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背景

在工業(yè)化社會(huì)中，大量能量被消耗以彌補(bǔ)各種應(yīng)用中由于絕熱差而產(chǎn)生的熱損失。例如，在涉及熱循環(huán)的應(yīng)用中，熱絕緣對(duì)于提高系統(tǒng)效率是至關(guān)重要的。在各種其它應(yīng)用中，熱絕緣對(duì)于維持微小環(huán)境溫度是十分重要的。因此，舉例來說，有效的熱絕緣降低了給建筑物或電器(例如烤箱和冰箱)升溫或降溫所需的能量消耗。

已經(jīng)證明氧化硅(siliconoxide)(二氧化硅(silica)氣凝膠是良好的熱絕緣材料，特別是在高溫下的應(yīng)用，以及用于不可燃的絕緣體是重要的情況下，所述氧化硅氣凝膠基本上是包括納米孔隙(nanovoids)到微孔隙(microvoids)的玻璃基質(zhì)。然而，由于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中的高成本和有限的絕緣性能，氣凝膠尚未被廣泛用作熱絕緣材料。

限制氣凝膠作為熱絕緣材料的性能的問題之一源于需要保持黑體輻射和固體熱導(dǎo)率都是低值的沖突要求。例如，對(duì)于均勻的二氧化硅氣凝膠絕緣層，通過絕緣層的總熱能損失(qeff)由三個(gè)部分組成：1)通過氣體熱傳導(dǎo)的熱損失(qg)；2)輻射熱損失(qr)；和3)通過固體熱傳導(dǎo)的熱損失(qs)，如下公式1所示：

qeff＝qg+qr+qs(公式1)

其中，對(duì)于板狀結(jié)構(gòu)的絕緣層，

和，用于圓柱結(jié)構(gòu)的絕緣層：

其中，a是熱流通過的面積，t1和t2是絕緣體表面兩側(cè)的溫度，δ是絕緣材料的厚度，d1和d2是均勻的二氧化硅氣凝膠絕緣層構(gòu)成的圓柱體的直徑，以及，λ是由下式計(jì)算出的總熱導(dǎo)率，

λeff＝λg+λr+λs(公式4)

其中λeff是所述氣凝膠的總有效熱導(dǎo)率，單位為w/(m·k)，包括三項(xiàng)。第一項(xiàng)λg是氣體對(duì)熱導(dǎo)率的影響，由下式計(jì)算出：

其中，λg0是靜態(tài)氣體(空氣)的熱導(dǎo)率，單位為w/(m·k)；由于二氧化硅氣凝膠中的氣體分子的平均自由程受納米孔隙或微孔隙結(jié)構(gòu)的嚴(yán)格限制，φ是表示該限制性的參數(shù)，單位是μm；p是壓力，單位是pa(參見，例如，lee等人.(2002)j.non-結(jié)晶固體(crystallinesolids)298：287-292)。

通過輻射通量的公式

(參見，例如，howell等人，熱輻射熱傳遞(thermalradiationheattransfer)[m]，第五版，pp.591-595)，以及關(guān)系式

由輻射λr產(chǎn)生的電導(dǎo)率可以計(jì)算為

第二項(xiàng)λr描述了黑體輻射對(duì)熱損失的影響，其中σ是斯忒藩–玻耳茲曼常數(shù)(stefan-boltzmann)(σ＝5.67x10^-8w/(m²k))；δ是絕緣氣凝膠材料的厚度，t1是氣凝膠的冷側(cè)溫度，t2是氣凝膠的熱側(cè)溫度，單位為k；ε是氣凝膠的輻射系數(shù)比輻射率；β是氣凝膠的衰減系數(shù)(消光系數(shù))，單位是m^-1。

第三項(xiàng)λs是二氧化硅氣凝膠的固體熱傳導(dǎo)的影響，并且由下式計(jì)算出

λs＝cρ^b(公式7)

(參見，例如，zeng等人(1995)j.naturecrystalsolid，186：271-277)，其中c是與氣凝膠密度和標(biāo)度指數(shù)(scalingexponent)無關(guān)的常數(shù)；ρ是氣凝膠的密度，單位為kg/m³；b是標(biāo)度指數(shù)并且取決于氣凝膠結(jié)構(gòu)，但其值通常為2(參見，例如，lu等人(1992)science255：971)。

根據(jù)公式7，可以看出，二氧化硅氣凝膠在絕熱應(yīng)用中的主要優(yōu)勢(shì)是在非常低的密度下，其可以顯著顯著降低固體熱傳導(dǎo)。這就是為什么氣凝膠通常會(huì)比其他隔熱材料提供更好的隔熱性能。

然而，當(dāng)通過降低二氧化硅氣凝膠密度和絕緣層空氣壓力來減小第一項(xiàng)和第三項(xiàng)的影響時(shí)，第二項(xiàng)λr，即黑體輻射對(duì)有效熱傳導(dǎo)的影響變得重要，特別是在較高溫度t2下(例如，當(dāng)t2>>環(huán)境溫度，單位為k)。如第二項(xiàng)所示，來自黑體輻射的影響將減少，衰減系數(shù)β、氣凝膠輻射的總吸收和散射增加。然而，這與降低氣凝膠的密度以減少第三項(xiàng)的需要相矛盾，因?yàn)楦偷拿芏韧ǔ?dǎo)致更少的吸收。

因此，已經(jīng)加入其它吸收劑以保持相當(dāng)高的密度并且平衡來自黑體輻射和固體熱傳導(dǎo)的影響(參見，例如，zeng等人(1995)j.非晶固體(non-crystallinesolids)，186：271-277)。

從碳含量模型可以看出，為使二氧化硅氣凝膠(同上)中的熱傳遞降到最低，通常認(rèn)為～160kg/m³(～8％)的密度為二氧化硅氣凝膠提供了最佳的整體絕緣性能，并且這也是氣凝膠制造商通常使用的密度。正如在前的zeng等人指出的，向氣凝膠中添加碳，并且發(fā)現(xiàn)在環(huán)境溫度下，向二氧化硅氣凝膠中添加約8％的碳可以將總熱能損失降低約1/3。

在高達(dá)600k的溫度下，透明氣凝膠的總熱導(dǎo)率比使用最佳碳含量的不透明氣凝膠的總熱導(dǎo)率高10倍。此外，使總熱導(dǎo)率減至最少的最佳碳含量隨著工作溫度而增加。例如在600k，含有約16％碳的氣凝膠提供最佳的整體絕緣性能。然而，添加吸收劑實(shí)際上增加了固體熱傳導(dǎo)影響并使制造過程(同上)復(fù)雜化。

根據(jù)公式5，通過孔隙結(jié)構(gòu)可以降低氧化硅氣凝膠中氣體分子(空氣)的熱導(dǎo)率，并且所述熱導(dǎo)率由參數(shù)φ表征。如上所述，第二項(xiàng)影響在較高工作溫度下可能相對(duì)更大。因此，通過降低氣體密度(用于氣凝膠絕緣應(yīng)用的真空處理)進(jìn)一步降低第一項(xiàng)的影響沒有實(shí)際價(jià)值。因此，工業(yè)氣凝膠的熱絕緣性能僅限于比其它常規(guī)熱絕緣體超過約3倍，例如，約為0.02w/mk。

在二氧化硅氣凝膠的生產(chǎn)中，主要成本之一是需要純乙醇(例如，乙醇濃度通常高于99％)。在大多數(shù)制造二氧化硅氣凝膠的方法中，形成主要含有純乙醇和有機(jī)硅的凝膠前體。隨后通過乙醇或二氧化碳/乙醇的超臨界干燥過程從凝膠中除去乙醇。由于在干燥過程中蒸發(fā)的乙醇含有一定量的水，該乙醇通常被排出并作為廢物處理，或者在重新使用之前必須蒸餾。因此，由于乙醇和/或乙醇蒸餾的高成本，迄今為止，氣凝膠的特點(diǎn)在于高制造成本。

此外，在先前的涉及乙醇的超臨界干燥的氣凝膠制備方法中，由于在達(dá)到超臨界溫度之前乙醇體積膨脹約3倍，因?yàn)槟z必須完全浸沒于純乙醇液體中，通常超聲波干燥容器僅約1/3的體積充滿凝膠。此外，乙醇的超臨界干燥容器是非常昂貴的，因?yàn)樗鼈儽仨氈圃斐煽稍诟邷睾透邏合氯菁{高度易燃的流體。因?yàn)閮H約1/3的超臨界干燥容器是充滿的，所以該容器的利用率相當(dāng)?shù)?。因此，?duì)于傳統(tǒng)的氣凝膠制造工藝，該設(shè)備成本也相對(duì)較高。

另外，也證實(shí)sio2氣凝膠的封裝(例如，進(jìn)入絕緣結(jié)構(gòu)中)是困難的。由于純氣凝膠非常易碎，已將玻璃纖維或其他材料用作基質(zhì)材料以容納sio2氣凝膠。在安裝過程中，氣凝膠粉末經(jīng)常從基質(zhì)中脫落，再次導(dǎo)致氣凝膠利用率低下。

綜述

本文提供了新穎的設(shè)計(jì)原理、制造方法和裝置以克服上述缺點(diǎn)。特別地，本文所述的方法、裝置和組合顯著改善了氣凝膠絕緣體的隔熱性能，同時(shí)降低了氧化硅氣凝膠的制造過程成本。

