JP7720089B2 - Aerogel and its manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明はエアロゲル及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to an aerogel and a method for producing the same.
現在、断熱、衝撃吸収又はガス吸着などの目的で汎用されているポリマーフォームは、マイクロメートルを超えるサイズの大きな空孔を有する。このため、断熱性、ガス吸着性及び力学的強度に改善の余地が多い。 Currently, polymer foams widely used for purposes such as thermal insulation, shock absorption, and gas adsorption have large pores exceeding the micrometer size. This leaves much room for improvement in terms of thermal insulation, gas adsorption, and mechanical strength.
これに対し、100ナノメートル程度の空孔を持つエアロゲルは、一般に、断熱性及びガス吸着性に優れる。代表的なエアロゲルとして、シリカゲルよりなるエアロゲルが古くから研究されているが(非特許文献1)、僅かな変形で崩れてしまう脆い物質であり、加えられる応力も著しく小さい。
シリカゲルの原料として、従来用いられてきたテトラメトキシシランやテトラエトキシシランに代わり、メチルトリメトキシシランを用いることで架橋密度を下げ、脆さの改善を目指した研究も報告されているが(非特許文献2)、力学的強度は満足なものではなく、塑性変形を伴わずに圧縮できるのは80%までであり、その際の応力も9 MPa程度である。また、エアロゲルの合成に多数の工程・長時間の加熱・厳密なpH条件制御が必要である。さらに、原料となるテトラメトキシシランやテトラエトキシシランに構造可変部位がないため、目的に応じてネットワークの構造をチューニング(調整・設計)することが難しい。
In contrast, aerogels with pores of about 100 nanometers generally have excellent heat insulating properties and gas adsorption. Aerogels made of silica gel have long been studied as a typical aerogel (Non-Patent Document 1), but they are brittle materials that crumble with even slight deformation and can withstand extremely small stresses.
Research has been reported on the use of methyltrimethoxysilane instead of the conventionally used tetramethoxysilane and tetraethoxysilane as silica gel raw materials, aiming to reduce crosslink density and improve brittleness (Non-Patent Document 2). However, the mechanical strength is unsatisfactory, and the material can only be compressed to 80% without plastic deformation, with a stress of approximately 9 MPa. Furthermore, the synthesis of aerogel requires multiple steps, prolonged heating, and strict pH control. Furthermore, the raw materials tetramethoxysilane and tetraethoxysilane lack structurally variable sites, making it difficult to tune (adjust and design) the network structure to suit specific needs.
また、シリカゲルの代わりに、レゾルシノールとホルムアルデヒドとの架橋重合した後に炭化したエアロゲルを用いることで、脆さの改善を目指した研究も報告されているが(非特許文献3)、力学的強度は満足なものではない。通常の密度のものだと、3%程度の圧縮で亀裂が入り、その際の応力も0.8 MPa程度である。密度を下げることで、50%程度まで圧縮が可能となるが、その際の応力は0.08 MPaと極めて小さくなる。また、エアロゲルの合成に多数の工程・長時間の加熱が必要である。また、レゾルシノールとホルムアルデヒドとを反応させる際のpHや触媒量を変えることで、ネットワークの構造をチューニングできるが、直接的なチューニング法ではない。 In addition, research has been reported that aims to improve brittleness by using aerogels that are carbonized after cross-linking polymerization of resorcinol and formaldehyde instead of silica gel (Non-Patent Document 3), but the mechanical strength is unsatisfactory. Aerogels with normal density crack when compressed by about 3%, with a stress of about 0.8 MPa. By lowering the density, they can be compressed to about 50%, but the stress at that point is extremely small at 0.08 MPa. Furthermore, the synthesis of aerogels requires multiple steps and prolonged heating. The network structure can be tuned by changing the pH or amount of catalyst used when reacting resorcinol and formaldehyde, but this is not a direct tuning method.
したがって、本発明は、力学的強度に優れ、原料価格、工程数、反応時間及び条件制御の面から合成コストを抑えることができ、さらに組成のチューニングが可能なエアロゲル及びその製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention aims to provide an aerogel and a method for producing the same that have excellent mechanical strength, can reduce synthesis costs in terms of raw material prices, number of steps, reaction time, and condition control, and further allows for tuning of the composition.
