JP7098010B2

JP7098010B2 - シリカエアロゲルの調製方法

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Publication number: JP7098010B2
Application number: JP2021032596A
Authority: JP
Inventors: 達華謝; 怡▲ウン▼ 陳
Original assignee: 趙國昇
Priority date: 2020-03-02
Filing date: 2021-03-02
Publication date: 2022-07-08
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Description

本発明は、シリカエアロゲルを調製する方法であり、特に溶媒置換プロセスにおいてシリカエアロゲルを調製する方法に関する。溶媒を添加する操作は、「連続的循環濾過モード」で実施されるエアロゲルの調製方法である

エアロゲル（ａｅｒｏｇｅｌｓ）は一般に、ナノスケールの超微粒子が互いに凝集してナノポーラスネットワーク構造を形成し、ネットワークの細孔がガス状分散媒体で満たされている軽量のナノ固体材料を指す。エアロゲルが異なれば調製方法も異なるが、調製プロセスは似ている。一般に、ゾルゲル法を使用してウェットゲル（ｗｅｔｇｅｌ）を調製し、次にウェットゲルを溶媒置換および超臨界乾燥を経て、対応するエアロゲルを得る。エアロゲルの特徴は次のとおりである。（ａ）高い多孔性、最大９９.８％（ｂ）ナノレベルの細孔（２～５０ｎｍ）および３次元ナノフレーム粒子（２～５ｎｍ）（ｃ）高い比率表面積は１０００ｍ²/ｇまで高く、（ｄ）低密度は０.００３ｇ/ｃｍ³まで低く、（ｅ）熱伝導率は非常に低く、室温で０.０１３ｗ/（ｍｋ）と低くなり、空気の熱伝導率よりも低い（ｆ）低強度と高脆性、比表面積と多孔性が高く、密度が低いため、強度は非常に低くなる。エアロゲルは、現代のハイテク産業における一種の超断熱材であり、多くの産業で使用されている。米国のスタンフォード大学のＳ.Ｓ.Ｋｉｓｔｌｅｒは、最初に水ガ
ラスを使用して、ゾルゲル法と超臨界乾燥技術によって「シリコンエアロゲル」とも呼ばれるシリカエアロゲル（ＳｉＯ₂ａｅｒｏｇｅｌｓ）を調製した。

シリカエアロゲルの従来の調製方法は、ＵＳ１０３７７６３７Ｂ２「エアロゲルとその製造方法」、ＣＮ１０３８１８９１２Ｂ「常圧下で比表面積の大きい低密度シリカエアロゲルを調製する方法」、ＣＮ１０４０３０３０１Ｂ「シリカエアロゲル材料とその調製方法」、ＣＮ１０５７７６２３４Ａ「メタアルミン酸ナトリウム改質樹脂精製水ガラスエアロゲルの超臨界乾燥法」、ＣＮ１０６７４５０００Ａ「水ガラスベースのシリカエアロゲルの調製方法。」、ＣＮ１０６８６５５５８Ａ「常圧下でのシリカエアロゲル調製方法および調製されたシリカエアロゲル」、ＣＮ１０９１３３０７０Ａ「水ガラスを原料として超高速常圧で疎水性シリカエアロゲルを調製する方法」、ＣＮ１０４０７１７９７Ｂ「常圧および室温で水ガラスを用いた低密度で比表面積の大きいシリカエアロゲルコーティングを調製する方法」、ＣＮＩ５６１５６１「エアロゲル粒子とその調製方法」、ＣＮＩ５１６４４７「エアロゲルとその調製方法」、ＣＮＩ５８８２０９「改良された疎水性エアロゲル材料」など、さまざまな国で多くの特許が取得されている。