在某些說明性的但非限制性的實(shí)施方案中，提供了方法和裝置以再循環(huán)使用過的乙醇，并使氣凝膠的產(chǎn)品收率最大化。還提供了在超臨界干燥過程之后排出氣凝膠的方法，例如在冷卻之前消除或減少氣凝膠中殘留的乙醇或水分子。另外，提供了改善超臨界干燥系統(tǒng)利用率的方法。

在一些實(shí)施方案中，提供非均相氣凝膠封裝方法，以分別減少氣凝膠基絕緣結(jié)構(gòu)中氣體和輻射對(duì)熱傳導(dǎo)率的影響。在某些說明性的，但非限制性的實(shí)施方案中，使用氣凝膠的低真空包裝的方法來減少或消除各種絕緣結(jié)構(gòu)中氣體對(duì)熱傳導(dǎo)率的影響。應(yīng)用于更高溫度時(shí)，可以使用石英(純sio2)和玻璃封裝材料；應(yīng)用于中溫時(shí)，可以使用聚酰亞胺(pi)材料，應(yīng)用于低溫時(shí)，使用各種聚合物或塑料。可以在凝膠形成過程之前制造封裝容器或封裝袋。在超臨界干燥之前，將氣凝膠前體裝載到封裝容器中，最后在超臨界干燥之后真空密封。金屬的高反射薄膜可任選地用于插入氣凝膠的薄層之間，以減少或消除黑體輻射對(duì)熱導(dǎo)率的影響。這些薄層可以在真空封裝的內(nèi)部或外部。

在各方面中，本文預(yù)期的發(fā)明可包括但不必限于以下實(shí)施例中的任何一個(gè)或多個(gè)：

實(shí)施例1：一種制造氣凝膠的方法，其中所述方法包括：

a)提供一容納有氣凝膠前體的超臨界干燥容器，所述氣凝膠前體包括硅醇化物(siliconalkoxide)、醇和催化劑，其中所述干燥容器包括允許流體流出所述腔室(chamber)的一個(gè)或多個(gè)排放口(vent)和/或閥門，并且其中所述容器包括與真空源相連通的端口；

b)超臨界干燥所述氣凝膠前體，其中，通過加熱所述容器，同時(shí)使得所述容器中的壓力增加，直到達(dá)到超臨界溫度和壓力，并保持所述超臨界溫度和壓力持續(xù)足夠長(zhǎng)的時(shí)間以干燥所述氣凝膠；

c)使容器恢復(fù)到環(huán)境常壓，并任選地恢復(fù)到室溫；

d)如果所述容器已經(jīng)恢復(fù)到室溫，則保持加熱容器或再加熱所述容器，并對(duì)與真空源相連通的所述端口施加真空來排除所述氣凝膠中的殘留水，并提供基本上無水的(例如，干燥的)氣凝膠；以及

e)將所述干燥的氣凝膠恢復(fù)到室溫和室壓。

實(shí)施例2：如實(shí)施例1的方法，其中，步驟(c)包括將所述容器恢復(fù)到室壓，但保持高溫。

實(shí)施例3：如實(shí)施例1的方法，其中，步驟(c)包括將所述容器恢復(fù)到室壓和環(huán)境室溫。

實(shí)施例4：根據(jù)實(shí)施例1-3中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述氣凝膠前體包括原硅酸四甲酯(tmos,si(och3)4)。

實(shí)施例5：根據(jù)實(shí)施例1-3中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述氣凝膠前體包括原硅酸四乙酯(teos,si(och2ch3)4)。

實(shí)施例6：根據(jù)實(shí)施例1-5中任一項(xiàng)所述的方法，其中，當(dāng)所述壓力和溫度升至超臨界溫度和壓力時(shí)，對(duì)所述超臨界干燥容器進(jìn)行連續(xù)排空。

實(shí)施例7：根據(jù)實(shí)施例1-6中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述腔室超過1/3充滿所述氣凝膠前體。

實(shí)施例8：根據(jù)實(shí)施例1-6中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述腔室至少50％充滿所述氣凝膠前體。

實(shí)施例9：根據(jù)實(shí)施例1-6中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述腔室至少60％，或至少70％，或至少80％，或至少85％，或至少90％，或至少950％充滿所述氣凝膠前體。

實(shí)施例10：根據(jù)實(shí)施例1-9中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述氣凝膠前體是一步凝膠(one-stepgel)。

實(shí)施例11：根據(jù)實(shí)施例1-9中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述氣凝膠前體預(yù)聚合為兩步凝膠(two-stepgel)。

實(shí)施例12：根據(jù)實(shí)施例1-11中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述氣凝膠前體中的醇是含有約2％至約10％水的醇。

實(shí)施例13：根據(jù)實(shí)施例12所述的方法，其中，所述氣凝膠前體中的醇是95％的乙醇或甲醇。

實(shí)施例14：根據(jù)實(shí)施例12所述的方法，其中，所述氣凝膠前體中的醇是95％的乙醇。

實(shí)施例15：根據(jù)實(shí)施例1-14中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述氣凝膠前體包括比例約為1:(2-4)的硅醇化物與醇。

實(shí)施例16：根據(jù)實(shí)施例15所述的方法，其中，所述氣凝膠前體包括比例約為1:3的硅醇化物與醇。

實(shí)施例17：根據(jù)實(shí)施例1-14中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述氣凝膠前體包括比例約為1：(2-4)：(0.01-0.1)的硅醇化物、醇和催化劑。

實(shí)施例18：根據(jù)實(shí)施例17所述的方法，其中，所述氣凝膠前體包括比例約為1:3:(0.01-0.1)的硅醇化物、醇和催化劑。

實(shí)施例19：根據(jù)實(shí)施例17所述的方法，其中，所述氣凝膠前體包括比例約為1：3：0.06的硅醇化物：醇和催化劑。

實(shí)施例20：根據(jù)實(shí)施例15-19任一項(xiàng)所述的方法，其中，在所述前體中水的比例為約1.5至約3。

實(shí)施例21：根據(jù)實(shí)施例20所述的方法，其中，所述前體中水的比例約為2。

實(shí)施例22：根據(jù)實(shí)施例1-21中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述催化劑包括酸或堿。

實(shí)施例23：根據(jù)實(shí)施例22所述的方法，其中，所述催化劑包括堿。

實(shí)施例24：根據(jù)實(shí)施例23所述的方法，其中，所述催化劑包括氨和/或氟化銨。

實(shí)施例25：根據(jù)實(shí)施例22所述的方法，其中所述催化劑包括質(zhì)子酸。

實(shí)施例26：根據(jù)實(shí)施例25所述的方法，其中所述催化劑包括選自下組：鹽酸、氫氟酸和硝酸中的一種或多種酸。

實(shí)施例27：根據(jù)實(shí)施例25所述的方法，其中所述催化劑包括氫氟酸。

實(shí)施例28：根據(jù)實(shí)施例1-27中任一項(xiàng)所述的方法，其中，在所述超臨界干燥之前，所述方法不涉及聚合凝膠的醇置換。

實(shí)施例29：根據(jù)實(shí)施例1-28中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述容器在加熱至超臨界干燥溫度和壓力期間以及在超臨界溫度和壓力下排氣。

實(shí)施例30：根據(jù)實(shí)施例1-29中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述超臨界干燥時(shí)間持續(xù)時(shí)間從約10分鐘直至約2小時(shí)，或從約15分鐘直至約1.5小時(shí)，或從約15分鐘直至約1小時(shí)，或約0.5小時(shí)。

實(shí)施例31：根據(jù)實(shí)施例1-29中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述真空中加熱持續(xù)時(shí)間從約10分鐘直至約2小時(shí)，或從約15分鐘直至約1.5小時(shí)，或從約15分鐘直至約1小時(shí)，或約0.5小時(shí)。

實(shí)施例32：根據(jù)實(shí)施例1-31中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述超臨界干燥是所述氣凝膠在醇中的超臨界干燥，并且超臨界溫度和壓力是所述醇的超臨界溫度和壓力。

實(shí)施例33：根據(jù)實(shí)施例32所述的方法，其中，所述超臨界干燥是所述氣凝膠前體在甲醇中的超臨界干燥。

實(shí)施例34：根據(jù)實(shí)施例32所述的方法，其中，所述超臨界干燥是所述氣凝膠前體在乙醇中的超臨界干燥。

實(shí)施例35：根據(jù)實(shí)施例32-34中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述超臨界干燥是所述氣凝膠在浸入含有約2％至約10％水的醇之后的超臨界干燥。

實(shí)施例36：根據(jù)實(shí)施例35所述的方法，其中，所述超臨界干燥是所述氣凝膠在浸入95％醇之后的超臨界干燥。

實(shí)施例37：根據(jù)實(shí)施例35所述的方法，其中，所述超臨界干燥是所述氣凝膠在浸入95％醇之后的超臨界干燥。

實(shí)施例38：根據(jù)實(shí)施例32-37中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述超臨界干燥是在從約245℃至約265℃，或從約250℃至約260℃，或從約255℃至約257℃的溫度范圍。

實(shí)施例39：根據(jù)實(shí)施例32-38中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述超臨界干燥是在從約6.5mpa至約8.8mpa，或從約7mpa至約8.5mpa，或從約7.5mpa至約8.3mpa，或從約7.8至約8mpa的壓力范圍。

實(shí)施例40：根據(jù)實(shí)施例32-39中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述的醇是從先前氣凝膠的超臨界干燥中重新捕集的醇。

實(shí)施例41：根據(jù)實(shí)施例32-40中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述方法還包括從所述容器中排出所述的醇，并將所述排出的醇捕集到儲(chǔ)存器中。