本発明者らは、上記課題を解決するため鋭意研究した結果、下記のエアロゲルが上述した課題を解決できることを見出し、本発明を完成した。
即ち、本発明は、次の発明を提供するものである。
As a result of intensive research to solve the above problems, the present inventors have found that the following aerogel can solve the above problems, and have completed the present invention.
That is, the present invention provides the following inventions.
<1>
一般式(1)で表される構造単位を有するエアロゲル。
<2>
一般式(1)で表される構造単位を一分子中40個以上有する重合体からなる<1>に記載のエアロゲル。
<3>
100nm以下の細孔を有する<1>又は<2>に記載のエアロゲル。
<4>
一般式(1’)で表される化合物を、重合開始剤の存在下、溶媒中で反応させて一般式(1)で表される構造単位を有するゲルを得る工程 及び
前記ゲルを乾燥する工程
を有する、<1>~<3>のいずれか1項に記載のエアロゲルの製造方法。
<5>
前記ゲルを得る工程の溶媒が、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、メタノール、イソプロピルアルコール及び水から選ばれる少なくとも1種である、<4>に記載のエアロゲルの製造方法。
<1>
An aerogel having a structural unit represented by general formula (1):
<2>
The aerogel according to <1>, which is made of a polymer having 40 or more structural units represented by general formula (1) in one molecule.
<3>
<1> or <2>, wherein the aerogel has pores of 100 nm or less.
<4>
<1> to <3>, the method for producing an aerogel according to any one of the above items <1> to <3>, comprising: a step of reacting a compound represented by general formula (1') in a solvent in the presence of a polymerization initiator to obtain a gel having a structural unit represented by general formula (1); and a step of drying the gel.
<5>
<4> The method for producing an aerogel according to <4>, wherein the solvent used in the step of obtaining the gel is at least one selected from dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, methanol, isopropyl alcohol, and water.
本発明のエアロゲルは、破断することなく95%まで圧縮可能であり、最大応力は138.7 MPaと力学的強度に優れる。また、本発明のエアロゲルは、安価で構造可変部位を有する原料を用いて、室温でのラジカル重合により短時間で合成できるため、合成コストも抑えることができ、エアロゲルのネットワークの構造を目的に応じてチューニングすることもできる。 The aerogel of the present invention can be compressed up to 95% without breaking, and has excellent mechanical strength with a maximum stress of 138.7 MPa. Furthermore, the aerogel of the present invention can be synthesized in a short time by radical polymerization at room temperature using inexpensive raw materials with structurally variable sites, reducing synthesis costs and enabling the aerogel network structure to be tuned according to purpose.
エアロゲル
本発明のエアロゲルは、一般式(1)で表される構造単位を有する。
一般式(1)中、*は結合部位を表す。 In general formula (1), * represents a binding site.
一般式(1)中、R1及びR2は互いに独立に、水素原子又は炭素数1~6のアルキル基を示す。炭素数1~6のアルキル基としては、メチル基、エチル基、n-プロピル基、イソプロピル基、n-ブチル基、イソブチル基、s-ブチル基、t-ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基等が挙げられる。
R1及びR2としては、水素原子又はメチル基が好ましい。
In general formula (1), R1 and R2 each independently represent a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms. Examples of the alkyl group having 1 to 6 carbon atoms include a methyl group, an ethyl group, an n-propyl group, an isopropyl group, an n-butyl group, an isobutyl group, an s-butyl group, a t-butyl group, a pentyl group, and a hexyl group.
R 1 and R 2 are preferably a hydrogen atom or a methyl group.
