料は、特定の架橋硬化温度において、無機ゲルまたは熱硬化性ポリマー鎖の間及び無機ゲルまたは熱硬化性分子とエアロゲル分子との間で架橋反応を発生させると共に結合して硬化し、例えば、水ガラスゲル、無機ケイ素樹脂ゲル等の無機ゲルと、熱硬化性ポリマーとしてエポキシ樹脂(epoxy)との間である。上記架橋硬化温度は約120~200℃である。いくつかの実施形態では、最も好ましい架橋硬化温度は150~180℃或いは185~190℃である。一方、酸化銅-リン酸ゲル、ケイ酸塩ゲル、リン酸-ケイ酸塩ゲル等の無機ゲルと、熱硬化性ポリマーとしてポリイミド(polyimide)との間の場合、上記架橋硬化温度は約120~325℃であり、いくつかの実施形態では、最高架橋硬化温度は320~325℃である。上記(S6)架橋硬化ステップにおいて、特定の架橋温度で上記有機または無機ゲル材溶液が含侵または塗布される耐熱繊維生地または耐熱フィルム/耐熱薄板の分子間で相互に架橋反応が発生し、高断熱性、高い防火性能、高強度を兼ね備え、粉塵が落ちない耐熱性ゲル材料溶液が含侵または塗布される耐熱繊維生地或いは耐熱フィルム/耐熱薄板が多層で被覆するエアロゲル成形複合材料が形成される。 In the curing and molding step (S6), the aerogel preformed composite material, which is covered in multiple layers with the heat-resistant fiber fabric or heat-resistant film/thin plate impregnated or coated with the heat-resistant gel material solution, undergoes crosslinking reactions between inorganic gel or thermosetting polymer chains and between inorganic gel or thermosetting molecules and aerogel molecules at a specific crosslinking and curing temperature, and is bonded and cured, for example, between inorganic gels such as water glass gel and inorganic silicone resin gel and epoxy resin as a thermosetting polymer. The crosslinking and curing temperature is about 120 to 200°C. In some embodiments, the most preferred crosslinking and curing temperature is 150 to 180°C or 185 to 190°C. On the other hand, in the case of inorganic gels such as copper oxide-phosphate gel, silicate gel, and phosphoric acid-silicate gel and polyimide as a thermosetting polymer, the crosslinking and curing temperature is about 120 to 325°C, and in some embodiments, the highest crosslinking and curing temperature is 320 to 325°C. In the above (S6) crosslinking and curing step, a crosslinking reaction occurs between the molecules of the heat-resistant fiber fabric or heat-resistant film/thin plate impregnated or coated with the organic or inorganic gel material solution at a specific crosslinking temperature, forming an aerogel molded composite material that is covered with multiple layers of heat-resistant fiber fabric or heat-resistant film/thin plate impregnated or coated with the heat-resistant gel material solution, which has high insulation, high fire resistance, high strength, and does not shed dust.

(第1実施形態)
図2は第1実施形態の前述の調製方法で調製した高強度、高い防火性能、高断熱性を兼ね備えた粉塵が落ちない管状の繊維強化樹脂(LFRP)でエアロゲルを被覆する複合材料の外観の写真を示し、図2には、上から下にかけてそれぞれ3種類の異なる耐熱性ゲル材料が管状に多層で被覆すると共に架橋硬化し、高強度、高い防火性能、高断熱性を兼ね備え、粉塵が落ちないエアロゲルを被覆する複合材料を示す。図に示す如く、最上面は白色シリカゲル系のガラス繊維強化樹脂が被覆する管状エアロゲル複合材料である。相対的に、中間の濃色はポリイミド系のガラス繊維強化樹脂が被覆する管状エアロゲル複合材料である。最下面の浅黄色はエポキシ樹脂系のガラス繊維強化樹脂が被覆する管状エアロゲル複合材料である。
First Embodiment
FIG. 2 shows a photograph of the appearance of a composite material in which an aerogel is coated with a tubular fiber-reinforced resin (LFRP) having high strength, high fire resistance, high thermal insulation, and no dust, which is prepared by the above-mentioned preparation method of the first embodiment. In FIG. 2, three different types of heat-resistant gel materials are coated in a tubular shape in multiple layers and cross-linked and cured from top to bottom, and the composite material is coated with an aerogel having high strength, high fire resistance, high thermal insulation, and no dust. As shown in the figure, the top surface is a tubular aerogel composite material coated with a white silica gel-based glass fiber reinforced resin. In comparison, the dark color in the middle is a tubular aerogel composite material coated with a polyimide-based glass fiber reinforced resin. The light yellow color on the bottom surface is a tubular aerogel composite material coated with an epoxy resin-based glass fiber reinforced resin.