實(shí)施例42：根據(jù)實(shí)施例41所述的方法，其中，所述捕集包括將醇蒸氣冷凝為液態(tài)醇。

實(shí)施例43：根據(jù)實(shí)施例32-42中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述超臨界干燥包括從所述容器中排出所述的醇，并使所述的醇通過一個(gè)或多個(gè)流體管線，所述流體管線的內(nèi)徑足夠小以保持可足夠維持超臨界壓力的背壓。

實(shí)施例44：根據(jù)實(shí)施例1-31中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述超臨界干燥是在二氧化碳與所述醇的溶劑交換后的液態(tài)二氧化碳的超臨界干燥，并且所述超臨界溫度和壓力是二氧化碳的超臨界溫度和壓力。

實(shí)施例45：根據(jù)實(shí)施例44所述的方法，其中，所述超臨界干燥是在從約31℃至約50℃，或從約31℃至約40℃，或從約32℃至約36℃的溫度范圍內(nèi)。

實(shí)施例46：根據(jù)實(shí)施例44-45中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述超臨界干燥是在從約1050psi至約1300psi，或從約1050psi至約1200psi，或從約1050psi至約1100psi，或從約1051psi至約1080psi，或從約1052psi至約1050psi的壓力范圍內(nèi)。

實(shí)施例47：根據(jù)實(shí)施例44-46中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述co2是從先前氣凝膠的超臨界干燥中重新捕集的co2。

實(shí)施例48：根據(jù)實(shí)施例44-47中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述方法還包括從所述容器中排出所述co2，并將所述排出的co2捕集到儲(chǔ)存器中。

實(shí)施例49：根據(jù)實(shí)施例48所述的方法，其中，所述捕集包括將co2蒸氣冷凝成液體醇。

實(shí)施例50：根據(jù)實(shí)施例44-49中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述超臨界干燥包括從所述容器中排出所述co2，并使所述co2通過一個(gè)或多個(gè)流體管線，所述流體管線的內(nèi)徑足夠小以保持可足夠維持超臨界壓力的背壓。

實(shí)施例51：根據(jù)實(shí)施例1-50中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述氣凝膠的密度范圍從約0.1％至約5％。

實(shí)施例52：根據(jù)實(shí)施例51所述的方法，其中，所述氣凝膠的密度范圍從約0.5％至約1％。

實(shí)施例53：一種用于制備氣凝膠的裝置，所述裝置包括：一個(gè)超臨界干燥容器，所述超臨界干燥容器包括一個(gè)或多個(gè)排放口和/或閥門，所述排放口和/或閥門配置為將超臨界的醇或co2排放到儲(chǔ)存室中，所述儲(chǔ)存室配置為捕集在超臨界干燥操作期間從所述超臨界干燥容器中釋放的所述醇或co2。

實(shí)施例54：根據(jù)實(shí)施例53所述的裝置，其中，所述裝置包括一個(gè)端口，所述端口配置為向所述干燥容器施加真空。

實(shí)施例55：根據(jù)實(shí)施例53-54中任一項(xiàng)所述的裝置，其中，所述儲(chǔ)存室還包括一個(gè)端口和/或閥門和/或流體管線，以將捕集的醇和/或co2輸送回所述超臨界干燥容器。

實(shí)施例56：根據(jù)實(shí)施例53-55中任一項(xiàng)所述的裝置，其中，所述容器配置為將所述容器的內(nèi)容物加熱至從約245℃至約265℃，或從約250℃至約260℃，或從約255℃至約257℃的溫度范圍。

實(shí)施例57：根據(jù)實(shí)施例53-56中任一項(xiàng)所述的裝置，其中，所述容器配置為維持內(nèi)容物壓力在從約6.5mpa至約8.8mpa，或從約7mpa至約8.5mpa，或從約7.5mpa至約8.3mpa，或從約7.8至約8mpa的范圍內(nèi)。

實(shí)施例58：根據(jù)實(shí)施例53-55中任一項(xiàng)所述的裝置，其中，所述容器配置為將所述容器的內(nèi)容物加熱至從約31℃至約50℃，或從約31℃至約40℃，或從約32℃至約36℃的溫度范圍。

實(shí)施例59：根據(jù)實(shí)施例53-55和58中任一項(xiàng)所述的裝置，其中，所述容器配置為維持內(nèi)容物的壓力在從約1050psi至約1300psi，或從約1050psi至約1200psi，或從約1050psi至約1100psi，或從約1051psi至約1080psi，或從約1052psi至約1050psi范圍內(nèi)。

實(shí)施例60：根據(jù)實(shí)施例54-59中任一項(xiàng)所述的裝置，其中，所述的被配置為向所述干燥容器施加真空的端口是連接到真空泵的端口。

實(shí)施例61：根據(jù)實(shí)施例60所述的裝置，其中，閥門置于所述真空泵和所述干燥容器之間。

實(shí)施例62：根據(jù)實(shí)施例53-61中任一項(xiàng)所述的裝置，其中，所述排放口和/或閥門包括一個(gè)或多個(gè)流體管線，所述流體管線的內(nèi)徑足夠小以保持可足夠維持所述醇或co2的超臨界壓力的背壓。

實(shí)施例63：根據(jù)實(shí)施例62所述的裝置，其中，所述流體管線具有足夠小的內(nèi)徑，以保持可足夠維持在醇的超臨界干燥期間醇的超臨界壓力的背壓。

實(shí)施例64：根據(jù)實(shí)施例62所述的裝置，其中，所述流體管線具有足夠小的內(nèi)徑，以保持可足夠維持在co2的超臨界干燥期間co2的超臨界壓力的背壓。

實(shí)施例65：根據(jù)實(shí)施例53-64中任一項(xiàng)所述的裝置，其中，所述排放口和/或閥門還包括一個(gè)配置的冷凝器，來液化通過所述排放口和/或閥門的醇或co2。

實(shí)施例66：根據(jù)實(shí)施例53-中任一項(xiàng)所述的裝置，其中，所述裝置包括一個(gè)熱交換器，以將熱量從通過所述排放口和/或閥門的所述co2或醇中交換至熱交換流體中。

實(shí)施例67：根據(jù)實(shí)施例66所述的裝置，其中，所述熱交換器連接至另一個(gè)熱交換器，以使所述熱交換流體加熱所述超臨界干燥容器和/或被引入所述超臨界干燥容器中的醇。

實(shí)施例68：一種氣凝膠基絕緣體，所述絕緣體包括：

兩個(gè)壁，在所述壁之間限定一個(gè)容積(volume)，其中所述容積含有氣凝膠；

并且在所述壁之間的容積是密封的并且包括局部真空(例如，低于大氣壓的氣體壓力)。

實(shí)施例69：根據(jù)實(shí)施例68所述的絕緣體，其中所述局部真空約為50,000pa或更低，或約25,000pa或更低，或約15,000pa或更低，或40,000pa或更低，或約20,000pa或更低，或約10,000pa或更低，或約5000pa或更低，或約15,000pa或更低，或約1300pa或更低，或約1200pa或更低，或約1100pa或更低，或約1000pa或更低，或在約400pa和約1300pa之間，或在約600pa和約1200pa之間，或在約800pa和約1100pa之間，或在約900pa和約1100pa之間。

實(shí)施例70：根據(jù)實(shí)施例68所述的絕緣體，其中，所述局部真空為約1000pa。

實(shí)施例71：根據(jù)實(shí)施例68-70中任一項(xiàng)所述的絕緣體，其中，所述壁包含選自下組的材料：玻璃，石英和塑料。

實(shí)施例72：根據(jù)實(shí)施例68-70中任一項(xiàng)所述的絕緣體，其中，所述壁含有高熔點(diǎn)塑料。

實(shí)施例73：根據(jù)實(shí)施例72所述的絕緣體，其中，所述壁含有選自下組的塑料：聚酰亞胺和聚四氟乙烯。

實(shí)施例74：根據(jù)實(shí)施例68-73中任一項(xiàng)所述的絕緣體，其中，所述兩個(gè)壁由同心管構(gòu)成。

實(shí)施例75：根據(jù)實(shí)施例68-73中任一項(xiàng)所述的絕緣體，其中，所述兩個(gè)壁由焊接或粘合在一起的平面薄板(planarsheets)或薄膜構(gòu)成。

實(shí)施例76：根據(jù)實(shí)施例68-75中任一項(xiàng)所述的絕緣體，其中，所述絕緣體還包括額外的真空絕緣層。

實(shí)施例77：根據(jù)實(shí)施例68-76中任一項(xiàng)所述的絕緣體，其中，在一個(gè)或兩個(gè)所述壁的內(nèi)表面或外表面上，所述絕緣體還包括一個(gè)或多個(gè)反射膜層。

實(shí)施例78：根據(jù)實(shí)施例68-77中任一項(xiàng)所述的絕緣體，其中，所述絕緣體包括用于引入氣凝膠前體的端口。

實(shí)施例79：一種制造氣凝膠絕緣體的方法，所述方法包括：

提供一個(gè)容器，具有以下特征，限定了一個(gè)位于所述壁之間的內(nèi)部容積(internalvolume)的一內(nèi)壁和一外壁，以及進(jìn)入所述容積的一個(gè)或多個(gè)端口；

通過所述一個(gè)或多個(gè)端口將所述氣凝膠前體引入所述內(nèi)部容積中，以提供限定了含有氣凝膠前體的內(nèi)部容積的容器；

使所述氣凝膠聚合；

并且執(zhí)行根據(jù)實(shí)施例1-52中任一項(xiàng)所述的制備氣凝膠的方法，其中，所述的提供含有氣凝膠前體的超臨界干燥容器，包括將所述限定了含有氣凝膠前體的內(nèi)部容積的容器放入所述超臨界干燥容器中；