一般式(1)中、R3は(メタ)アクリロイル基若しくは(メタ)アクリロイルオキシ基を有していてもよく、窒素原子を有していてもよい炭素数1~10のアルキレン基及び(CxH2xO)y(xは1~4の整数であり、yは1~15の整数である)で表されるアルキレンオキシ基から選ばれる2価の基である。
炭素数1~10のアルキレン基としては、直鎖状であっても分岐鎖状であってもよく、具体的に、メチレン基、エチレン基、プロピレン基、トリメチレン基、テトラメチレン基、ペンタメチレン基、ネオペンチレン基、ヘキサメチレン基、ヘプタメチレン基、オクタメチレン基、ノナメチレンキ及びデカメチレン基等が挙げられる。
炭素数1~10のアルキレン基中の一部の水素原子は(メタ)アクリロイル基又は(メタ)アクリロイルオキシ基で置換されていてもよい。また、炭素数1~10のアルキレン基中の一部の炭素原子は窒素原子に置換されていてもよい。該アルキレン基が窒素原子を有する場合、アルキレン基中の1個又は2個の炭素原子が窒素原子で置換されていることが好ましく、更に該窒素原子に結合する水素原子が(メタ)アクリロイル基で置換されていることが好ましい。
(CxH2xO)yで表されるアルキレンオキシ基は、直鎖状であっても分岐鎖状であってもよい。アルキレンオキシ基の括弧で括られる繰り返し単位としては具体的に以下の単位(基)が挙げられる。
CH2O
CH2CH2O
CH2CH2CH2O
C(CH3)HCH2O
CH2C(CH3)HO
CH2CH2CH2CH2O
また、yが2以上である場合、上記繰り返し単位は複数種からなるものであってもよい。
R3としては、メチレン基、ペンタメチレン基、ネオペンチレン基、2-エチル-2-メチル-トリメチレン基、ヘキサメチレン基及びオクタメチレン基並びにこれらの基中の一部の水素原子が(メタ)アクリロイル基若しくは(メタ)アクリロイルオキシ基で置換された基及び/又はこれらの基中の一部の炭素原子が窒素原子で置換された基が好ましい。
R3として、具体的に、下記構造式で示される2価の基が好ましいものとして挙げられる。
The alkylene group having 1 to 10 carbon atoms may be linear or branched, and specific examples thereof include a methylene group, an ethylene group, a propylene group, a trimethylene group, a tetramethylene group, a pentamethylene group, a neopentylene group, a hexamethylene group, a heptamethylene group, an octamethylene group, a nonamethylene group, and a decamethylene group.
Some of the hydrogen atoms in the alkylene group having 1 to 10 carbon atoms may be substituted with (meth)acryloyl groups or (meth)acryloyloxy groups. Furthermore, some of the carbon atoms in the alkylene group having 1 to 10 carbon atoms may be substituted with nitrogen atoms. When the alkylene group has a nitrogen atom, it is preferable that one or two carbon atoms in the alkylene group are substituted with nitrogen atoms, and further it is preferable that a hydrogen atom bonded to the nitrogen atom is substituted with a (meth)acryloyl group.
The alkyleneoxy group represented by (CxH2xO)y may be linear or branched. Specific examples of the repeating unit enclosed in parentheses in the alkyleneoxy group include the following units (groups):
CH2O
CH2CH2O
CH2CH2CH2O
C( CH3 ) HCH2O
CH2C ( CH3 )HO
CH2CH2CH2CH2O
When y is 2 or more, the repeating unit may be composed of a plurality of types.
Preferred examples of R3 include a methylene group, a pentamethylene group, a neopentylene group, a 2-ethyl-2-methyl-trimethylene group, a hexamethylene group, and an octamethylene group, as well as groups in which some of the hydrogen atoms in these groups have been substituted with (meth)acryloyl groups or (meth)acryloyloxy groups and/or groups in which some of the carbon atoms in these groups have been substituted with nitrogen atoms.
Specific examples of R3 that are preferred include divalent groups represented by the following structural formulas:
一般式(1)中、Aは互いに独立に単結合、NH又はOを示す。In general formula (1), A's each independently represent a single bond, NH, or O.
本発明のエアロゲルは、上記一般式(1)で表される構造単位を有するものであり、エアロゲルを形成するためには、一分子中の繰り返し数が40個以上であると推定できるが、エアロゲルにおける重合体の分子量を直接測定することは困難である。したがって、本発明のエアロゲルにおける一般式(1)で表される構造単位数を直接特定することは不可能・非実際的である。
また、本発明のエアロゲルは、一分子中の一般式(1)で表される構造単位が同一の単位の重合体であっても、複数種の単位の重合体であってもよい。
The aerogel of the present invention has a structural unit represented by the general formula (1), and it can be estimated that the number of repeating units in one molecule must be 40 or more to form an aerogel. However, it is difficult to directly measure the molecular weight of the polymer in the aerogel. Therefore, it is impossible or impractical to directly determine the number of structural units represented by the general formula (1) in the aerogel of the present invention.