図3は第1実施形態の前述の調製方法で調製した高強度、高い防火性能、高断熱性を兼ね備えた粉塵が落ちない繊維強化樹脂でエアロゲルを被覆する複合材料の内部の熱伝導率が低い純エアロゲルの断面を走査型電子顕微鏡(SEM)で撮影し、倍率300倍で拡大した写真を示す。電子顯微鏡で観察すると、その微小構造は明らかに、エアロゲル/繊維複合材料は大量の繊維の間にサブミクロン乃至マイクロメートル級の円球状エアロゲルが集合した3次元網状集合体を呈していることが分かる。また、図3から分かるように、低い熱伝導率を有するエアロゲル材料中には、エアロゲル集合構造以外、微量の耐熱性ゲル材料が数マイクロメートル級乃至サブミクロン級のエアロゲル粒子の間に被覆する連結構造、及び繊維とエアロゲル粒子との間に依然として大量のマイクロメートル級の孔が連結して形成されている孔構造を更に含み、低い熱伝導率を与えている。 Figure 3 shows a cross-section of pure aerogel with low thermal conductivity inside a composite material in which aerogel is coated with a fiber-reinforced resin that has high strength, high fire resistance, and high insulation properties and does not shed dust, prepared by the above-mentioned preparation method of the first embodiment, taken with a scanning electron microscope (SEM) and magnified at 300 times. When observed with an electron microscope, it is clear that the microstructure of the aerogel/fiber composite material is a three-dimensional network aggregate in which submicron to micrometer-class spherical aerogel is aggregated between a large number of fibers. In addition, as can be seen from Figure 3, the aerogel material with low thermal conductivity further includes, in addition to the aerogel aggregate structure, a connection structure in which a small amount of heat-resistant gel material covers between aerogel particles of several micrometers to submicrometers, and a pore structure in which a large number of micrometer-class pores are still formed by connecting between the fibers and the aerogel particles, giving it low thermal conductivity.

(第2実施形態)
図4は第2実施形態の前述の調製方法で調製した高強度、高い防火性能、高断熱性を兼ね備えた粉塵が落ちない繊維強化樹脂でエアロゲルを被覆する複合材料の外観の写真を示す。第2実施形態は上下2層が耐熱性無機ゲルを雲母シートに塗布してエアロゲルを被覆する複合材料を強化し、更なる耐熱性、高強度を提供し、高断熱性の雲母で樹脂被覆層を強化している。ここでは、外殻構造内部は低い熱伝導率のエアロゲル/繊維複合材料である。以上の構造も多層で積層する構造により、エアロゲルの応用分野を広げている。
Second Embodiment
Figure 4 shows a photograph of the appearance of a composite material in which an aerogel is coated with a fiber-reinforced resin that has high strength, high fire resistance, high thermal insulation, and does not shed dust, which is prepared by the above-mentioned preparation method of the second embodiment. In the second embodiment, the composite material in which the aerogel is coated is strengthened by applying heat-resistant inorganic gel to a mica sheet in two layers, upper and lower, to provide further heat resistance and high strength, and the resin coating layer is reinforced with highly insulating mica. Here, the inside of the outer shell structure is an aerogel/fiber composite material with low thermal conductivity. The above structure is also laminated in multiple layers, expanding the application field of aerogel.

図5は第2実施形態に係る高強度、高い防火性能、高断熱性を兼ね備えた粉塵が落ちない繊維強化樹脂でエアロゲルを被覆する複合材料の内部の断面を走査型電子顕微鏡(SEM)で撮影し、倍率250倍で拡大した写真を示す。図5に示す如く、本実施形態に係るエアロゲル複合材料の内部はエアロゲル/繊維複合材料であり、上記製品は大量のサブミクロン級エアロゲル分子が繊維の表面に吸着すると共に、繊維の間の孔が相互に集合して3次元のエアロゲル網状構造が形成され、且つ全体的な集合構造には依然として大量の孔が含まれ、関連する孔がエアロゲル/繊維複合毛布に低い熱伝導率の特性を与え、且つ大量の繊維がエアロゲル/繊維複合板の適切な強度等の性質を高めている。 Figure 5 shows a 250x magnification photograph of the inside cross section of the second embodiment of a composite material in which an aerogel is coated with a fiber-reinforced resin that has high strength, high fire resistance, and high thermal insulation properties. As shown in Figure 5, the inside of the aerogel composite material of this embodiment is an aerogel/fiber composite material, and the product has a large number of submicron-class aerogel molecules adsorbed on the surface of the fibers, and the pores between the fibers are inter-assembled to form a three-dimensional aerogel network structure, and the overall assembly structure still contains a large number of pores, which give the aerogel/fiber composite blanket the property of low thermal conductivity, and the large number of fibers enhances the properties of the aerogel/fiber composite board, such as appropriate strength.

表面処理ステップでは、高強度、低い熱伝導率、低い誘電率、高い防火性能を有する上記耐熱フィルムでエアロゲルを被覆する複合材料の表面に、エアロゲル防火断熱塗料の1つまたはそれらの組み合わせを利用して艶出し、噴射、及び表面スプレー塗装を行うと共に、洗浄及び表面保護等のプロセスの組み合わせを実行し、高強度、低い熱伝導率、低い誘電率、高い防火性能を兼ね備えた耐熱繊維生地または耐熱フィルム/耐熱薄板により多層で被覆するエアロゲル成形複合材料を形成する。 In the surface treatment step, the surface of the composite material in which the aerogel is coated with the above-mentioned heat-resistant film having high strength, low thermal conductivity, low dielectric constant and high fire resistance is polished, sprayed and surface sprayed with one or a combination of aerogel fire and heat insulation paints, and a combination of processes such as cleaning and surface protection is carried out to form an aerogel molded composite material coated in multiple layers with heat-resistant fiber fabric or heat-resistant film/heat-resistant thin plate having high strength, low thermal conductivity, low dielectric constant and high fire resistance.