在步驟(d)期間或之后，或步驟(e)之后，向所述容器施加真空；和

將所述一個(gè)或多個(gè)端口密封進(jìn)所述內(nèi)部容積，在低于大氣壓的壓力下，提供包含氣凝膠的密封的內(nèi)部容積。實(shí)施例80：根據(jù)實(shí)施例79所述的方法，其中，所述局部真空為約50,000pa或更低，或約25,000pa或更低，或約15,000pa或更低，或40,000pa或更低，或約20,000pa或更低，或約10,000pa或更低，或約5,000pa或更低，或約15,000pa或更低，或約1300pa或更低，或約1200pa或更低，或約1100pa或更低，或約1000pa或更低，或在約400pa和約1300pa之間，或在約600pa至約1200pa之間，或在約800pa和約1100pa之間，或在約900pa和約1100pa之間。

實(shí)施例81：根據(jù)實(shí)施例79所述的方法，其中，所述局部真空約為1000pa。

實(shí)施例82：根據(jù)實(shí)施例79-81中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述壁包括選自下組的材料：玻璃，石英和塑料。

實(shí)施例83：根據(jù)實(shí)施例79-81中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述壁含有高熔點(diǎn)塑料。

實(shí)施例84：根據(jù)實(shí)施例83所述的方法，其中，所述壁含有選自下組的塑料：聚酰亞胺和聚四氟乙烯。

實(shí)施例85：根據(jù)實(shí)施例79-84中任一項(xiàng)所述方法，其中，所述兩個(gè)壁由同心管構(gòu)成。

實(shí)施例86：根據(jù)實(shí)施例79-84中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述兩個(gè)壁由焊接或粘合在一起的平面薄板或薄膜構(gòu)成。

實(shí)施例87：根據(jù)實(shí)施例79-86中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述方法還包括添加一個(gè)或多個(gè)額外的真空絕緣層。

實(shí)施例88：根據(jù)實(shí)施例79-87中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述方法還包括，在一個(gè)或兩個(gè)所述壁的內(nèi)表面或外面上添加或放置一個(gè)或多個(gè)反射膜層。

附圖簡(jiǎn)要說明

圖1顯示了說明傳統(tǒng)氣凝膠制造方法的框圖。

圖2顯示了本文所述的創(chuàng)新的氣凝膠制造方法的一個(gè)實(shí)施方式的框圖。

圖3示意性地示出了用于制造如本文所述的氣凝膠的系統(tǒng)/裝置300的組件。

圖4示出了用于我們的創(chuàng)新的應(yīng)用方法的由石英(純sio2)和玻璃制成的圓柱結(jié)構(gòu)封裝容器，以優(yōu)化我們的二氧化硅氣凝膠的絕緣效果。

圖5示出了用于我們的創(chuàng)新應(yīng)用方法的，由聚酰亞胺制成的平板結(jié)構(gòu)封裝容器，以優(yōu)化我們的二氧化硅氣凝膠的絕緣效果。上圖是俯視圖(topview)，下圖是側(cè)視圖。

圖6示出了具有包裹在外管上的柔性聚酰亞胺封裝的玻璃圓柱結(jié)構(gòu)封裝容器，以優(yōu)化二氧化硅氣凝膠的絕緣效果。

圖7示出了在我們的二氧化硅氣凝膠的不同厚度下，熱輻射系數(shù)隨溫度的變化。

圖8示出了在我們的二氧化硅氣凝膠的不同屏蔽(shield)下，熱輻射系數(shù)隨溫度的變化。

詳細(xì)描述

本文描述了創(chuàng)新的非均相二氧化硅氣凝膠封裝，制造方法和工藝，以及特定的絕緣配置，使得氣凝膠基絕緣體的制造成本顯著降低并且使得其具有更好的絕緣性能。

創(chuàng)新方面，諸如下面描述的不同實(shí)施例中闡述的那樣，涉及制造二氧化硅氣凝膠的系統(tǒng)和方法、及其應(yīng)用。然而，應(yīng)理解的是，本發(fā)明不限于具體示出的實(shí)施例。

創(chuàng)新方面，諸如在下面的一些實(shí)施例中闡述的那樣，可涉及特定工藝配比的系統(tǒng)和方法。然而，應(yīng)理解的是，本文提供的發(fā)明不限于任何此類具體說明，而是由權(quán)利要求和全面披露的范圍限定。

在不同實(shí)施例中，提供了再循環(huán)含水乙醇并最大化氣凝膠的產(chǎn)品收率的方法和裝置。在某些實(shí)施例中，提供了在超臨界干燥過程之后，任選地在冷卻過程之前，排出氣凝膠的方法，以消除或減少殘余乙醇或水分子。

改善的氣凝膠制造方法。

通常，通過結(jié)合(combing)例如teos的有機(jī)硅源、純乙醇、水和例如酸(例如，hfl、hcl)或堿(例如氨)的催化劑制造氣凝膠(例如，如圖1所示)。在一個(gè)示例性方案中，對(duì)于一步法，這些成分之間的比例為1:4:0.25:0.06。對(duì)于兩步法，通常監(jiān)測(cè)ph值，并加入酸直至ph值達(dá)到4.5，然后加入氨水溶液直到ph值達(dá)到約8.5。使溶膠混合物凝膠化，并將該氣凝膠前體放入容器中。通常將純乙醇加入到容器中以完全浸沒氣凝膠前體凝膠，并且將混合物保持足以進(jìn)行溶劑置換的時(shí)間(例如，用醇置換氣凝膠中的水)。取決于氣凝膠的厚度，氣凝膠前體中用乙醇分子置換水分子的該置換步驟可能需要約48小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間。

將乙醇浸漬的凝膠置于高壓高溫反應(yīng)室(超臨界干燥容器)中。通常，凝膠僅在腔室下部占據(jù)總?cè)莘e的三分之一。將純乙醇倒入腔室中以浸沒凝膠。腔室的蓋子將關(guān)閉并牢固蓋緊，以防止在升溫期間乙醇從腔室中任何可能的泄漏。然后逐漸加熱腔室，以升高腔室內(nèi)的溫度，直到達(dá)到并略微超過乙醇超臨界條件。在加熱過程中，通過排氣閥密切監(jiān)測(cè)和控制腔室內(nèi)部壓力，以確保壓力和溫度不會(huì)上升太快。

通常，該加熱過程需要2至3小時(shí)。因?yàn)楫?dāng)乙醇溫度升高時(shí)，其體積膨脹，乙醇會(huì)逐漸占據(jù)腔室的整個(gè)容積，然后，通常在達(dá)到超臨界條件之后，通過排氣閥從腔室中排出乙醇。一旦達(dá)到并超過乙醇的超臨界條件，維持腔室內(nèi)的壓力和溫度在略高于超臨界點(diǎn)的值。乙醇超臨界點(diǎn)的溫度為243℃，壓力為6.4mpa。通常在乙醇超臨界干燥過程中，腔室內(nèi)的溫度和壓力保持在約255℃和約8mpa。然后通過從腔室中逐漸排出乙醇蒸汽，降低腔室內(nèi)的壓力和溫度，直到腔室內(nèi)的壓力和溫度與環(huán)境平衡，通常降低至室溫和室壓。該平衡過程通常需要約1.5至約2.5小時(shí)。

在不同實(shí)施例中，如圖2所示，提供了創(chuàng)新的二氧化硅氣凝膠前體制備方法，以極大地降低所使用的乙醇的純度要求，其顯著降低了二氧化硅氣凝膠的制造成本。因此，在某些實(shí)施例中，簡(jiǎn)化并提供了完整的乙醇凝膠制備步驟、設(shè)備和方法。以這種方式，提高了總的乙醇利用率。

在該過程中，將硅醇化物(例如，teos)、95％乙醇和催化劑(例如，氫氟酸)以1:3:0.06的比例混合在一起。凝膠化的反應(yīng)時(shí)間取決于制備的二氧化硅氣凝膠的質(zhì)量密度--更低的密度需要更長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間。例如，在160kg/m³的密度下，乙醇凝膠前體反應(yīng)時(shí)間僅為幾分鐘。然而，在20kg/m³的密度下，乙醇凝膠前體反應(yīng)時(shí)間變?yōu)?4小時(shí)。

此外，在不同實(shí)施例中，淘汰了在上述傳統(tǒng)的乙醇凝膠前體制備方法中使用的溶劑置換步驟。在乙醇凝膠制備中，超臨界干燥過程之前，該新方法與傳統(tǒng)方法相比，節(jié)省了24至48小時(shí)。

在特定實(shí)施例中，干燥室通過在超臨界干燥室中超出乙醇凝膠裝置容積限制(如上文所述的對(duì)于傳統(tǒng)方法的30％容積限制)達(dá)到80至90％，設(shè)備利用率提高了3倍。