The aerogel of the present invention may be a polymer in which the structural unit represented by general formula (1) in one molecule is the same unit, or may be a polymer in which a plurality of types of units are present.
製造方法
本発明のエアロゲルは、例えば、下記の2工程を有する方法により、製造することができる。
工程1
一般式(1’)で表される化合物を、重合開始剤の存在下、溶媒中で反応させて一般式(1)で表される構造単位を有するゲルを得る工程
工程2
前記ゲルを乾燥する工程
Production Method The aerogel of the present invention can be produced, for example, by a method having the following two steps.
Process 1
Step 2: A step of reacting a compound represented by general formula (1') in a solvent in the presence of a polymerization initiator to obtain a gel having a structural unit represented by general formula (1).
drying the gel
工程1
本発明の一般式(1)で表される構造単位を有するエアロゲルの構造単位源として以下の一般式(1')で表される化合物(モノマー)を使用する。
Process 1
As a source of the structural units of the aerogel having the structural units represented by the general formula (1) of the present invention, a compound (monomer) represented by the following general formula (1') is used.
一般式(1')中、R1及びR2は互いに独立に、水素原子又は炭素数1~6のアルキル基を示す。
一般式(1’)中、R3は炭素数1~10のアルキレン基及び(CxH2xO)y(xは1~4の整数であり、yは1~15の整数である)で表されるアルキレンオキシ基から選ばれる2価の基を示す。
一般式(1')中、Aは互いに独立に単結合、NH又はOを示す。
In the general formula (1'), R 1 and R 2 each independently represent a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms.
In general formula (1'), R3 represents a divalent group selected from alkylene groups having 1 to 10 carbon atoms and alkyleneoxy groups represented by ( CxH2xO ) y (x is an integer of 1 to 4, and y is an integer of 1 to 15).
In the general formula (1'), A's each independently represent a single bond, NH or O.
一般式(1')のR1、R2及びR3の具体的な基としては、一般式(1)のR1、R2及びR3として例示した基と、それぞれ同様の基が挙げられる。 Specific groups of R 1 , R 2 and R 3 in general formula (1′) include the same groups as those exemplified as R 1 , R 2 and R 3 in general formula (1), respectively.
一般式(1')で表される化合物の具体例としては、
N,N'-メチレンビスアクリルアミド、
N,N'-メチレンビスメタクリルアミド、
N,N'-エチレンビスアクリルアミド、
N,N'-エチレンビスメタクリルアミド、
N,N'-プロピレンビスメタクリルアミド、
N,N'-ブチレンビスメタクリルアミド
等のビスアクリルアミド;
エチレングリコールジアクリラート、
エチレングリコールジメタクリラート、
1,3-プロパンジオールジアクリラート、
1,3-プロパンジオールジメタクリラート、
1,4-ブタンジオールジアクリラート、
1,4-ブタンジオールジメタクリラート、
ネオペンチルグリコールジアクリラート、
ネオペンチルグリコールジメタクリラート、
3-メチル-1,5-ペンタンジオールジアクリラート、
3-メチル-1,5-ペンタンジオールジメタクリラート、
1,6-ヘキサンジオールジアクリラート、
1,6-ヘキサンジオールジメタクリラート、
1,9-ノナンジオールジアクリラート、
1,9-ノナンジオールジメタクリラート、
1,10-デカンジオールジアクリラート、
1,10-デカンジオールジメタクリラート、
ジエチレングリコールジアクリラート、
ジエチレングリコールジメタクリラート、
トリエチレングリコールジアクリラート、
トリエチレングリコールジメタクリラート、
ポリエチレングリコールジアクリラート(エチレングリコールの繰り返し単位数4~15)、
ポリエチレングリコールジメタクリラート(エチレングリコールの繰り返し単位数4~15)、
ポリプロピレングリコールジアクリラート(プロピレングリコールの繰り返し単位数4~15)、
ポリプロピレングリコールジメタクリラート(プロピレングリコールの繰り返し単位数4~15)
等のビス(メタ)クリラート及び下記式で表される多官能アクリルアミド又は(メタ)クリラートが挙げられる。
N,N'-methylenebisacrylamide,
N,N'-methylenebismethacrylamide,
N,N'-ethylenebisacrylamide,
N,N'-ethylenebismethacrylamide,
N,N'-propylene bismethacrylamide,
Bisacrylamides such as N,N'-butylenebismethacrylamide;
ethylene glycol diacrylate,
ethylene glycol dimethacrylate,
1,3-propanediol diacrylate,
1,3-propanediol dimethacrylate,
1,4-butanediol diacrylate,
1,4-butanediol dimethacrylate,
Neopentyl glycol diacrylate,