(第3実施形態)
図6は第3実施形態の前述の調製方法で調製した高強度、高い防火性能、高断熱性を兼ね備えた粉塵が落ちない繊維強化樹脂でエアロゲルを被覆する複合材料の外観の写真を示す。第3実施形態は上下2層が耐熱性無機ゲルを雲母シート被覆層に塗布した後、グラフェン熱伝導シートを耐熱性無機ゲルが塗布された雲母シートの外層に貼付し、この材料が熱拡散機能を提供する。第3実施形態の目的は、一方では更なる耐熱性、高強度を提供し、高断熱の雲母により樹脂被覆層を強化する。もう一方では、耐熱性、高強度を提供し、高い熱伝導性(高い導電性)のグラフェンシートにより樹脂被覆層を強化する。以上の被覆構造も片面が耐熱性雲母シートであり、もう一方の面が耐熱グラフェン熱伝導シートまたは多層積層構造であり、エアロゲルの応用分野を広げている。
Third Embodiment
FIG. 6 shows a photograph of the appearance of a composite material in which an aerogel is coated with a fiber-reinforced resin that has high strength, high fire resistance, high heat insulation, and does not fall dust, which is prepared by the above-mentioned preparation method of the third embodiment. In the third embodiment, two layers of heat-resistant inorganic gel are applied to the mica sheet coating layer, and then a graphene heat-conducting sheet is attached to the outer layer of the mica sheet coated with the heat-resistant inorganic gel, and this material provides a heat diffusion function. The purpose of the third embodiment is, on the one hand, to provide further heat resistance and high strength, and to strengthen the resin coating layer with the highly insulating mica. On the other hand, to provide heat resistance and high strength, and to strengthen the resin coating layer with the graphene sheet with high thermal conductivity (high electrical conductivity). The above coating structure also has a heat-resistant mica sheet on one side and a heat-resistant graphene heat-conducting sheet or a multi-layer laminate structure on the other side, expanding the application field of aerogel.

(第4実施形態)
図7は第4実施形態の前述の調製方法で調製した高強度、高い防火性能、高断熱性を兼ね備えた粉塵が落ちない繊維強化樹脂でエアロゲルを被覆する複合材料の外観の写真を示す。第4実施形態は上下2層が耐熱性無機ゲルを雲母シート被覆層に塗布した後、金属フィルム熱伝導シートを耐熱性無機ゲルが塗布された雲母シートの外層に貼付し、この材料が熱拡散及び高い導電機能を提供する。第4実施形態の目的は、一方では耐熱性、高強度を提供し、高断熱の雲母により樹脂被覆層を強化する。もう一方では、耐熱性、高強度を提供し、高い熱伝導性(高い導電性)の金属フィルムにより樹脂被覆層を強化する。以上の構造も片面が耐熱性雲母シートであり、もう一方の面は耐熱金属熱伝導シートまたは多層積層構造であり、エアロゲルの応用分野を広げている。
Fourth Embodiment
7 shows a photograph of the appearance of a composite material in which an aerogel is coated with a fiber-reinforced resin that has high strength, high fire resistance, high heat insulation, and does not fall dust, which is prepared by the above-mentioned preparation method of the fourth embodiment. In the fourth embodiment, two layers of heat-resistant inorganic gel are applied to the mica sheet coating layer, and then a metal film heat-conducting sheet is attached to the outer layer of the mica sheet coated with the heat-resistant inorganic gel, and this material provides heat diffusion and high conductivity functions. The purpose of the fourth embodiment is to provide heat resistance and high strength on the one hand, and to strengthen the resin coating layer with the highly insulating mica. On the other hand, to provide heat resistance and high strength, and to strengthen the resin coating layer with the metal film with high thermal conductivity (high electrical conductivity). The above structure also has a heat-resistant mica sheet on one side and a heat-resistant metal heat-conducting sheet or a multi-layer laminate structure on the other side, expanding the application field of aerogel.

(第5実施形態)
図8は第5実施形態の前述の第2実施形態乃至第4実施形態で調製した高強度、高い防火性能、高断熱性を兼ね備えた繊維強化樹脂でエアロゲルを被覆する複合材料に、エアロゲル防火断熱塗料を表面にスプレー塗装した後の外観の写真を示す。第5実施形態は、エアロゲル防火断熱塗料により表面スプレー塗装を行い、この材料が更に優れた防火断熱機能を提供する。第5実施形態の目的は、一方では1200℃の高温に耐え得る断熱被覆層を提供し、このプロセスによる製品の耐燃性はUL94-V0等級以上となり、最高耐熱温度は1200℃に達する。高温のホットスポットの温度が約650度であり、製品の厚さが2.78mmである条件において、断熱温度は約200℃以下まで低下する。
Fifth Embodiment
FIG. 8 shows a photograph of the appearance of the composite material prepared in the above-mentioned second to fourth embodiments, in which the aerogel is coated with a fiber-reinforced resin having high strength, high fire resistance, and high heat insulation, after spraying the aerogel fireproof and heat-insulating paint on the surface. In the fifth embodiment, the surface is spray-coated with the aerogel fireproof and heat-insulating paint, so that the material provides better fireproof and heat-insulating functions. The purpose of the fifth embodiment is to provide a heat-insulating coating layer that can withstand high temperatures of 1200°C on the one hand, and the flame resistance of the product obtained by this process is UL94-V0 grade or higher, and the maximum heat-resistant temperature reaches 1200°C. Under the condition that the temperature of the high-temperature hot spot is about 650°C and the thickness of the product is 2.78mm, the heat-insulating temperature is reduced to about 200°C or less.