前述の場合、エアロゲルの調製方法はそれぞれ異なるが、すべて「置換」と「改質」の２つのステップを経る必要がある。最初に「置換」ステップで実行されるか、「改質」ステップで実行されるか、または「置換」ステップと「改質」ステップが組み合わされて実行されることも可能である。
上記従来の調製方法の中で、ＵＳ１０３７７６３７Ｂ２はゲルを「n-ヘキサン+イソプロパノール+ヘキサメチルジシロキサン」を使用し、５５℃で１～１２時間「溶媒置換+改質」操作を行う。ＣＮ１０３８１８９１２Ｂはゲルを「エタノール（またはイソプロパノール、アセトン）」の５０℃で８時間の水浴置換操作３回を行い、次に「n-ヘキサン」を５０℃で８時間の水浴改質操作２回を行う。ＣＮ１０４０３０３０１Ｂはゲルを「エタノール（またはプロパノール）+硫酸」を使用して、４０℃で３時間の溶媒置換操作を行い、次に「n-ヘキサン+ヘキサメチルジシラザン」の溶媒改質操作を６時間行う。ＣＮ１０５７７６２３４Ａは、ゲルを５０～７０℃で８～２４時間の溶媒置換操作に「エタノール」を使用し、その後４５℃で７～９時間の改質操作を行う。ＣＮ１０６７４５０００Ａは、ゲルを「ｐＨ６.５エタノール（またはプロパノール）」を使用して４５℃、２～４時間の水浴加熱の溶媒置換操作を行い、、次に「n-ヘキサン+トリメチルクロロシラン（１０～６０ｍｌ）」５０～７０℃１２時間の改質操作を行う。ＣＮ１０６８６５５５８Ａはゲルを「n-ヘキサン+シラザン」で１～６時間改質した後、「硫酸または塩酸」で６０℃、６時間攪拌する、水浴置換操作を行う。ＣＮ１０９１３３０７０Ａはゲルを粉砕し、「脱イオン水（１～２時間）、エタノール（０.５～１時間）、改質剤（０.５～１時間放置した後、上層を取り）、およびn-ヘキサン（２０～４０ｍin）」４０℃で順次「溶媒置換＋改質」操作を行う。ＣＮ１０４０７１７９７Ｂは、ゲルを密閉容器内で、「エタノール」を使用して、４５℃、８時間の水浴溶媒置換操作を行い、次に、「n-ヘキサン+トリメチルクロロシラン２０ｍｌ／回」を使用して、４５℃の水浴の条件下で改質操作を行い、各反応は２時間で、３～４回かかる。ＣＮＩ５６１５６１エタノールと水の混合物でエアロゲル粒子を洗浄し、次にエアロゲル粒子を高温真空で乾燥させてから、疎水性改質操作を行い、混合液を加熱しても、前述の有機溶媒を気化させ、塩素化有機分子を添加することにより、塩素化有機分子と前述のエアロゲル粒子のヒドロキシル基が反応してエアロゲル粒子を疎水性にする。そして、疎水性分散溶媒によって、前述のエアロゲル粒子が壊れるのを防ぐ。ＣＮＩ５１６４４７は、「エタノール+n-ヘキサン」を使用して、ゲルを５０℃で２４時間の溶媒置換操作を行い、その後、５０℃で２４時間の操作でゲルを「n-ヘキサン+トリメチルクロロシラン」で改質操作を行う。

米国特許第１０３７７６３７Ｂ２号明細書中国特許第１０３８１８９１２Ｂ号明細書中国特許第１０４０３０３０１Ｂ号明細書中国特許第１０５７７６２３４Ａ号明細書中国特許第１０６７４５０００Ａ号明細書中国特許第１０６８６５５５８Ａ号明細書中国特許第１０９１３３０７０Ａ号明細書中国特許第１０４０７１７９７Ｂ号明細書中国特許第Ｉ５６１５６１号明細書中国特許第Ｉ５１６４４７号明細書中国特許第Ｉ５８８２０９号明細書

従来のシリカエアロゲルの調製方法では、皆、「置換」と「改質」の２つの操作を行うことができる。最初に「置換」ステップを実行し、「改質」ステップを後で実行するか、その逆操作であるか。または、「置換」と「改質」の２つの操作を組み合わせることも可能である。よく理解した結果、従来のシリカエアロゲルの製造方法では、「置換」、「改質」、あるいは「置換＋改質」に関係なく、いずれも「容器浸漬」方式を採用していることがわかった。つまり、適切な容量の反応容器（効果容器とも呼ばれる）を用意し、反応容器は、有機溶媒の性質に応じて、閉じることと不完全に閉じることもできる。次に、ウェットゲルを反応容器に入れ、選択した適切な溶媒を注入して、予想される「置換」および「改質」操作を行う。なかでも、「置換」は時間がかかり、溶媒を多く使用するため、「置換」操作が特に重要である（「溶媒置換」操作とも呼ばれる）。したがって、「置換」操作において、操作時間を短縮し、置換効果を向上させることができれば、シリカエア
ロゲルの調製に役立つであろう。