Neopentyl glycol dimethacrylate,
3-methyl-1,5-pentanediol diacrylate,
3-methyl-1,5-pentanediol dimethacrylate,
1,6-hexanediol diacrylate,
1,6-hexanediol dimethacrylate,
1,9-nonanediol diacrylate,
1,9-nonanediol dimethacrylate,
1,10-decanediol diacrylate,
1,10-decanediol dimethacrylate,
diethylene glycol diacrylate,
diethylene glycol dimethacrylate,
triethylene glycol diacrylate,
triethylene glycol dimethacrylate,
polyethylene glycol diacrylate (number of ethylene glycol repeating units: 4 to 15);
polyethylene glycol dimethacrylate (number of repeating ethylene glycol units: 4 to 15);
Polypropylene glycol diacrylate (number of propylene glycol repeating units: 4 to 15),
Polypropylene glycol dimethacrylate (number of propylene glycol repeating units: 4 to 15)
and polyfunctional acrylamides or (meth)acrylates represented by the following formulas.
一般式(1')で表される化合物の重合反応を促進するために、工程1では重合開始剤を使用する。本発明のエアロゲルの製造に用いられる重合開始剤としては、上記モノマーを重合可能な開始剤であれば特に限定されないが、光重合開始剤が好ましく、2,2-ジエトキシアセトフェノン、2,2-ジメトキシ-2-フェニルアセトフェノン、1-ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、2-ヒドロキシ-2-メチルプロピオフェノン等が挙げられる。 To promote the polymerization reaction of the compound represented by general formula (1'), a polymerization initiator is used in step 1. The polymerization initiator used in the production of the aerogel of the present invention is not particularly limited as long as it is an initiator that can polymerize the above-mentioned monomers, but photopolymerization initiators are preferred, such as 2,2-diethoxyacetophenone, 2,2-dimethoxy-2-phenylacetophenone, 1-hydroxycyclohexyl phenyl ketone, and 2-hydroxy-2-methylpropiophenone.
一般式(1')で表される化合物の重合反応は、一般式(1')で表される化合物を溶解することができ、かつ一般式(1')で表される化合物と反応しない溶媒中で行なわれる。このような溶媒としては、ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、N-メチルピロリドン、及びイソプロピルアルコール等が挙げられる。これらの溶媒は、1種単独で用いてもよく、2種以上の混合溶媒として用いてもよい。溶媒としては、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド及びN-メチルピロリドンが特に好ましい。The polymerization reaction of the compound represented by general formula (1') is carried out in a solvent that can dissolve the compound represented by general formula (1') but does not react with the compound represented by general formula (1'). Examples of such solvents include dimethylformamide (DMF), dimethyl sulfoxide (DMSO), N-methylpyrrolidone, and isopropyl alcohol. These solvents may be used alone or as a mixture of two or more. Dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, and N-methylpyrrolidone are particularly preferred solvents.
また、本発明の効果を損なわない範囲で、エアロゲルの機械的強度を向上したり、機能性を付与したりするために、工程1の反応系に添加剤を添加してもよい。添加剤としては、金属、金属酸化物、金属水酸化物及び合金等のナノ粒子、ナノロッド又はナノシート;各種ナノファイバー;カーボンナノドット、カーボンナノチューブ、グラフェン及び酸化グラフェン等のナノカーボン材料が挙げられる。 Additives may be added to the reaction system in Step 1 to improve the mechanical strength of the aerogel or to impart functionality, provided that the effects of the present invention are not impaired. Examples of additives include nanoparticles, nanorods, or nanosheets of metals, metal oxides, metal hydroxides, alloys, etc.; various nanofibers; and nanocarbon materials such as carbon nanodots, carbon nanotubes, graphene, and graphene oxide.