図9は高温の火炎で防火断熱試験を行った第5実施形態に係る製品を示す。試験の火炎のホットスポットの温度は約650℃であり、第5実施形態に係る製品の厚さが2.78mmである条件において、高温の火炎で3分間試験を行った。製品は燃焼過程において、一般的な有機物が高温で発生させるような燃焼分解を発生させず、炭化物による濃煙等の現象も発生しなかった。製品を断熱した後には、製品の背面の温度が200℃以下まで低下し、開発した製品が優れた防火断熱効果を有し、電気自動車のリチウムバッテリーモジュールの熱暴走の予防に応用可能であることが示された。 Figure 9 shows the product according to the fifth embodiment, which underwent a fire and insulation test with a high-temperature flame. The test flame hotspot temperature was about 650°C, and the product according to the fifth embodiment was tested for 3 minutes with a thickness of 2.78 mm. During the combustion process, the product did not undergo combustion decomposition, unlike that which occurs with typical organic matter at high temperatures, and no phenomena such as thick smoke caused by charred materials were generated. After insulating the product, the temperature of the back of the product dropped to below 200°C, demonstrating that the developed product has excellent fire and insulation effects and can be applied to prevent thermal runaway in lithium battery modules in electric vehicles.

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。 The present invention has been described above using an embodiment, but the technical scope of the present invention is not limited to the scope described in the above embodiment. It is clear to those skilled in the art that various modifications and improvements can be made to the above embodiment. It is clear from the claims that forms with such modifications or improvements can also be included in the technical scope of the present invention.

S1 混合加水分解ステップ
S2 凝縮と分散ステップ
S3 構造形成ステップ
S4 常圧乾燥ステップ
S5 外層被覆ステップ
S6 硬化成形ステップ
S7 表面処理ステップ
S1 Mixed hydrolysis step S2 Condensation and dispersion step S3 Structure formation step S4 Normal pressure drying step S5 Outer layer coating step S6 Hardening molding step S7 Surface treatment step

Claims (10)

エタノール水溶液にシロキサン前駆体を添加して混合溶液を形成する混合加水分解ステップであって、前記シロキサン前駆体として、鎖長の異なる疎水性修飾シロキサン化合物、シロキサン化合物、またはそれらの組み合わせを含み、その後、前記混合溶液に酸触媒を添加して加水分解反応を発生させる混合加水分解ステップと、
前記混合溶液に分散水溶液を添加し、前記分散水溶液はアルカリ触媒を含み、凝縮反応を発生させて分散ゾル溶液を形成した後、前記分散ゾル溶液に微量の水で分散可能な耐熱性ゲル材料を添加して耐熱性ゲル材料を含む分散ゾル溶液を獲得し、前記耐熱性ゲル材料は300℃以上の高温に耐える凝縮と分散ステップと、
前記耐熱性ゲル材料を含む分散ゾル溶液を予備成形型に注入し、前記耐熱性ゲル材料を含む分散ゾル溶液を前記予備成形型中で更に凝縮して固体状になったウェットゲルの予備成形構造を形成する構造形成ステップであって、前記予備成形型として成形型または繊維材料含有する成形型を含み、前記繊維材料として、属繊維、無機繊維、液晶繊維、有機繊維で調製される多孔質ばら繊維、蓆、紙、毛布、縄、厚板のうちの1つまたはそれらの組み合わせを含む構造形成ステップと、
常圧及び乾燥温度において、前記固体状になったウェットゲルの予備成形構造を乾燥し、エアロゲル板材またはエアロゲル/繊維複合板を含むエアロゲル予備成形材料を獲得し、前記乾燥温度は60~150℃である常圧乾燥ステップと、
耐熱性ゲル材料溶液を準備し、前記耐熱性ゲル材料溶液の耐熱性ゲル材料は300℃以上の高温に耐え、前記耐熱性ゲル材料溶液は非有機フィルム、非有機薄板、または300℃以上の高温に耐える繊維の表面に含侵するように塗布され、前記耐熱性ゲル材料溶液が前記非有機フィルム、前記非有機薄板、または前記300℃以上の高温に耐える繊維の表面に均一に分布された後、前記耐熱性ゲル材料溶液が含侵塗布された前記非有機フィルム、前記非有機薄板、または前記300℃以上の高温に耐える繊維を更に利用して前記エアロゲル予備成形材料を被覆し、前記非有機フィルム、前記非有機薄板、または前記300℃以上の高温に耐える繊維は前記エアロゲル予備成形材料に対しエアロゲルを単層で被覆または多層で被覆するか、或いはエアロゲルと多層に積層することで被覆し、高強度、低い熱伝導率、低い誘電率、高い防火性能を有する耐熱材料でエアロゲル予備成形材料を被覆する複合材料を形成する外層被覆ステップと、
硬化成形ステップであって、前記耐熱材料でエアロゲル予備成形材料を被覆する複合材料を、前記耐熱性ゲル材料溶液の溶剤乾燥温度において剤を気化させ、前記溶剤乾燥温度は60~115℃であり、その後、硬化成形温度で前記耐熱性ゲル材料溶液を含侵する硬化成形ステップを実行し、前記硬化成形温度は前記溶剤乾燥温度より高く、高強度、低い熱伝導率、低い誘電率、高い防火性能を有する耐熱フィルムでエアロゲル予備成形を被覆する複合材料を獲得する硬化成形ステップと、
高強度、低い熱伝導率、低い誘電率、高い防火性能を有する前記耐熱フィルムでエアロゲル予備成形を被覆する複合材料の表面は、艶出し、エアロゲル防火断熱塗料の噴射、及び表面スプレー塗装うちの1つまたはそれらの組み合わせを利用し、洗浄及び表面保護プロセスを組み合わることで、高強度、低い熱伝導率、低い誘電率、高い防火性能を兼ね備える耐熱繊維布または耐熱フィルム/耐熱薄板で多層に被覆するエアロゲル成形複合材料を形成する表面処理ステップと、を含むことを特徴とする耐熱材料でエアロゲルを被覆する断熱複合材の調製方法。
a mixed hydrolysis step of adding a siloxane precursor to an ethanol aqueous solution to form a mixed solution, the siloxane precursor including a hydrophobically modified siloxane compound having different chain lengths, a siloxane compound, or a combination thereof, and then adding an acid catalyst to the mixed solution to cause a hydrolysis reaction;