上記の欠陥を考慮して、本発明者らは、「置換」操作を改善するというアイデアを生み出し、その後、綿密な構想、研究、開発、および試験を経て、最後に何らかの努力をして本発明を完成させた。

本発明の主な目的が、ウェットゲル溶媒置換操作時間を大幅に加速（短縮）することができるシリカエアロゲルを調製するための方法を提供することである。
本発明の別の主な目的は、置換効果を大幅に改善することができるシリカエアロゲルを調製するための方法を提供することである。
本発明の別の主な目的は、コスト節約、環境保護、およびエネルギー節約効果を達成するためにリサイクルおよび再利用するのに便利なシリカエアロゲルを調製するための方法を提供することである。
上記の目的を達成するために、本発明は、以下のステップを含む、シリカエアロゲルを調製するための方法を具体的に設計する。
（１）無機ケイ素源と純水を反応容器内で混合して溶液を形成する。
（２）上記の溶液を陽イオン置換樹脂で加水分解してケイ酸溶液を得る。
（３）上記のケイ酸溶液にアルカリ性触媒を加えてウェットゲルを得る。
（４）上記のウェットゲルを撹拌して粉砕する。
（５）粉砕したウェットゲルにアルコール溶媒を加え、１～１２時間老化させる。
（６）老化後、ウェットゲルの溶媒置換２段階に分けて行い、第１段階は、老化したウェットゲルを反応容器に入れ、アルコール溶媒を加え、アルコール溶媒により、ウェットゲルの細孔内の水分を置換する。第２段階では、アルコール溶媒を置換した後、有機溶媒をウェットゲルの反応容器に追加して、ウェットゲルの細孔内のアルコール溶媒を置換する。
（７）溶媒置換後のウェットゲルの表面改質を行い、それは溶媒の置換が完了した後、シリコーン改質剤と有機溶媒の混合溶液をウェットゲルと有機溶媒の反応容器に加えて、ウェットゲルを元の親水性から疎水性に変更する。
（８）改質後に得られた疎水性ウェットゲルをシリカエアロゲルを調製するための段階的加熱法である大気乾燥法により乾燥させる。
ステップ６の溶媒置換プロセスにおいて、アルコール溶媒及び有機溶媒を添加する操作が「連続的循環濾過方式」で実行されることを特徴とする。これは、ウェットゲルが入れられた反応容器の上にある、液体入口パイプの液体入口が反応容器に連通され、液体出口パイプは、液体出口を介して反応容器の底部に接続され、濾過装置が液体出口に配置されている。液体出口パイプは溶液貯蔵タンクにつながり、動力源は溶液貯蔵タンクと液体入口パイプの間に配置され、動力源は液体出口パイプを吸引し、液体入口パイプを押す機能を有する。第１段階において、溶液貯蔵タンクには、適切な量のアルコール溶媒が含まれ、第２段階において、溶液貯蔵タンクには適切な量の有機溶媒が含まれ、動力源の作用により、アルコール溶媒及び有機溶媒は反応容器、液体出口パイプライン、溶液貯蔵タンク、動力源、および液体入口パイプライン内で循環を形成できる。第１段階において、アルコール溶媒により、ウェットゲル細孔に含まれる水分を置換して除去し、及び第２段階において、有機溶媒により、ウェットゲル細孔のアルコール溶媒を置換して除去する。
上記のシリカエアロゲルの調製方法では、ステップ（１）において、固形分が４０～５０質量％のケイ酸ナトリウム（一般に水ガラスとして知られている）が無機ケイ素源として使用され、純水で希釈されたケイ酸ナトリウムのモジュラスは２．５３～３．３３であり、固形分は８～２０ｗｔ％である。
上記のシリカエアロゲルの調製方法では、ステップ（２）において、酸および塩基価ｐＨ２～３のケイ酸溶液が得られる。
上記のシリカエアロゲルの調製方法において、ステップ（３）のアルカリ性触媒は、水酸化アンモニウム（ＮＨ４ＯＨ）または水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）であり、しかも、１Ｍアルカリ触媒を、ケイ酸の酸および塩基価ｐＨが４～８になるまでケイ酸溶液に添加して、ウェットゲルを得る。
上記のシリカエアロゲルの調製方法において、ステップ（４）におけるウェットゲルでは、粉砕機を用いて３００～１０００ｒｐｍの速度で粉砕される。
上記のシリカエアロゲルの調製方法において、ステップ（５）のアルコール溶媒はエタノール、イソプロパノール、またはメタノールであり、添加するアルコール溶媒とケイ酸溶液との体積比は１：１であり、攪拌して粉砕するウェットゲルは２５～８０℃の温度で１～１２時間老化される。
上記のシリカエアロゲルの調製方法において、ステップ（６）のアルコール溶媒はエタノール、イソプロパノールまたはメタノールであり、アルコール溶媒をウェットゲルの反応容器に加えた後、２５～８０℃の温度、３００～１０００ｒｐｍの速度で、１～１２時間撹拌する。水をアルコール溶媒に置換する操作は、溶液貯蔵タンク内のアルコール溶媒の濃度が設定値に下がるまで何度も繰り返す（例えば、設定値は５％であるが、設定値は調整可能であり、限定されない）。有機溶媒はn-ヘキサン、アセトンまたはシクロヘキサンであり、有機溶媒とケイ酸溶液の体積比は１：１である。有機溶媒をウェットゲルの反応容器に加えた後、２５～８０℃の温度、３００～１０００ｒｐｍの速度で、１～１２時間撹拌する。溶液貯蔵タンク内の有機溶媒の濃度が設定値（例えば、設定値は５％であるが、設定値は調整可能であり、限定されない）に低下するまで、有機溶媒をアルコール溶媒に置換する操作を何度も繰り返す。
上記のシリカエアロゲルの調製方法におけるステップ（７）において、シリコーン改質剤と有機溶媒との混合溶液が添加され、混合物は、２５～８０℃で３００～１０００ｒｐｍの速度で１～１６時間撹拌する。シリコーン改質剤は、ヘキサメチルジシラザン、メチルトリメトキシシランまたはテトラエトキシシランであり、シリコーン改質剤対ケイ酸塩のモル比は、１：０．３５～１．６７である。
上記のシリカエアロゲルの調製方法におけるステップ（８）において、段階的加熱法は、６０℃、１５０℃、および２３０℃でそれぞれ１時間行われる。
上記のシリカエアロゲルの調製方法において、溶液貯蔵タンクは、外部検出装置によって溶液貯蔵タンク内のアルコール溶媒及び有機溶媒に通され、濃度を検出する。
上記のシリカエアロゲルの調製方法におけるステップ（２）において、酸および塩基価ｐＨ２.４～２．６のケイ酸溶液が得られる。