工程1の反応系における一般式(1')で表される化合物濃度が40 mg/mL以下だと、重合体が柔らかすぎてエアロゲルにならないため、該濃度は40 mg/mL超とすることが好ましい。また、該濃度が120 mg/mL以上だと、重合体が樹脂のように固くなりエアロゲルとなり難くなるため、該濃度は120 mg/mL未満とすることが好ましい。
また、反応系における重合開始剤の量は、一般式(1')で表される化合物の量及び重合開始剤の種類等により、適宜決定される。例えば、反応系における一般式(1')で表される化合物濃度が60 mg/mLである場合、重合開始剤の濃度は1~5 mg/mL、特には2 mg/mLとすることが好ましい。
If the concentration of the compound represented by general formula (1') in the reaction system in step 1 is 40 mg/mL or less, the polymer will be too soft to form an aerogel, so the concentration is preferably more than 40 mg/mL. On the other hand, if the concentration is 120 mg/mL or more, the polymer will become hard like a resin and will not easily form an aerogel, so the concentration is preferably less than 120 mg/mL.
The amount of the polymerization initiator in the reaction system is appropriately determined depending on the amount of the compound represented by general formula (1') and the type of polymerization initiator, etc. For example, when the concentration of the compound represented by general formula (1') in the reaction system is 60 mg/mL, the concentration of the polymerization initiator is preferably 1 to 5 mg/mL, particularly 2 mg/mL.
また、一般式(1')で表される化合物の重合反応の反応条件としては、ゲル得ることができる限り、特に限定されず、反応温度、反応時間等は従来のゲルと同様の範囲とすることができる。
また、該重合反応は、窒素又はアルゴン等の不活性ガス雰囲気下で行なうことが好ましい。
Furthermore, the reaction conditions for the polymerization reaction of the compound represented by general formula (1') are not particularly limited as long as a gel can be obtained, and the reaction temperature, reaction time, etc. can be in the same range as for conventional gels.
The polymerization reaction is preferably carried out in an atmosphere of an inert gas such as nitrogen or argon.
上述した反応により、反応溶媒が分散媒であるゲル(ヒドロゲル又はオルガノゲル)を得る。また、工程2の前に、必要に応じて、工程1で得られたゲルの分散媒の溶媒置換を行なってもよい。溶媒置換を行なうことで、次の工程2で行なう乾燥が容易になる場合がある。溶媒置換を行なう場合、置換する溶媒は、例えば、エタノール、メタノール、2-プロパノール等が挙げられる。溶媒置換の方法としては、置換溶媒に一定時間浸漬する工程を1回又は繰り返し数回行なう方法が挙げられる。 The above reaction produces a gel (hydrogel or organogel) in which the reaction solvent is the dispersion medium. Furthermore, before step 2, if necessary, solvent substitution of the dispersion medium of the gel obtained in step 1 may be carried out. Solvent substitution may facilitate the drying process in the next step 2. When solvent substitution is carried out, examples of the solvent used include ethanol, methanol, and 2-propanol. Solvent substitution methods include immersing the sample in the substitution solvent for a certain period of time, either once or repeatedly several times.
工程2
工程1で得られたゲルを乾燥することでエアロゲルを得る。乾燥方法としては、エアロゲルの乾燥方法として公知の方法を用いることができる。例えば、常圧乾燥法、超臨界乾燥法、凍結乾燥法等が挙げられるが、ゲル骨格の破壊・収縮が起こらないため超臨界乾燥法が好ましい。
工程1で得られたゲルを超臨界乾燥法により乾燥する場合、ゲルの分散媒の臨界点以上の温度及び圧力にて分散媒を除去する。超臨界乾燥法の場合、前述した溶媒置換を行なうことにより、ゲルの分散媒は、工程1の反応溶媒から、エタノールに置換し、さらに液化二酸化炭素に置換することが好ましい。
Process 2
The gel obtained in step 1 is dried to obtain an aerogel. As the drying method, any known method for drying an aerogel can be used. Examples include atmospheric drying, supercritical drying, and freeze drying. However, supercritical drying is preferred because it does not cause destruction or shrinkage of the gel skeleton.