a condensation and dispersion step of adding an aqueous dispersion solution to the mixed solution, the aqueous dispersion solution containing an alkaline catalyst, and forming a sol dispersion solution by a condensation reaction; and then adding a heat-resistant gel material dispersible in a small amount of water to the sol dispersion solution to obtain a sol dispersion solution containing a heat-resistant gel material, the heat-resistant gel material being resistant to a high temperature of 300° C. or more;
A structure forming step of injecting the dispersed sol solution containing the heat-resistant gel material into a preform mold, and further condensing the dispersed sol solution containing the heat-resistant gel material in the preform mold to form a preformed structure of a solid wet gel, the preform mold including a molding mold or a molding mold containing a fiber material, and the fiber material including one or a combination of metal fiber, inorganic fiber, liquid crystal fiber, porous loose fiber prepared with organic fiber, mat, paper, blanket, rope, and thick board;
drying the solidified wet gel preform structure at normal pressure and drying temperature to obtain an aerogel preform material including an aerogel plate or an aerogel/fiber composite plate, the drying temperature being 60-150°C;
A heat-resistant gel material solution is prepared, the heat-resistant gel material of the heat-resistant gel material solution is resistant to high temperatures of 300°C or more, the heat-resistant gel material solution is applied to impregnate a surface of a non-organic film, a non-organic thin plate, or a fiber that can withstand high temperatures of 300°C or more, and after the heat-resistant gel material solution is uniformly distributed on the surface of the non-organic film, the non-organic thin plate, or the fiber that can withstand high temperatures of 300°C or more, the non-organic film, the non-organic thin plate, or the fiber that can withstand high temperatures of 300°C or more is impregnated with the heat-resistant gel material solution. an outer layer coating step of further using the fiber capable of withstanding high temperatures of 300°C or more to coat the aerogel preform material, and the non-organic film, the non-organic thin plate, or the fiber capable of withstanding high temperatures of 300°C or more is coated with a single layer or multiple layers of aerogel on the aerogel preform material, or is laminated with aerogel in multiple layers to form a composite material in which the aerogel preform material is coated with a heat-resistant material having high strength, low thermal conductivity, low dielectric constant, and high fire resistance;
A hardening and molding step is performed to obtain a composite material that covers the aerogel preform with the heat-resistant material by evaporating the solvent at a solvent drying temperature of the heat-resistant gel material solution, the solvent drying temperature being 60 to 115°C, and then performing a hardening and molding step of impregnating the heat-resistant gel material solution at a hardening and molding temperature, the hardening and molding temperature being higher than the solvent drying temperature, and a composite material that covers the aerogel preform with a heat-resistant film having high strength, low thermal conductivity, low dielectric constant, and high fireproof performance is obtained;
and a surface treatment step of forming an aerogel preformed composite material coated with the heat-resistant film having high strength, low thermal conductivity, low dielectric constant, and high fire retardancy by one or a combination of polishing, spraying aerogel fire-resistant heat-insulating paint, and surface spray painting, in combination with cleaning and surface protection processes, to form an aerogel preformed composite material coated with heat-resistant fiber cloth or heat-resistant film/thin plate in multiple layers, which has high strength, low thermal conductivity, low dielectric constant, and high fire retardancy.