本発明は、反応容器に迅速に出入りする溶媒を採用し、溶媒が排出されるときに濾過手順によって形成される「連続的循環濾過モード」には、以下の利点がある。
（１）ウェットゲルが比較的短時間で大量のアルコール溶媒と有機溶媒を通過することにより、それそれ、連続的循環置換（水浴置換）される、したがって、ウェットゲルの溶媒置換操作の時間を大幅に加速（短縮）することができる。
（２）ウェットゲル反応容器から出たアルコール溶媒とアルコール溶媒を濾過してウェットゲルと溶液を分離し、ウェットゲルが液体出口パイプラインに入るのを防ぐ。その後、溶液は反応容器に押し込まれ、ウェットゲルの溶媒置換を行い、連続的循環濾過を行うことで、置換効果を大幅に向上させることができる。

本発明の上記およびその他の目的、利点および特徴は、添付の図面を参照した以下の好ましい実施形態の詳細な説明からより明らかになるであろう。

本発明におけるシリカエアロゲルを調製するためのステップのフローチャートである。本発明の調製方法における溶媒置換操作ステップのフローチャートである。本発明の調製方法における溶媒置換操作の構造の概略図である。

上記の目的を達成するために本発明によって採用される技術的手段および達成可能な効果に関して、以下の好ましい実行可能な実施形態が、利点を完全に理解するために添付の図面と併せて詳細に説明される。