因此，在特定實(shí)施例中，在初始升溫過程中，低于2％的干燥室容積被作為傳熱介質(zhì)的純乙醇充滿。因?yàn)橹苽涞亩趸铓饽z僅有1％的純密度，乙醇凝膠中的大部分內(nèi)容物由乙醇和水組成。這些乙醇和水在加熱過程中將從乙醇凝膠中排放出來。最終，乙醇和水充滿整個(gè)干燥室，導(dǎo)致干燥室內(nèi)的壓力隨著其溫度的升高而增大。在干燥室內(nèi)的溫度超過243℃后，乙醇達(dá)到其超臨界點(diǎn)，同時(shí)干燥室內(nèi)的壓力超過6.4mpa。打開排氣閥逐漸將乙醇排出干燥室。然后，該乙醇將進(jìn)入乙醇儲(chǔ)存器以后續(xù)使用。排放的乙醇濃度通常為98％或更高。然后可以再循環(huán)濃縮的乙醇以進(jìn)一步使用。通常干燥室內(nèi)的溫度和壓力分別保持在255-257℃和7.8-8mpa的范圍內(nèi)持續(xù)約一個(gè)半小時(shí)?？偵郎剡^程需要約4至4.5小時(shí)。

在特定實(shí)施例中，超臨界加熱室在加熱過程期間利用排氣系統(tǒng)連續(xù)排氣，所述排氣系統(tǒng)保持足夠的背壓，以實(shí)現(xiàn)超臨界條件。

加熱過程完成之后，保持排氣閥打開，直到干燥室內(nèi)的溫度和壓力達(dá)到室溫和室壓。此時(shí)，再次加熱干燥室，使干燥室內(nèi)的溫度達(dá)到270℃。同時(shí)，使用真空泵通過端口抽出干燥室內(nèi)的殘留氣體。這種加熱和抽氣的組合將有效地從二氧化硅氣凝膠中除去殘留的被吸收的氣體分子。通常，該脫氣過程持續(xù)一小時(shí)左右。在脫氣過程之后，打開干燥室的蓋子，并從腔室中取出制備的二氧化硅氣凝膠樣品。氣凝膠樣品準(zhǔn)備好用于絕緣應(yīng)用。

制造氣凝膠的系統(tǒng)和設(shè)備。

圖3示意性地示出了用于制造如本文所述的氣凝膠的系統(tǒng)/裝置300的組件。將氣凝膠前體302或包含氣凝膠前體的絕緣體結(jié)構(gòu)置于超臨界干燥容器304中。超臨界干燥容器304包括或流體連接于一個(gè)或多個(gè)排放口306和/或閥門308和/或流體管線320，所述流通管線320配置為將醇或co2排放到儲(chǔ)存室314中，儲(chǔ)存室314配置為在超臨界干燥操作期間捕集從超臨界干燥容器中排放的醇或co2。

在特定實(shí)施例中，流體管線320具有足夠小的內(nèi)徑，以保持可足夠維持干燥容器304中的超臨界壓力的背壓。在特定實(shí)施例中，流體管線通過冷凝器318，所述冷凝器確保進(jìn)入小直徑的流體管線的流體全部是液體，使得小直徑管線有效保持期望的背壓。

在特定實(shí)施例中，儲(chǔ)存室任選地設(shè)置有可促進(jìn)隨后的氣凝膠制備操作中醇或二氧化碳再利用的排放口和/或閥門和/或流體管線316。

在不同實(shí)施例中，超臨界干燥室304還可包括連接到真空源312(例如，真空泵)的真空端口310，其有助于氣凝膠的進(jìn)一步真空和/或真空/高溫干燥。

說明性的氣凝膠合成。

在一個(gè)說明性但非限制性的實(shí)施例中，將制備的氣凝膠前體(乙醇凝膠)與少量乙醇(例如，僅為總腔室容積的1-2％)一起放入超臨界干燥室中。在不同實(shí)施例中，該乙醇含有2至約10％的水。在特定實(shí)施例中，該乙醇含有約95％的乙醇或約98％的乙醇。在特定實(shí)施例中，該乙醇是來自早前制造過程的再回收乙醇。該少量乙醇的作用是將熱量從腔室壁傳遞到凝膠中，使得乙醇凝膠的溫度逐漸上升。在特定實(shí)施例中，預(yù)熱的乙醇在其進(jìn)入干燥室之前先進(jìn)入乙醇蒸發(fā)器。關(guān)閉并蓋緊腔室蓋?；旌系膲嚎s氣體，任選地與少量氦氣混合的壓縮氣體，通過閥門充滿腔室以提供腔室內(nèi)的正壓力。任選地，可使用氦氣真空泄漏檢測(cè)裝備來檢查是否有來自蓋緊的腔室蓋的任何泄漏。然后逐漸加熱腔室。為提高超臨界干燥過程的效率以及增加生產(chǎn)率，可并行使用多個(gè)干燥室。干燥室內(nèi)的溫度緩慢上升，同時(shí)腔室內(nèi)的壓力也逐漸升高，直至達(dá)到然后略微超過乙醇的超臨界點(diǎn)。在某些說明性但非限制性的實(shí)施例中，在干燥室內(nèi)達(dá)到超臨界條件需要約2.5至約3.5小時(shí)。在特定實(shí)施例中，腔室內(nèi)的溫度范圍應(yīng)為約255-260℃，同時(shí)腔室內(nèi)的壓力保持在8-10mpa的范圍內(nèi)。

在特定實(shí)施例中，保持腔室內(nèi)的溫度和壓力約0.5至約1小時(shí)，同時(shí)使腔室內(nèi)的壓力降低至室壓，之后使用排放閥逐漸將乙醇蒸氣從干燥室中排出。在特定實(shí)施例中，所述腔室應(yīng)保持在約255℃-260℃。在特定實(shí)施例中，在卸壓過程中，乙醇蒸氣通過冷凝器，在其中冷凝成液體，并任選地儲(chǔ)存在腔室中，以便后續(xù)使用。

在腔室壓力達(dá)到大氣壓力之后，可使用真空泵來抽出殘留的乙醇蒸氣，同時(shí)干燥室仍然保持在較高的溫度。該過程將有效地脫去氣凝膠表面上的吸附氣體分子。在一個(gè)說明性但非限制性的實(shí)施例中，該脫氣過程持續(xù)約0.5至約4小時(shí)，或約0.5至約3小時(shí)，或約0.5至約2小時(shí)，或約0.5至約1小時(shí)。

在脫氣過程完成后，空氣可以在腔室冷卻時(shí)緩慢釋放到腔室中。該冷卻過程通常進(jìn)行到氣凝膠材料的溫度足夠低以將其從干燥室中除去(例如，約1/2小時(shí))。

在一些實(shí)施例中，可以在制備乙醇前體凝膠過程中加入低密度纖維網(wǎng)絡(luò)，以增強(qiáng)二氧化硅氣凝膠最終產(chǎn)物的機(jī)械性能。纖維的密度應(yīng)盡可能低，以降低較高密度對(duì)絕緣性能的影響。

在一些實(shí)施例中，水含量在5-10％之間的剩余乙醇可用于制備前體凝膠。生產(chǎn)低密度二氧化硅氣凝膠產(chǎn)品的超臨界干燥過程也將會(huì)產(chǎn)生少于2％的含水量的收集乙醇，然后可以將其重新用于乙醇前體凝膠制備步驟或作為副產(chǎn)物出售。因此，該乙醇超臨界干燥過程實(shí)際上產(chǎn)生了更高濃度(例如，高于95％)的乙醇作為副產(chǎn)物。用這種方法，就消除了使用純乙醇的高成本。

氣凝膠化學(xué)。

溶膠-凝膠化學(xué)

如上所述，氣凝膠的形成通常涉及兩個(gè)主要步驟，形成濕凝膠，以及濕凝膠的干燥以形成氣凝膠。雖然本文所預(yù)期的氣凝膠可以由許多材料制成，包括但不限于碳?xì)饽z(美國(guó)專利公開號(hào)：2010/0187484a1；2010/0190639a1；2011/0024698a1，其通過引用納入本文用于本文所述的氣凝膠材料和配方)、硅酸鈉、二氧化硅(親水性和疏水性)、過渡金屬氧化物、鑭系氧化物、錒系氧化物、主族氧化物、混合基質(zhì)氧化物、聚合物(如酚醛樹脂、聚脲、聚氨酯、聚酰亞胺和聚酰胺)、無定形碳、石墨碳、碳納米管和石墨烯、等等。

在特定實(shí)施例中，本文所預(yù)期的氣凝膠可以是二氧化硅氣凝膠、碳?xì)饽z、氧化鋁氣凝膠、硫?qū)倌z(chalcogel)、有機(jī)氣凝膠、或其組合。在其它實(shí)施例中，本發(fā)明的氣凝膠可以是金屬氧化物氣凝膠。在其它實(shí)施例中，所述氣凝膠可以是二氧化硅、二氧化鈦、氧化鋯、氧化鋁、二氧化鉿、氧化釔、二氧化鈰、碳化物、氮化物及其任何組合的氣凝膠。

在特定實(shí)施例中，本文所預(yù)期的氣凝膠是疏水性氣凝膠，包括但不限于聚合物交聯(lián)的氣凝膠(x-氣凝膠)。在其它實(shí)施例中，所述疏水性氣凝膠是聚脲x-氣凝膠。

在特定實(shí)施例中，氣凝膠作為離散的塊狀氣凝膠。在這種塊體中，氣凝膠由具有所需形狀、尺寸和密度的單個(gè)氣凝膠單元形成。

在特定實(shí)施例中，特別是當(dāng)用于絕緣體時(shí)，所述氣凝膠使用硅醇化物前體。最常見的是原硅酸四甲酯(tmos，si(och3)4)和原硅酸四乙酯(teos，si(och2ch3)4)。然而，可使用包含各種有機(jī)官能團(tuán)的許多其它醇鹽為凝膠提供不同的性能。醇鹽基的溶膠-凝膠化學(xué)過程避免了不需要的鹽副產(chǎn)物的形成，并且允許對(duì)最終產(chǎn)物的更大程度的控制。