前記耐熱性ゲル材料溶液が常温硬化型である場合、前記耐熱性ゲル材料溶液が含侵される前記非有機フィルム、前記非有機薄板、または前記300℃以上の高温に耐える繊維は、気化させる過程で硬化し、高強度なクリーンルーム及び電気自動車の安全保護に用いる無粉塵、高断熱エアロゲル複合材料を獲得することを特徴とする請求項1に記載の耐熱材料でエアロゲルを被覆する断熱複合材の調製方法。 2. The method for preparing a heat insulating composite material of coating aerogel with a heat resistant material according to claim 1, characterized in that, when the heat resistant gel material solution is of room temperature curing type, the non-organic film, the non-organic thin plate, or the fiber capable of withstanding high temperatures of 300°C or more impregnated with the heat resistant gel material solution is cured in the process of evaporating the solvent , thereby obtaining a dust-free, high heat insulating aerogel composite material with high strength, which is used for the safety protection of clean rooms and electric vehicles. 前記硬化成形ステップは、
前記耐熱性ゲル材料溶液が含侵される前記非有機フィルム、前記非有機薄板、または前記300℃以上の高温に耐える繊維で前記エアロゲル予備成形材料を被覆することで形成された前記耐熱フィルムでエアロゲル予備成形材料を被覆する複合材料を、前記耐熱性ゲル材料の溶剤乾燥温度において剤を気化させる溶剤乾燥ステップと、
特定の架橋硬化高温環境において、前記エアロゲル予備成形材料の外層を被覆している前記耐熱性ゲル材料溶液が含侵される前記非有機フィルム、前記非有機薄板、または前記300℃以上の高温に耐える繊維と、内部の熱硬化樹脂との間で架橋反応を発生させて硬化させることで相互に結合させ、橋硬化応後に高強度、低い熱伝導率、低い誘電率、高い防火性能を有する前記耐熱フィルムでエアロゲル予備成形を被覆する複合材料を獲得し、その外部は高温耐性、高強度、高い緻密性を兼ね備えて、粉塵が落ちないような繊維強化樹脂(LFRP)耐熱被覆層であり、その内部は低い熱伝導率及び低い誘電率を兼ね備えたエアロゲル板材またはエアロゲル/繊維複合材料である架橋硬化ステップと、を含むことを特徴とする請求項1に記載の耐熱材料でエアロゲルを被覆する断熱複合材の調製方法。
The hardening and molding step includes:
A solvent drying step of evaporating a solvent at a solvent drying temperature of the heat-resistant gel material from the composite material in which the heat-resistant film is coated on the aerogel preform material by coating the non-organic film, the non-organic thin plate, or the fiber that can withstand a high temperature of 300° C. or higher, which is impregnated with the heat-resistant gel material solution;
and a crosslinking and curing step of: in a specific crosslinking and curing high temperature environment, the non-organic film, the non-organic thin plate, or the fiber that can withstand high temperatures of 300°C or more and that is impregnated with the heat-resistant gel material solution that coats the outer layer of the aerogel preform material, and the internal thermosetting resin are crosslinked and cured to bond with each other, and after the crosslinking and curing reaction , a composite material is obtained that coats the aerogel preform with the heat-resistant film having high strength, low thermal conductivity, low dielectric constant, and high fire retardancy, and the exterior of the composite material is a fiber-reinforced plastic (LFRP) heat-resistant coating layer that has high temperature resistance, high strength, high density, and does not fall dust, and the interior of the composite material is an aerogel plate or aerogel/fiber composite material that has low thermal conductivity and low dielectric constant.
前記常圧乾燥ステップは、
前記固体状になったウェットゲルの予備成形構造を共沸気化温度の環境で放置し、前記固体状になったウェットゲルの予備成形構造の溶剤を共沸気化させて溶剤を蒸留させて乾燥し、前記共沸気化温度は60~90℃である気化ステップと、
沸した水性アルコール溶液の蒸気を熱交換回収設備にガイドし、前記水性アルコール溶液を冷却凝縮すると共に回収する溶剤回収ステップと、
乾燥エアロゲルの予備成形構造の温度を突沸温度に調整し、前記乾燥エアロゲルの予備成形構造の内部に含まれる微量の溶剤及び水分子を高速に突沸させ、正圧蒸気を発生させてエアロゲル構造の乾燥収縮を抑制し、大量の微小孔を発生させて前記エアロゲル予備成形材料を獲得し、前記突沸温度は110~150℃である突沸ステップと、を含むことを特徴とする請求項1に記載の耐熱材料でエアロゲルを被覆する断熱複合材の調製方法。
The atmospheric drying step includes:
a vaporization step of leaving the solidified wet-gel preform structure in an azeotropic vaporization temperature environment to azeotropically vaporize the solvent in the solidified wet-gel preform structure and evaporate the solvent to dry it, the azeotropic vaporization temperature being 60 to 90°C;
a solvent recovery step of guiding the vapor of the azeotropic aqueous alcohol solution to a heat exchange recovery device to cool and condense the aqueous alcohol solution and recover the solvent;
and a bumping step of adjusting a temperature of the dry aerogel preform structure to a bumping temperature, bumping a small amount of solvent and water molecules contained in the dry aerogel preform structure at a high speed, generating positive pressure steam to suppress drying shrinkage of the aerogel structure, and generating a large amount of micropores to obtain the aerogel preform material, the bumping temperature being 110-150°C.