本発明は、シリカエアロゲルの調製方法に関し、図１を参照されたい。本発明の調製方法は、主に以下のステップを経る。

（１）無機ケイ素源と純水を容器内で混合して溶液を形成し、無機ケイ素源として固形分４０～５０質量％のケイ酸ナトリウム（一般に水ガラスとして知られている）を使用している。純水で希釈されたケイ酸ナトリウム（水ガラス）のモジュラスは２．５３～３．３３で測定され、固形分は８～２０重量％（８～２０ｗｔ％）である。

（２）上記溶液を陽イオン置換樹脂で加水分解すると、酸および塩基価ｐＨが２～３、特に酸および塩基価ｐＨが２.４～２.６のケイ酸溶液が得られる。

（３）上記のケイ酸溶液にアルカリ性触媒を加えてウェットゲルを得る。アルカリ性触媒は水酸化アンモニウム（ＮＨ４ＯＨ）または水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）であり、しかも、１Ｍアルカリ触媒を、ケイ酸のｐＨが４～８になるまでケイ酸溶液に添加して、ウェットゲルを得る。

（４）上記のウェットゲルを、できれば粉砕機で３００～１０００ｒｐｍの速度で粉砕する。

（５）粉砕したウェットゲルにアルコール溶媒を加え、アルコール溶媒はエタノール、イソプロパノール、またはメタノールである。アルコール溶媒とケイ酸溶液の体積比は１：１で、粉砕後のウェットゲルを２５～８０℃の温度で１～１２時間老化させる。

（６）老化後、２段階に分けてウェットゲルの溶媒置換を行う。図２参照されたい。第１段階は、老化したウェットゲルを反応容器に入れ、アルコール溶媒を加え、アルコール溶媒により、ウェットゲルの細孔内の水分を置換する。アルコール溶媒はエタノール、イソプロパノール、メタノールであり、ウェットゲルの反応容器にアルコール溶媒を加えた後、２５～８０℃、３００～１０００ｒｐｍで１～１２時間攪拌し、置換効果を高める。アルコール溶媒を水に置換する操作は、アルコール溶媒の濃度が設定値に下がるまで何度も繰り返すことができる（たとえば、設定値は５％であるが、設定値は調整可能であり、制限されない）。第二段階では、アルコール溶媒の置換後、有機溶媒をウェットゲルの反応容器に加えて、ウェットゲルの細孔内のアルコール溶媒を置換することができ、有機溶媒は、n-ヘキサン、アセトン、またはシクロヘキサンにすることができる。有機溶媒とケイ酸溶液の体積比比率は１：１であり、ウェットゲルの反応容器に有機溶媒を加えた後、３００～１０００ｒｐｍ、２５～８０℃で１～１２時間攪拌すると、置換効果が向上する。有機溶媒をアルコール溶媒に置き換える操作は、有機溶媒の濃度が設定値に低下するまで何度も繰り返すことができる（例えば、設定値は５％であるが、設定値は調整可能であり、限定されない）。

（７）溶媒置換後のウェットゲルの表面改質を行う。これは、溶媒置換後のウェットゲルと有機溶媒の反応容器にシリコーン改質剤と有機溶媒の混合溶液を加えることである。２５～８０℃で、３００～１０００ｒｐｍ、１～１６時間撹拌して、ウェットゲルを親水性から疎水性に改質し、シリコーン改質剤は、ヘキサメチルジシロキサンニトラン、メチルトリメトキシシラン、またはテトラエトキシシランである。シリコーン改質剤とケイ酸塩のモル比は１：０.３５～１.６７であり、改質が完了した後、ウェットゲルを溶液から分離し、溶液をリサイクルして別処理することができる。

（８）改質後に得られた疎水性ウェットゲルを、段階加熱法である大気圧乾燥法により乾燥し、６０℃、１５０℃、２３０℃で１時間乾燥し、低熱伝導率と高疎水性を備える、シリカエアロゲルを得る。

上記は、本発明におけるシリカエアロゲルの調製方法の簡単な説明であり、その中で、ステップ６（溶媒置換）のプロセスは、シリカエアロゲルを調製するための最も重要なステップである。したがって、本発明は、ステップ６に向けられる溶媒置換を改良し、溶媒置換の運転時間を加速（短縮）し、溶媒置換の効果を向上させた。