以實(shí)例說明，由teos形成硅膠的平衡化學(xué)方程式為：

si(och2ch3)4(液)+2h2o(液)＝sio2(固)+4hoch2ch3(液)

上述反應(yīng)通常在乙醇中進(jìn)行，氣凝膠的最終密度取決于溶液中硅醇化物單體的濃度。注意，對(duì)每摩爾teos，反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量需要兩摩爾水。據(jù)稱這個(gè)量的水導(dǎo)致不完全反應(yīng)，生成弱(weak)的、云霧狀(cloudy)的氣凝膠。因此，大多數(shù)氣凝膠配比使用比平衡方程所需的更高的水比例(4-30當(dāng)量中的任意一點(diǎn))。然而，令人驚訝的發(fā)現(xiàn)是，使用本文所述的方法，使用更少量的水的氣凝膠配比產(chǎn)生合格的氣凝膠，特別是所述氣凝膠用作絕緣體。因此，在特定實(shí)施例中，所述混合物包含比率約為1：(1.5-3)，或約為1：2的硅醇化物與水。

在特定實(shí)施例中，硅醇化物：醇：水的比率約為1：(2-4)：(1.5-3)或約1：3：(1.5-3)，或約1：3：2。在這些實(shí)施例的特定但非限制性的示例中，催化劑以約(0.01至1)或約0.05或0.06的比率存在。因此，通過非限制性的示例，以下硅醇化物：醇：水：催化劑的比例是可以預(yù)計(jì)的：1：(2-4)：(1.5-3)：(0.01-1)，或約1:3：(1.5-3)：(0.01-1)，或約1：3：2：(0.01-1)，或約1：(2-4)：(1.5-3)：(0.06)，或約1：3：(1.5-3)：(0.06)，或約1:3:2:(0.06)，或約1:(2-4)：(1.5-3)：(0.05)，或約1:3：(1.5-3)：(0.05)，或約1：3：2：(0.05)。

催化劑

上述反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)在室溫下是不切實(shí)際地慢，通常需要幾天才能完成。由于這個(gè)原因，要向配方中加入酸或堿催化劑。所用催化劑的量和類型在最終氣凝膠產(chǎn)品的微結(jié)構(gòu)、物理和光學(xué)性質(zhì)中起關(guān)鍵作用。酸催化劑可包括但不限于任何質(zhì)子酸，例如hcl、hfl、及其類似物。堿催化劑可包括但不限于氨、用氟化銨緩沖的氨、及其類似物。

用酸催化劑制備的氣凝膠在超臨界干燥期間通常表現(xiàn)出更大的收縮，并且可能比堿催化的氣凝膠透明度更低。隨著縮合反應(yīng)的進(jìn)行，溶膠變成剛性凝膠。在凝膠成模的這一刻，可以從其模具中取出凝膠。然而，通常必須要保持凝膠被醇包覆，以防止包含在凝膠孔隙中的液體蒸發(fā)。這種蒸發(fā)對(duì)凝膠造成嚴(yán)重?fù)p壞，會(huì)生成品質(zhì)低劣的氣凝膠。

單步氣凝膠相對(duì)兩步氣凝膠

在不同實(shí)施例中，本文所預(yù)期的氣凝膠包括單步氣凝膠以及兩步氣凝膠。典型的酸或堿催化的teos或tmos凝膠通常分類為“單步”凝膠，指該反應(yīng)的“一步法”性質(zhì)。另一種方法使用預(yù)聚合的teos或tmos作為二氧化硅來源。在一個(gè)說明性但非限制性的實(shí)施例中，可以通過用亞化學(xué)計(jì)量的水和酸催化劑加熱t(yī)eos或tmos的乙醇溶液來制備預(yù)聚合的teos或tmos。蒸餾除去溶劑，留下含有更高分子量的硅烷氧氧化物的粘性流體。將該物質(zhì)重新溶解在乙醇中，并在堿性條件下與補(bǔ)充水反應(yīng)，直到發(fā)生凝膠化。以這種方式制備的凝膠稱為“兩步法”酸堿催化凝膠。

預(yù)聚合的teos可從美國(guó)silbondcorp.(silbondh-5)市售可得。這些略有不同的工藝條件賦予最終氣凝膠產(chǎn)品微妙但重要的變化。單步法堿催化的氣凝膠通常比兩步法氣凝膠的機(jī)械強(qiáng)度更強(qiáng)，但更脆。然而，兩步法氣凝膠具有更小和更窄的孔徑分布，并且通常比單步法氣凝膠是更光學(xué)透明的。

老化和浸泡

當(dāng)溶膠達(dá)到凝膠點(diǎn)時(shí)，通常認(rèn)為硅醇化物反應(yīng)物的水解和縮合反應(yīng)是徹底的。然而，該凝膠點(diǎn)簡(jiǎn)單地表示了聚合的二氧化硅物質(zhì)遍及含有溶膠的容器的時(shí)間。此時(shí)，凝膠的二氧化硅骨架含有大量未反應(yīng)的醇鹽基團(tuán)。事實(shí)上，水解和縮合可以持續(xù)時(shí)間幾倍凝膠化所需的時(shí)間。因此，制備凝膠時(shí)，給予足夠的時(shí)間用于增強(qiáng)二氧化硅網(wǎng)絡(luò)。這可以通過控制包覆溶液的ph和含水量來增強(qiáng)。堿催化凝膠的常規(guī)老化步驟通常包括，ph為8-9(氨)下，將凝膠浸泡在與初始溶膠等比例的醇/水混合物中。在某些說明性但非限制性的實(shí)施例中，凝膠在該溶液中保持不受干擾長(zhǎng)達(dá)48小時(shí)。該步驟是擴(kuò)散控制。也就是說，材料進(jìn)入和離開凝膠的運(yùn)輸不受對(duì)流或混合的影響(歸功于牢固的二氧化硅網(wǎng)絡(luò))。反過來，擴(kuò)散受凝膠厚度的影響。簡(jiǎn)而言之，各工藝步驟所需時(shí)間隨著凝膠厚度的增加而急劇增加。在特定實(shí)施例中，這將氣凝膠的實(shí)際生產(chǎn)中限制到1-2cm厚的塊體。

在典型的氣凝膠方案中，凝膠老化后，干燥之前，去除仍然包含在其孔隙內(nèi)的所有水?？珊?jiǎn)單地通過將凝膠多次浸泡在純醇中，直到除去所有的水來完成。再次，該過程所需的時(shí)長(zhǎng)取決于凝膠的厚度。超臨界干燥不會(huì)除去任何留在凝膠中的水，這將產(chǎn)生不透明的、白色的和非常稠密的氣凝膠。

然而，令人驚訝的發(fā)現(xiàn)是，使用本文所述的方法，可以取消該干燥步驟。因此，在本文所述的任何氣凝膠制造方法中，可以預(yù)期該醇置換步驟可以取消。

超臨界干燥

制備二氧化硅氣凝膠最終的和最重要的步驟是超臨界干燥。在該步驟中，凝膠內(nèi)的液體被除去，僅留下連接的二氧化硅網(wǎng)絡(luò)。該步驟可以通過在高于其臨界點(diǎn)(例如，在高溫和高壓下)下排出溶劑(例如，乙醇)，或通過先與co2進(jìn)行溶劑交換，然后通過超臨界排氣(更低的溫度和壓力)來進(jìn)行。該步驟在設(shè)計(jì)為能夠承受必要的溫度和壓力的超臨界干燥容器中進(jìn)行。所述步驟如下。

當(dāng)在醇中進(jìn)行超臨界干燥時(shí)，將凝膠(或結(jié)構(gòu)，例如含有凝膠的絕緣體結(jié)構(gòu))置于超臨界干燥室中。保持凝膠浸沒在醇中。通常使用純的醇(例如，絕對(duì)醇或無水醇)。然而，令人驚訝的發(fā)現(xiàn)是，使用本文所述的方法，可以使用含有約2％至約10％的水的醇。在特定實(shí)施例中，使用95％的醇。還令人驚訝的發(fā)現(xiàn)，也可以有效地使用從先前的氣凝膠超臨界干燥過程中回收的醇(通常為約98％的醇)。

通常，將超臨界干燥室密封，并升溫以產(chǎn)生所需的溫度和壓力。然后對(duì)腔室排氣以排出醇。

如上所述，由于醇的膨脹，通常超臨界干燥室充滿約1/3或更少，這導(dǎo)致資源利用率低。

據(jù)發(fā)現(xiàn)，干燥室可以連續(xù)排放，同時(shí)保持足夠的背壓以允許腔室達(dá)到超臨界干燥溫度和壓力。這使得醇在膨脹時(shí)釋放，并使得腔室填充到更高的水平(例如，至少50％充滿，或至少80％充滿，或至少90％充滿等)，產(chǎn)生更高的利用率。在一個(gè)說明性但非限制性的實(shí)施例中，這種排放可以設(shè)置排放口通過放泄管路來實(shí)現(xiàn)，所述放泄管路具有足夠小的直徑以維持所需的背壓。在特定實(shí)施例中，所述排放口還可包括冷凝器，以確保流過窄直徑管路的醇是液體(例如，參見圖3)。