前記耐熱性ゲル材料溶液が無機ゲル樹脂または熱硬化性樹脂を含む場合、前記硬化成形ステップは、
常温環境において、溶剤を気化させると共に硬化剤を架橋硬化させ、硬化後に高強度、低い熱伝導率、低い誘電率、高い防火性能を有する前記耐熱フィルムでエアロゲル予備成形を被覆する複合材料を獲得する常温架橋硬化ステップ或いは、
架橋硬化温度において、前記熱硬化性樹脂及び前記非有機フィルム、前記非有機薄板、または前記300℃以上の高温に耐える繊維の内部繊維の間で化学反応を発生させて結合するように硬化させ、熱硬化性樹脂がエポキシ樹脂(epoxy)である場合、前記架橋硬化温度は150~180℃であり、熱硬化性樹脂がポリイミド(polyimide)である場合、前記架橋硬化温度は120~325℃であり、硬化架橋後に高強度、低い熱伝導率、低い誘電率、高い防火性能を有する前記耐熱フィルムでエアロゲル予備成形を被覆する複合材料を獲得する高温架橋硬化ステップと、を更に含むことを特徴とする請求項1に記載の耐熱材料でエアロゲルを被覆する断熱複合材の調製方法。
When the heat-resistant gel material solution contains an inorganic gel resin or a thermosetting resin, the hardening and molding step includes:
A room temperature cross-linking and curing step of evaporating the solvent and cross-linking the curing agent in a room temperature environment to obtain a composite material in which the heat-resistant film covering the aerogel preform has high strength, low thermal conductivity, low dielectric constant, and high fire resistance after curing; or
and curing the thermosetting resin and the non-organic film, the non-organic thin plate, or the fiber resistant to a high temperature of 300° C. or more at a crosslinking temperature to generate a chemical reaction between the thermosetting resin and the non-organic film, the non-organic thin plate, or the fiber resistant to a high temperature of 300° C. or more to bond ... thin plate, the crosslinking temperature is 150-180° C. when the thermosetting resin is an epoxy resin, and the crosslinking temperature is 120-325° C. when the thermosetting resin is a polyimide, and the crosslinking temperature is 150-180° C. when the thermosetting resin is a polyimide, the crosslinking temperature is 120-325° C. after curing, to obtain a composite material covering the aerogel preform with the heat-resistant film, which has high strength, low thermal conductivity, low dielectric constant, and high fire retardancy.
前記シロキサン化合物として、テトラメトキシシラン(Tetramethoxysilane, TMOS)、テトラエトキシシラン(Tetraethoxysilane, TEOS)、またはそれらの組み合わせを含み、前記疎水性修飾シロキサン化合物として、メチルトリメトキシシラン(Methyltrimethoxysilane、MTMS)、プロピルトリメトキシシラン(Propyltrimethoxysilane、PTMS)、ヘキシルトリメトキシシラン(Hexyltrimethoxysilane、HTMS)、オクチルトリメトキシシラン(Octyltrimethoxysilane、OTMS)、ヘキサメチルジシラン(Hexamethyldisilane、HMDS)の異なるアルキル基鎖長で代替した疎水性修飾シロキサンの1つまたはそれらの組み合わせを含み、シロキサン前駆体において、前記シロキサン化合物及び前記疎水性修飾シロキサン化合物の含有量のモル比は0:100 mol%~40:60 mol%であることを特徴とする請求項1乃至5の何れか1項に記載の耐熱材料でエアロゲルを被覆する断熱複合材の調製方法。 The siloxane compound includes tetramethoxysilane (TMOS), tetraethoxysilane (TEOS), or a combination thereof, and the hydrophobically modified siloxane compound includes one or a combination of hydrophobically modified siloxanes substituted with different alkyl group chain lengths, such as methyltrimethoxysilane (MTMS), propyltrimethoxysilane (PTMS), hexyltrimethoxysilane (HTMS), octyltrimethoxysilane (OTMS), and hexamethyldisilane (HMDS). In the siloxane precursor, the molar ratio of the content of the siloxane compound and the hydrophobically modified siloxane compound is 0:100 mol% to 40:60. A method for preparing a heat insulating composite material by coating an aerogel with the heat resistant material according to any one of claims 1 to 5, wherein the heat resistant material is in an amount of mol%. 前記耐熱性ゲル材料として、無機ゲル、熱塑性樹脂、または熱硬化性樹脂の1つまたはそれらの組み合わせを含み、前記無機ゲルとして、水ガラス、無機ケイ素樹脂、酸化銅-リン酸ゲル、ケイ酸塩ゲル、リン酸-ケイ酸塩ゲル、硫酸塩ゲル、または酸化マグネシウム-二酸化ケイ素-ホウ砂無機ゲルを含み、前記熱硬化性樹脂として、エポキシ樹脂、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンスルファイド、ポリエーテルケトン液晶ポリマー、ポリテトラフルオロエチレン、ポリメラミン、ポリフェノールアルデヒド、ポリメラミン-ホルムアルデヒド、ポリアミド、ポリアミドエステル、またはシリカゲルを含むことを特徴とする請求項1乃至5の何れか1項に記載の耐熱材料でエアロゲルを被覆する断熱複合材の調製方法。 The method for preparing a heat insulating composite material comprising coating an aerogel with a heat resistant material according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the heat resistant gel material comprises one or a combination of inorganic gel, thermoplastic resin, or thermosetting resin, the inorganic gel comprises water glass, inorganic silicon resin, copper oxide-phosphate gel, silicate gel, phosphoric acid-silicate gel, sulfate gel, or magnesium oxide-silicon dioxide-borax inorganic gel, and the thermosetting resin comprises epoxy resin, polyimide, polyetherimide, polyphenylene ether, polyphenylene sulfide, polyether ketone liquid crystal polymer, polytetrafluoroethylene, polymelamine, polyphenol aldehyde, polymelamine-formaldehyde, polyamide, polyamide ester, or silica gel. 