When the gel obtained in step 1 is dried by supercritical drying, the dispersion medium of the gel is removed at a temperature and pressure equal to or higher than the critical point of the dispersion medium of the gel. In the case of supercritical drying, it is preferable to perform the solvent substitution described above, whereby the dispersion medium of the gel is substituted from the reaction solvent of step 1 with ethanol, and further with liquefied carbon dioxide.
本発明のエアロゲルは、1nm以上100nm以下の細孔を有する。細孔の大きさは、エアロゲルを走査型電子顕微鏡にて測定した値である。 The aerogel of the present invention has pores of 1 nm or more and 100 nm or less. The pore size is measured by scanning electron microscopy of the aerogel.
また、本発明のエアロゲルの密度は、用途に応じて変更することができ、例えば0.1~0.2g/cm3の範囲とすることができる。 The density of the aerogel of the present invention can be changed depending on the application, and can be set in the range of, for example, 0.1 to 0.2 g/cm 3 .
エアロゲルの用途
本発明のエアロゲルは、断熱材料、衝撃吸収材料又はガス吸着材料として、建築材料、ヘルメット素材、毛布、宇宙服を含む宇宙材料等への応用が期待される。
Applications of the Aerogel The aerogel of the present invention is expected to be used as a heat insulating material, shock absorbing material or gas adsorbing material, and also as a construction material, helmet material, blanket, space material including spacesuit, and the like.
実施例1
[二官能モノマーからのエアロゲルの作製]
3.0 mLのN,N-ジメチルホルムアミドに、180 mgのN,N'-メチレンビスアクリルアミド及び2.0 μLの2,2-ジエトキシアセトフェノンを溶解し、窒素バブリングした後、直径10 mmの円筒形透明ポリエチレン容器に封入した。この容器を室温にて500 Wの高圧水銀灯で30分間照射することにより、前駆体のゲルを得た。
このゲル(3.0 cm3)を、エタノール(100 mL)に室温にて6時間浸漬し、エタノールを同量の純粋なものに交換した後にゲルを再度浸漬する操作を3回行うことで、ゲル内部の分散媒をエタノールに置換した。ついで、このゲルを超臨界二酸化炭素乾燥機に導入し、ゲル内部のエタノールを液体二酸化炭素(16 °C、5 気圧)で6時間かけて置換した後、超臨界状態(40 °C、10 気圧)にて1時間静置した。その後、1時間かけて減圧することにより、エアロゲルA1を得た。
また、N,N'-メチレンビスアクリルアミドの量を240 mgとした以外は、上記エアロゲルA1の作製と同様にして、エアロゲルA2を得た。
[Preparation of aerogel from bifunctional monomers]
180 mg of N,N'-methylenebisacrylamide and 2.0 μL of 2,2-diethoxyacetophenone were dissolved in 3.0 mL of N,N-dimethylformamide, and the solution was bubbled with nitrogen and then sealed in a cylindrical transparent polyethylene container with a diameter of 10 mm. The container was irradiated with a 500 W high-pressure mercury lamp at room temperature for 30 minutes to obtain a precursor gel.
This gel (3.0 cm3 ) was immersed in ethanol (100 mL) at room temperature for 6 hours, and then the ethanol was replaced with the same amount of pure ethanol. This process was repeated three times to replace the dispersion medium inside the gel with ethanol. The gel was then placed in a supercritical carbon dioxide dryer, and the ethanol inside the gel was replaced with liquid carbon dioxide (16 °C, 5 atm) for 6 hours. The gel was then left to stand in a supercritical state (40 °C, 10 atm) for 1 hour. The pressure was then reduced for 1 hour to obtain aerogel A1.
Aerogel A2 was also obtained in the same manner as in the preparation of Aerogel A1, except that the amount of N,N'-methylenebisacrylamide was changed to 240 mg.