在co2中進(jìn)行超臨界干燥時(shí)，將氣凝膠置于超臨界干燥容器(已經(jīng)充滿乙醇)中。用co2將系統(tǒng)加壓到至少750-850psi，并冷卻至5-10℃。液態(tài)co2然后沖進(jìn)容器中，直到所有的乙醇已經(jīng)從容器和凝膠內(nèi)除去。當(dāng)凝膠不含乙醇時(shí)，將容器升溫至高于co2臨界溫度(31℃)的溫度。隨容器溫度升高，系統(tǒng)壓力升高。小心地釋放co2以保持略高于co2臨界壓力(1050psi)的壓力。該系統(tǒng)在這些條件下保持很短一段時(shí)間，隨后將co2緩慢、可控地釋放至環(huán)境壓力。與前面的步驟一樣，該過程所需的時(shí)長(zhǎng)取決于凝膠的厚度。在特定實(shí)施例中，該過程可持續(xù)12小時(shí)至6天。

功能化氣凝膠。

雖然氣凝膠不需要被功能化來作為有效的絕緣體，但在不同實(shí)施例中，可以容易地功能化氣凝膠。制備氣凝膠的過程中有使氣凝膠容易被功能化的三點(diǎn)：在凝膠前體的凝膠化期間，在凝膠前體凝膠化之后，以及在超臨界干燥之后。

凝膠化期間功能化

為了在凝膠化期間功能化，用于制備凝膠前體的溶膠-凝膠過程中包括反應(yīng)單體，產(chǎn)生了有特殊化學(xué)物質(zhì)的凝膠網(wǎng)絡(luò)。實(shí)施例包括使用甲基三甲氧基硅烷和tmos將疏水性甲基(-ch3)基團(tuán)置于硅膠骨架上，因此獲得的氣凝膠是疏水性的。

凝膠化后功能化

一旦形成凝膠，可以將反應(yīng)分子通過擴(kuò)散引入凝膠的孔隙網(wǎng)絡(luò)中。一旦反應(yīng)分子找到它們的方式進(jìn)入孔隙網(wǎng)絡(luò)，可以引發(fā)反應(yīng)分子和凝膠骨架之間的化學(xué)反應(yīng)。結(jié)果是反應(yīng)分子與凝膠骨架鍵合，用新的化學(xué)基團(tuán)覆蓋骨架。一個(gè)說明性但非限制性的實(shí)施例是三甲基氯硅烷與-oh基團(tuán)反應(yīng)，以在骨架上形成-osi(ch3)3基團(tuán)。

超臨界干燥后功能化

超臨界干燥后的功能化類似于如上所述的凝膠化后的濕凝膠的功能化，除了反應(yīng)分子是以蒸氣引入氣凝膠(不是濕凝膠)的孔隙網(wǎng)絡(luò)中。氣態(tài)反應(yīng)性分子擴(kuò)散通過干燥的孔隙網(wǎng)絡(luò)至位于孔隙網(wǎng)絡(luò)中的支柱上的表面基團(tuán)，在其上引發(fā)化學(xué)反應(yīng)，在支柱表面上形成特殊的官能團(tuán)。

氣凝膠的許多功能化變體是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的。一個(gè)說明性但非限制性的實(shí)施例是通過用聚合物使表面功能化，使脆弱的二氧化硅氣凝膠變得超強(qiáng)堅(jiān)韌。

含有氣凝膠的絕緣體。

在不同實(shí)施例中，提供絕緣體(例如，非均相氣凝膠封裝)以分別減少氣體和輻射對(duì)熱導(dǎo)率的影響。

為了減少或消除氣體對(duì)熱導(dǎo)率的影響，在低真空下提供氣凝膠的情況下，提供氣凝膠絕緣體。公式4的第一項(xiàng)λg，參數(shù)φ表征微孔尺寸結(jié)構(gòu)(單位為微米)，其降低下方的氣體熱導(dǎo)率值的等效效果。換句話說，為了將空真空層中氣體熱導(dǎo)率影響降至1mw/(m·k)的水平(1％密度氣凝膠固體熱導(dǎo)率的近似值)，需要產(chǎn)生0.05pa的真空壓力。然而，通過使用的二氧化硅氣凝膠來填充同一真空層，所需的真空壓力僅約為1000pa，與所需的真空條件有超過4個(gè)數(shù)量級(jí)的差異。因此，可以確定在中度真空外殼中的封裝氣凝膠(例如，約500至1500pa，或約600pa至約1400pa，或約700pa至約1300pa，或約800pa至約1200pa，或約900pa至約1100pa)，或約1000pa將基本上消除公式4第一項(xiàng)的影響。

對(duì)于更高溫度的應(yīng)用，可以使用石英(純sio2)和玻璃封裝材料。圖4示出了玻璃或石英絕緣體500的一個(gè)非限制性實(shí)施例。石英或玻璃501和502的同心雙層管的兩端被熱封，形成內(nèi)壁501和外壁502，并且在內(nèi)壁501和外壁502之間限定一內(nèi)部容積504。該內(nèi)部容積用作氣凝膠的容器。小的空心管或端口506通向內(nèi)部容積。為了防止由于內(nèi)管的熱膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力導(dǎo)致的裂紋，在內(nèi)管中設(shè)有環(huán)形結(jié)構(gòu)(波浪狀(wavering))508以緩解應(yīng)力。然后，在混合物凝膠化之前，將氣凝膠前體510通過管或端口506裝載到內(nèi)部容積504中作為溶膠。另外，在特定實(shí)施例中，可以添加柔性封裝真空絕緣層512(為了清楚起見僅示出部分覆蓋結(jié)構(gòu))，以進(jìn)一步提高絕緣性。將容器放入超臨界干燥容器中，并且在凝膠形成后，進(jìn)行超臨界干燥過程，如本文所述，隨后任選地進(jìn)行加熱和/或真空干燥步驟。在特定實(shí)施例中，打開之前將惰性氣體(例如，氬氣)重新填充到干燥容器中。例如，在真空下或在施加真空的同時(shí)使得內(nèi)部容積506中的氣凝膠處于局部真空下，例如，在約1000pa或更低的壓力下，然后將管/端口506密封，。

對(duì)于中溫或低溫應(yīng)用，使用能夠承受超臨界干燥條件的聚酰亞胺(pi)或聚四氟乙烯材料以及某些塑料和其它材料，以形成如圖5所示的平板結(jié)構(gòu)容器600。如該圖所示，聚酰亞胺(pi)(或其它塑料)膜601和602熱焊接或熱粘合在一起，以在側(cè)面上形成密封件607，并限定內(nèi)部容積604，以及在一側(cè)設(shè)有小空心管或端口606。內(nèi)部容積604形成氣凝膠的容器。在一個(gè)說明性但非限制性的實(shí)施例中，在凝膠形成過程之前制造容器或袋；在干燥過程之前，氣凝膠前體605通過管或端口606填充到封裝容器中。絕緣體結(jié)構(gòu)最終可以在干燥過程之后真空密封。

在不同實(shí)施例中，可在氣凝膠的薄層之間插入金屬的高反射薄膜(例如，圖4中的514和516)，以減少或消除黑體輻射熱導(dǎo)率的影響。這些層可以在真空封裝的內(nèi)部或外部。對(duì)于這種非均相結(jié)構(gòu)，通過高反射金屬膜而不是通過使用添加劑(如碳)或增加氣凝膠密度來減少或消除輻射熱導(dǎo)率。類似地，在圖5中，一層、兩層或多層柔性封裝的二氧化硅氣凝膠600可用于中溫或低溫應(yīng)用。

圖6示出了一個(gè)圓柱形絕緣體700的非限制性實(shí)施例，所述圓柱形絕緣體700在玻璃管內(nèi)部或外部設(shè)有高反射性金屬薄膜，并具有柔性封裝的二氧化硅氣凝膠層718和720。所述絕緣體包括兩端熱封的石英或玻璃的同心雙層管701和702，形成小的敞開的裝料口或管706。為了防止由于內(nèi)管的熱膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力而破裂，在內(nèi)管中設(shè)置波浪形(wavering)(環(huán)形)結(jié)構(gòu)708以緩解應(yīng)力。從端口或管706將氣凝膠前體710填充進(jìn)去。添加柔性封裝真空絕緣層712以進(jìn)一步改善絕緣性。

對(duì)于這種非均相結(jié)構(gòu)，輻射項(xiàng)是有差別地推導(dǎo)出的。因?yàn)閷?duì)于不含碳或其他添加劑的低密度氣凝膠，吸收率低，所以其可以忽略。當(dāng)在圓柱形氣凝膠絕緣結(jié)構(gòu)中的輻射屏蔽數(shù)為n時(shí)，由輻射量qr傳遞的能量可以由以下公式表示：

其中，i從2變化到n+1；qr是輻射的熱通量，單位為w；t1是絕緣氣凝膠層的熱表面的溫度，單位為k；tn+2是氣凝膠的冷表面溫度，單位為k；ε是輻射屏蔽的輻射系數(shù)；r1是熱表面的半徑，單位為m；ri是第i個(gè)輻射屏蔽的半徑；n是輻射屏蔽的數(shù)目；rn+2是冷表面的半徑(例如，參見howell等人，熱輻射熱傳遞(thermalradiationheattransfer)[m]，第五版，pp.591-595)。

考慮當(dāng)前情況是應(yīng)用于圓柱形結(jié)構(gòu)，根據(jù)公式3，熱通量qr與輻射的有效導(dǎo)熱率λr的關(guān)系可以由以下公式表示：