図３を参照されたい。本発明のステップ６（溶媒置換）のプロセスにおいて、従来の溶媒浸漬操作（第１段階のアルコール溶媒または第２段階の有機溶媒に関係なく）は、「連続的循環濾過法」に変更されて実施される。例えば、ウェットゲルが入れられた反応容器１０上の液体入口パイプ２０の液体入口２１は、反応容器１０に入ることができる。液体出口パイプ３０は、液体出口３１を介して反応容器１０の底部に接続されている。液体出口３１は、濾過装置を備え、主にウェットゲルと溶媒を分離し、ウェットゲルが液体出口３１を通って液体出口パイプ３０に入るのを防ぐためである。したがって、最も簡単な方法は、フィルター３２を取り付けることである。液体出口パイプ３０は、溶液貯蔵タンク４０に通じており、次に、動力源５０（例えば、モーターによって作動される加圧器）が、溶液貯蔵タンク４０と液体入口パイプ２０との間に設けられる。したがって、ウェットゲル(ＷｅｔＧｅｌ)を反応容器１０に入れ、溶媒（第１段階のアルコール溶媒または第２段階の有機溶媒に関係なく）を加えると、動力源５０が発生する。液体出口パイプ３０、溶液貯蔵タンク４０の吸引および液体入口管２０の押し効果を介して、溶媒は、反応容器１０、液体出口パイプ３０、溶液貯蔵タンク４０、動力源５０、および液体入口パイプ２０内で循環を形成することができる。溶液（第１段階のアルコール溶媒または第２段階のアルコール溶媒に関係なく）は、出口パイプ３０を通過する前にフィルター３２を通して濾過され、ウェットゲルを水またはアルコール溶媒から分離するために、ウェットゲルが反応容器１０内に留まっていることを確保する。次に、溶液は溶液貯蔵タンク４０に入り、動力源５０および液体入口パイプ２０を通って吸引された後、反応容器１０に入り、急速な循環を繰り返して、ウェットゲルが短時間で、大量の溶媒に置き換えられ、水の分離と除去を加速する（第１段階の場合）か、アルコール溶媒を分離して除去する（第２段階の場合）。このように、反応容器１０の内外に溶液を迅速に循環させて濾過する方法が「連続的循環濾過モード」である。

上記のように、「---ウェットゲル(wet gel)を反応容器１０に入れ、溶媒を加える---」という操作は、「溶媒を反応容器１０に注入する」ことを意味する。その操作には多くの可能性があり、最も簡単なのは図３のとおりである。高所にはアルコール溶媒や有機溶媒など必要な溶媒を貯蔵する溶液タンクが多く、異なる溶媒は異なる溶液タンクに保管されている。したがって、溶媒が必要な場合は、必要な溶媒を貯蔵している溶液タンクから液体供給管を引き出して反応容器１０と位置合わせし、次に液体供給スイッチをオンにして、必要な溶媒が反応容器１０に注入されるようにして、「反応容器１０への溶媒注入」の操作を達成する。しかしながら、「反応容器１０に溶媒を注入する」という操作は、本発明の前期操作であり、本発明の範囲外であるため、繰り返さない。

溶液貯蔵タンク４０は、濃度検出のための外部検出装置６０によって溶液貯蔵タンク４０に通すことができる。主にアルコール溶媒置換操作の第１段階において、検出装置６０は、溶液貯蔵タンク４０内のアルコール溶媒の濃度を検出する。アルコール溶媒の濃度が設定値まで低下したことが検出された場合（例えば、設定値は５％であるが、設定値は調整可能であり、限定されない）、運転を停止し、アルコール溶媒を除去し、アルコール溶媒は後処理（水とアルコール溶媒の分離）してリサイクルして再利用できる。有機溶媒を反応容器１０に注入し、その後、連続的循環濾過操作を再開し、有機溶媒置換操作の第２段階が行われると、検出装置６０は、溶液貯蔵タンク４０内のアルコール溶媒の濃度を検出する。アルコール溶媒の濃度が設定値まで低下したことが検出されると（例えば、設定値は５％であるが、設定値は調整可能であり、限定されない）、操作を停止し、アルコール溶媒を除去する。除去されたアルコール溶媒は後処理（アルコール溶媒とアルコール溶媒の分離）してリサイクルして再利用することができる。