前記繊維材料として、金属繊維、無機繊維、液晶繊維、有機繊維、ラス繊維、炭素繊維、石英繊維、セラミック繊維、岩綿繊維、Kevlarポリアミド繊維、Nomexポリアミド繊維、ナイロン繊維、ポリエステル繊維、生分解性無機繊維または生分解性有機繊維で調製される多孔質ばら繊維、蓆、紙、毛布、縄、厚板、またはそれらの組み合わせを含むことを特徴とする請求項1乃至5の何れか1項に記載の耐熱材料でエアロゲルを被覆する断熱複合材の調製方法。 The method for preparing a heat insulating composite material by coating an aerogel with a heat resistant material according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the fiber material includes metal fiber, inorganic fiber, liquid crystal fiber, organic fiber, glass fiber, carbon fiber, quartz fiber, ceramic fiber, rock wool fiber, Kevlar polyamide fiber, Nomex polyamide fiber, nylon fiber, polyester fiber, porous loose fiber prepared from biodegradable inorganic fiber or biodegradable organic fiber, mat, paper, blanket, rope, thick board, or combination thereof. 前記非有機フィルム及び前記非有機薄板として、金属フィルム板、無機フィルム板及び有機-無機複合耐熱フィルム、薄板、またはそれらの組み合わせを含み、前記金属フィルム板として、アルミニウム、ステンレス、銅箔フィルムの1つまたはそれらの組み合わせを含み、前記無機フィルム板として、雲母シート、グラファイト、グラフェン、ガラスセラミック、金属酸化物、金属窒化ケイ素化合物及び金属炭化ケイ素化合物で調製されたフィルムまたは薄板の1つまたはそれらの組み合わせを含み、前記有機-無機複合耐熱フィルムとして、アルミ箔、ステンレス箔、銅箔、雲母薄板、グラファイト薄板、グラフェン薄板、ガラス薄板、セラミック薄板、金属、及び金属酸化物微粒子とゲルとを複合して製造した耐熱フィルム及び薄板の1つまたはそれらの組み合わせを含み、前記300℃以上の高温に耐える繊維として、石英繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、炭素繊維を含み、前記有機繊維として、ナイロン繊維、ポリエステル繊維、ポリフッ化繊維、Kevlarポリアミド繊維、Nomexポリアミド繊維、または生分解性無機、有機繊維を複合して調製した各種多孔質ばら繊維、蓆、紙、毛布、縄、厚板の1つまたはそれらの組み合わせを含むことを特徴とする請求項1乃至5の何れか1項に記載の耐熱材料でエアロゲルを被覆する断熱複合材の調製方法。 The non-organic film and the non-organic thin plate include a metal film plate, an inorganic film plate, and an organic-inorganic composite heat-resistant film, thin plate, or a combination thereof, the metal film plate includes one of aluminum, stainless steel, and copper foil films, or a combination thereof, the inorganic film plate includes one of films or thin plates prepared from mica sheets, graphite, graphene, glass ceramics, metal oxides, metal silicon nitride compounds, and metal silicon carbide compounds, or a combination thereof, and the organic-inorganic composite heat-resistant film includes aluminum foil, stainless steel foil, copper foil, mica thin plate, graphite thin plate, graphene thin plate, and glass thin plate. , ceramic thin plate, metal, and metal oxide fine particles and a heat-resistant film and thin plate manufactured by compounding with gel, or a combination thereof, the fiber that can withstand high temperatures of 300°C or more includes quartz fiber, glass fiber, ceramic fiber, and carbon fiber, and the organic fiber includes nylon fiber, polyester fiber, polyfluoride fiber, Kevlar polyamide fiber, Nomex polyamide fiber, or various porous loose fibers, mats, paper, blankets, ropes, and thick boards prepared by compounding biodegradable inorganic and organic fibers, or a combination thereof. A method for preparing a heat-insulating composite material in which an aerogel is coated with the heat-resistant material according to any one of claims 1 to 5. 前記耐熱フィルムでエアロゲルを被覆する複合材料において、前記耐熱フィルムの被覆として、単層で被覆、多層で被覆、または多種類の耐熱フィルムを多層に積層させて被覆することを含み、前記耐熱フィルムでエアロゲルを被覆する複合材料は繊維強化プラスチック(like-fiber reinforced plastic, LFRP)無機材料でシリカエアロゲルを被覆する複合材料であり、関連製品は高強度、高い防火性能、及び高い熱伝導率性質を有し、クリーンルームでの高温プロセス及び電気自動車のリチウムバッテリーモジュールの放熱の安全保護に応用可能であることを特徴とする請求項1乃至5の何れか1項に記載の耐熱材料でエアロゲルを被覆する断熱複合材の調製方法。
6. The method for preparing a heat insulating composite material comprising aerogel coated with a heat resistant film according to claim 1, wherein the heat resistant film is a single layer, a multi-layer, or a multi-layer laminate of a variety of heat resistant films. The heat resistant film is a composite material comprising silica aerogel coated with like-fiber reinforced plastic (LFRP) inorganic material, and the related products have the properties of high strength, high fire resistance, and high thermal conductivity, and can be used in high temperature processes in clean rooms and the safety protection of heat dissipation of lithium battery modules in electric vehicles.
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