以及

其中d是氣凝膠絕熱層系統(tǒng)的直徑。

等式10中的分母表示輻射屏蔽的熱阻。增加分母的數(shù)值可以有效減少熱通量。因此，降低輻射屏蔽的輻射系數(shù)或增加輻射屏蔽的數(shù)量，熱阻將會(huì)增加。最好的輻射屏蔽之一是使用鋁(或金，因?yàn)槠涠栊钥沙惺芨邷馗稍镞^程)薄膜涂覆在圓柱形玻璃管的表面上作為屏蔽。以這種方式，該輻射屏蔽的輻射系數(shù)可以低至0.02。帶有拋光表面的其它金屬表面也可以具有相對(duì)低的輻射系數(shù)并且還可以用作輻射屏蔽。對(duì)于聚酰亞胺平板容器，聚酰亞胺薄膜上的鋁薄膜涂層可以用作聚酰亞胺氣凝膠容器板之間的輻射屏蔽。

在公式10中，將輻射屏蔽的數(shù)目n減少到零，我們得到，對(duì)于在玻璃或熱管的內(nèi)部或外部未使用輻射屏蔽的情況，輻射熱導(dǎo)率表達(dá)式如下：

其中，r1/r2的比率是圓柱形氣凝膠絕緣結(jié)構(gòu)的比表面積。對(duì)于平板結(jié)構(gòu)，這個(gè)比率是1，所以我們回到公式4中的原始方程，第二項(xiàng)。

根據(jù)公式7，固體導(dǎo)熱性的影響可以描述為λs＝cρ^b，其中ρ是二氧化硅氣凝膠的密度。事實(shí)上，λs也可能取決于溫度，這可以用下面的公式描述：

λs＝p^b(c+βt)(公式12)

其中第一項(xiàng)與之前所述相同，與溫度無關(guān)，第二項(xiàng)描述溫度相關(guān)性，其中β是溫度相關(guān)系數(shù)，t是二氧化硅氣凝膠的工作溫度。使用在給定測(cè)試條件下獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們可以確定c和β的值。

如果二氧化硅氣凝膠的密度為20kg/m³，絕緣層壓力為10pa，則工作溫度范圍為從t＝373k至673k。我們可以在管的內(nèi)部和外部上添加輻射系數(shù)為0.02的屏蔽膜(例如，鋁膜)，以減少熱輻射損失。使用在這些條件下獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們將其帶入公式8獲得如下λs的參數(shù)c和β：c＝1.8x10^-6，β＝5x10^-11。因此，對(duì)于λs我們有最終的表達(dá)式：

λs＝ρ²(1.8×10^-6+5×10^-11t)(公式13)

應(yīng)當(dāng)注意，雖然在上述條件下獲得公式13中的參數(shù)c和β，對(duì)于通過二氧化硅氣凝膠的固體傳導(dǎo)熱損失，可以忽略溫度相關(guān)系數(shù)β。

綜上，我們使用非均相結(jié)構(gòu)，包括1)薄的且高效的輻射反射屏蔽界面壁和夾層，2)不添加碳或其它添加劑的低密度和半透明氣凝膠絕緣層。非均相結(jié)構(gòu)通過成功減少或消除高導(dǎo)熱但高反射的薄膜材料引起的黑體輻射熱損失，以及通過降低氣凝膠密度來降低固體傳導(dǎo)項(xiàng)來解決上述矛盾。

在一些實(shí)施例中，在絕熱應(yīng)用中使用二氧化硅氣凝膠材料，在給定厚度的二氧化硅氣凝膠絕緣層內(nèi)使用薄的且高反射的金屬膜，以減少黑體輻射熱損失。在一些實(shí)施例中，如圖4所示，應(yīng)用單層、雙層或多層的這種高反射輻射屏蔽膜(圖4中的514和516)，以大大減少黑體輻射熱損失。根據(jù)公式10，使用涂覆在玻璃管或聚酰亞胺表面上的金屬薄膜可以產(chǎn)生高反射屏蔽。它的ε值通常低至0.02，這有效降低了ε0/ε因素對(duì)輻射熱損失的影響，其中ε0是非反射涂層材料的輻射系數(shù)。由于黑體輻射對(duì)熱傳導(dǎo)影響的減少不像傳統(tǒng)方法那樣依賴于總吸收量，因此不需要額外的吸收劑。因此，根據(jù)公式13，應(yīng)使用極低密度的二氧化硅氣凝膠，以確保非常低的總的熱傳導(dǎo)量。生產(chǎn)這種低密度的氣凝膠的益處是在制造過程中顯著降低原材料的成本。由于極低密度的氣凝膠的凝膠形成時(shí)間延長(zhǎng)，最佳的二氧化硅氣凝膠密度應(yīng)在0.5-1％的范圍內(nèi)，較優(yōu)選的范圍應(yīng)為0.1-5％。

黑體輻射很大程度上取決于表面(例如系統(tǒng)中的反射金屬膜)的溫度。由于存在固體傳導(dǎo)，當(dāng)反射膜設(shè)置在不同位置時(shí)，其具有不同的溫度，因此導(dǎo)致不同的能量傳遞通量?？紤]輻射與加上傳導(dǎo)，首先添加一個(gè)屏蔽(n＝1)到系統(tǒng)，作為示例，以分析屏蔽的位置。對(duì)于熱穩(wěn)態(tài)，能量在屏蔽處是守恒的，這意味著傳遞到屏蔽中的能量等同于從屏蔽輸出的能量，如下式所示，

使用該方程，可以確定不同數(shù)目的輻射屏蔽的最佳位置。例如，顯然地，對(duì)于不同的屏蔽位置r2的值，其溫度t2將根據(jù)上述公式改變，這導(dǎo)致不同的熱通量。對(duì)應(yīng)于熱通量ф的最小值的r2是我們的目標(biāo)。對(duì)于r1＝14mm，t1＝673k,r3＝29mm，t3＝298k，λs＝1.5mw，ε＝0.02的系統(tǒng)，通過迭代法，屏蔽的最佳位置r2確定為18mm。結(jié)果表明，屏蔽應(yīng)安裝在內(nèi)壁附近，而不是外壁附近，但屏蔽和內(nèi)壁之間也應(yīng)有一些間隙。對(duì)于多層屏蔽，可以通過相同的迭代法確定位置。

由于在屏蔽膜和真空管的內(nèi)壁或外壁之間應(yīng)當(dāng)存在一些間隙，屏蔽膜的數(shù)量和位置應(yīng)當(dāng)不同。在一些實(shí)施例中，對(duì)于有相對(duì)薄的(0.5-3mm)二氧化硅氣凝膠的真空封裝管，屏蔽膜僅涂覆在管的內(nèi)表面和外表面上，而不是被設(shè)置于真空?qǐng)A柱管中。

圖7繪制了對(duì)于位于真空封裝管中的不同厚度的二氧化硅氣凝膠，熱輻射系數(shù)隨溫度的變化。在一些實(shí)施例中，如圖7所示，厚度為1mm、3mm和5mm的二氧化硅氣凝膠的熱輻射系數(shù)由直線、虛線和點(diǎn)線描述。熱輻射系數(shù)隨著二氧化硅氣凝膠的厚度而減小，這闡明了薄的二氧化硅氣凝膠(薄至1mm)作為良好的熱絕緣體的優(yōu)點(diǎn)，并且為厚的二氧化硅氣凝膠中的屏蔽膜的位置提供了證據(jù)。

對(duì)于具有相對(duì)較厚的二氧化硅氣凝膠的真空封裝管，一些屏蔽膜應(yīng)插入二氧化硅氣凝膠中。圖8繪制了在不同數(shù)量的屏蔽下，熱輻射系數(shù)隨溫度的變化。在一些實(shí)施例中，未設(shè)屏蔽的、在內(nèi)管表面上涂覆一層屏蔽的、以及在內(nèi)壁和外壁之間設(shè)置一層和兩層屏蔽的，熱輻射系數(shù)由直線、虛線、點(diǎn)線和點(diǎn)化線描述。在一些實(shí)施例中，從如上所述的ri＝14mm，ro＝29mm，ε＝0.02的系統(tǒng)獲得結(jié)果。

在一些實(shí)施例中，應(yīng)用如上所述設(shè)有高反射膜的氧化硅氣凝膠的真空封裝以進(jìn)一步減少公式1中的第一項(xiàng)的影響，因?yàn)楝F(xiàn)在第二項(xiàng)和第三項(xiàng)被降低至非常低的水平。在這些情況下，僅需要低真空即將第一項(xiàng)的影響降至非顯著水平。由于上述實(shí)施例的結(jié)果，總的熱傳導(dǎo)受固體熱傳導(dǎo)控制，并且受氣凝膠密度下限的限制。

在不同實(shí)施例中，密封封裝結(jié)構(gòu)可以是圓柱形、平板狀或瓦狀。

在一些實(shí)施例中，在乙醇凝膠前體反應(yīng)之前，將乙醇溶膠放入一些密封的封裝袋中用于處理和儲(chǔ)存。這種密封封裝使得二氧化硅氣凝膠適用于各種形狀，降低了污染的可能性，并且防止氣凝膠材料吸收水或其它不需要的氣體，因此，在真空條件下的絕緣應(yīng)用期間，無需進(jìn)一步脫氣使絕緣性能變差。

應(yīng)當(dāng)理解，本文所述的實(shí)施例和實(shí)施方案僅用于說明目的，并建議本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)其進(jìn)行各種修改或改動(dòng)，并且這些修改或改動(dòng)包括在本申請(qǐng)的精神和范圍內(nèi)以及所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。出于所有目的，本文引用的所有出版物，專利和專利申請(qǐng)通過引用整體并入本文。