溶液を排出する操作（リサイクルおよび後処理）についても、多くの可能性があるが、最も簡単なのは図３に示すとおりである。溶液貯蔵タンク４０の底部に排液管を設けるか、排液管開口部の下にリサイクル容器を設置するか、排液管をリサイクルバレルに直結した後、排液スイッチをＯＮにして、反応容器１０内の溶液をリサイクル容器またはリサイクルバレルに排出するだけで十分である。しかしながら、溶液の後処理およびリサイクル操作は本発明の範囲外であるため、ここでは繰り返さない。

本発明は、シリカエアロゲルの調製工程において、ステップ６（溶媒置換）に「連続的循環濾過モード」を採用しており、様々な実験により試験され、効果が非常に良好であることが証明された。本発明のシリカエアロゲルの調製中にステップ６に「連続的循環濾過モード」を採用し、異なる操作条件を変更することによって得られた、最終的なシリカエアロゲルの特性は、（ａ）比表面積：最大６４９.２９～７２７.７９ｍ２／ｇ（ｂ）細孔容積：０.９７～２.６３ｃｍ３／ｇ（ｃ）細孔径：５.８０～１４.８０ｎｍ（ｄ）疎水性角度：１３８～１４０℃（ｅ）密度：０.１１５０～０.１７４９ｇ／ｃｍ３（ｆ）多孔度：９２.１～９４.８％（ｇ）熱伝達係数：０.０２９９～０.０４３２W／ｍK（ｈ）処理時間は１７～２３時間であり、最終的なシリカエアロゲルが良好な特性を持っていることが証明された。

要約すると、本発明は、期待される機能および目的を明確に達成し、詳細な説明は、当技術分野に精通している人々がそれに応じてそれを実施することを可能にすることができる。しかし、上記の実施形態は、本発明を説明するためにのみ使用され、同等の構造のすべての変更は、依然として本発明の特許範囲から逸脱しているわけではない。

１０反応容器
２０液体入口パイプ
２１液体入口
３０液体出口パイプ
３１液体出口
３２フィルター
４０溶液貯蔵タンク
５０動力源
６０検出装置

Claims

シリカエアロゲルの調製方法であって、以下のステップを含み、
（１）無機ケイ素源と純水を容器内で混合して溶液を形成し、
（２）上記の溶液を陽イオン置換樹脂で加水分解してケイ酸溶液を得て、
（３）上記のケイ酸溶液にアルカリ性触媒を加えてウェットゲルを得て、
（４）上記のウェットゲルを撹拌して粉砕し、
（５）粉砕したウェットゲルにアルコール溶媒を加え、１～１２時間老化させ、
（６）老化後、ウェットゲルの溶媒置換２段階に分けて行い、第１段階は、老化したウェットゲルを容器に入れ、アルコール溶媒を加え、アルコール溶媒により、ウェットゲルの細孔内の水分を置換し、第２段階では、アルコール溶媒を置換した後、有機溶媒をウェットゲルの反応容器に追加して、ウェットゲルの細孔内のアルコール溶媒を置換し、
（７）溶媒置換後のウェットゲルの表面改質を行い、それは溶媒の置換が完了した後、シリコーン改質剤と有機溶媒の混合溶液をウェットゲルと有機溶媒の反応容器に加えて、ウェットゲルを元の親水性から疎水性に変更し、
（８）改質後に得られた疎水性ウェットゲルは、シリカエアロゲルを調製するための段階的加熱法である大気乾燥法により乾燥させ、
ステップ６の溶媒置換プロセスにおいて、アルコール溶媒及び有機溶媒を添加する操作が「連続的循環濾過方式」で実行されることを特徴とし、これは、老化後のウェットゲルが入れられた反応容器の上にある、液体入口パイプの液体入口が前記反応容器に連通され、液体出口パイプは、液体出口を介して前記反応容器の底部に接続され、濾過装置が前記液体出口に配置されて、前記液体出口パイプは溶液貯蔵タンクにつながり、動力源は溶液貯蔵タンクと液体入口パイプの間に配置され、前記動力源は前記液体出口パイプを吸引し、前記液体入口パイプを押す機能を有し、第１段階において、前記溶液貯蔵タンクには、適切な量のアルコール溶媒が含まれ、しかも第２段階において、前記溶液貯蔵タンク内には、適切な量の有機溶媒が含まれ、前記動力源の作用により、前記アルコール溶媒及び前記有機溶媒は前記反応容器、前記液体出口パイプライン、溶液貯蔵タンク、動力源、および液体入口パイプライン内で循環を形成し、第１段階において、アルコール溶媒を介して、ウェットゲル細孔に含まれる水分を置換し、及び第２段階において、有機溶媒を介して、ウェットゲル細孔のアルコール溶媒を置換することを特徴とする、シリカエアロゲルの調製方法。
前記ステップ（１）において、固形分が４０～５０質量％のケイ酸ナトリウム（一般に水ガラスとして知られている）が無機ケイ素源として使用され、純水で希釈されたケイ酸ナトリウムのモジュラスは２．５３～３．３３であり、固形分は８～２０重量％（８～２０ｗｔ％）であることを特徴とする、請求項１に記載のシリカエアロゲルの調製方法。
前記ステップ（２）において、ｐＨ２～３のケイ酸溶液が得られることを特徴とする、請求項１に記載のシリカエアロゲルの調製方法。
前記ステップ（３）のアルカリ性触媒は、水酸化アンモニウム（ＮＨ４ＯＨ）または水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）であり、しかも、１Ｍアルカリ触媒を、ケイ酸のｐＨが４～８になるまでケイ酸溶液に添加して、ウェットゲルを得ることを特徴とする、請求項１に記載のシリカエアロゲルの調製方法。
前記ステップ（４）におけるウェットゲルでは、粉砕機を用いて３００～１０００ｒｐｍの速度で粉砕されることを特徴とする、請求項１に記載のシリカエアロゲルの調製方法。
前記ステップ（５）のアルコール溶媒はエタノール、イソプロパノールまたはメタノールであり、しかも添加するアルコール溶媒とケイ酸溶液との体積比は１：１であり、攪拌して粉砕するウェットゲルは２５～８０℃の温度で１～１２時間老化されることを特徴とする、請求項１に記載のシリカエアロゲルの調製方法。
前記ステップ（６）のアルコール溶媒はエタノール、イソプロパノールまたはメタノールであり、アルコール溶媒を前記ウェットゲルの反応容器に加えた後、２５～８０℃の温度、３００～１０００ｒｐｍの速度で、１～１２時間撹拌し、水をアルコール溶媒に置換する操作は、アルコール溶媒の濃度が設定値に下がるまで何度も繰り返し、前記有機溶媒はｎ－ヘキサン、アセトンまたはシクロヘキサンであり、有機溶媒とケイ酸溶液の体積比は１：１であり、有機溶媒を前記ウェットゲルの反応容器に加えた後、２５～８０℃の温度、３００～１０００ｒｐｍの速度で、１～１２時間撹拌することを特徴とする、請求項１に記載のシリカエアロゲルの調製方法。
前記ステップ（７）において、シリコーン改質剤と有機溶媒との混合溶液が添加され、混合物は、２５～８０℃で３００～１０００ｒｐｍの速度で１～１６時間撹拌し、前記シリコーン改質剤は、ヘキサメチルジシラザン、メチルトリメトキシシランまたはテトラエトキシシランであり、シリコーン改質剤対ケイ酸塩のモル比は、１：０．３５～１．６７であることを特徴とする、請求項１に記載のシリカエアロゲルの調製方法。
前記ステップ（８）において、段階的加熱法は、６０℃、１５０℃、および２３０℃でそれぞれ１時間行われることを特徴とする、請求項１に記載のシリカエアロゲルの調製方法。
前記溶液貯蔵タンクは、外部検出装置によって溶液貯蔵タンクのアルコール溶媒及び有機溶媒に通され、濃度を検出することを特徴とする、請求項１または請求項７に記載のシリカエアロゲルの調製方法。
前記ステップ（２）において、酸および塩基価ｐＨ２.４～２．６のケイ酸溶液が得られることを特徴とする、請求項３に記載のシリカエアロゲルの調製方法。