実施例2
[三官能モノマーからのエアロゲルの作製]
3.0 mLのN,N-ジメチルホルムアミドに、180 mgのN,N',N''-トリアクリロイルジエチレントリアミン及び2.0 μLの2,2-ジエトキシアセトフェノンを溶解し、窒素バブリングした後、直径10 mmの円筒形透明ポリエチレン容器に封入した。この容器を室温にて500 Wの高圧水銀灯で30分間照射することにより、前駆体のゲルを得た。
このゲル(3.0 cm3)を、エタノール(100 mL)に室温にて6時間浸漬し、エタノールを同量の純粋なものに交換した後にゲルを再度浸漬する操作を3回行うことで、ゲル内部の分散媒をエタノールに置換した。ついで、このゲルを超臨界二酸化炭素乾燥機に導入し、ゲル内部のエタノールを液体二酸化炭素(16 °C、5 気圧)で6時間かけて置換した後、超臨界状態(40 °C、10 気圧)にて1時間静置した。その後、1時間かけて減圧することにより、エアロゲルB1を得た。
また、N,N',N''-トリアクリロイルジエチレントリアミンの量を240 mgとした以外は、上記エアロゲルB1の作製と同様にして、エアロゲルB2を得た。
[Preparation of aerogel from trifunctional monomers]
180 mg of N,N',N''-triacryloyldiethylenetriamine and 2.0 μL of 2,2-diethoxyacetophenone were dissolved in 3.0 mL of N,N-dimethylformamide, and after bubbling with nitrogen, the solution was placed in a cylindrical transparent polyethylene container with a diameter of 10 mm. The container was irradiated with a 500 W high-pressure mercury lamp at room temperature for 30 minutes to obtain a precursor gel.
This gel (3.0 cm3 ) was immersed in ethanol (100 mL) at room temperature for 6 hours, and then the ethanol was replaced with the same amount of pure ethanol. This process was repeated three times to replace the dispersion medium inside the gel with ethanol. The gel was then placed in a supercritical carbon dioxide dryer, and the ethanol inside the gel was replaced with liquid carbon dioxide (16 °C, 5 atm) for 6 hours. The gel was then left to stand in a supercritical state (40 °C, 10 atm) for 1 hour. The pressure was then reduced for 1 hour to obtain aerogel B1.
Aerogel B2 was also obtained in the same manner as in the preparation of aerogel B1, except that the amount of N,N',N''-triacryloyldiethylenetriamine was changed to 240 mg.
実施例3
[四官能モノマーからのエアロゲルの作製]
3.0 mLのN,N-ジメチルホルムアミドに、180 mgのN,N',N'',N'''-テトラアクリロイルトリエチレンテトラミン及び2.0 μLの2,2-ジエトキシアセトフェノンを溶解し、窒素バブリングした後、直径10 mmの円筒形透明ポリエチレン容器に封入した。この容器を室温にて500 Wの高圧水銀灯で30分間照射することにより、前駆体のゲルを得た。
このゲル(3.0 cm3)を、エタノール(100 mL)に室温にて6時間浸漬し、エタノールを同量の純粋なものに交換した後にゲルを再度浸漬する操作を3回行うことで、ゲル内部の分散媒をエタノールに置換した。ついで、このゲルを超臨界二酸化炭素乾燥機に導入し、ゲル内部のエタノールを液体二酸化炭素(16 °C、5 気圧)で6時間かけて置換した後、超臨界状態(40 °C、10 気圧)にて1時間静置した。その後、1時間かけて減圧することにより、エアロゲルC1を得た。
また、N,N',N'',N'''-テトラアクリロイルトリエチレンテトラミンの量を240 mgとした以外は、上記エアロゲルC1の作製と同様にして、エアロゲルC2を得た。
[Preparation of aerogel from tetrafunctional monomers]
180 mg of N,N',N'',N'''-tetraacryloyltriethylenetetramine and 2.0 μL of 2,2-diethoxyacetophenone were dissolved in 3.0 mL of N,N-dimethylformamide, and after bubbling with nitrogen, the solution was placed in a cylindrical transparent polyethylene container with a diameter of 10 mm. The container was irradiated with a 500 W high-pressure mercury lamp at room temperature for 30 minutes to obtain a precursor gel.
This gel (3.0 cm3 ) was immersed in ethanol (100 mL) at room temperature for 6 hours, and then the ethanol was replaced with the same amount of pure ethanol. This process was repeated three times to replace the dispersion medium inside the gel with ethanol. The gel was then placed in a supercritical carbon dioxide dryer, and the ethanol inside the gel was replaced with liquid carbon dioxide (16 °C, 5 atm) for 6 hours. The gel was then left to stand in a supercritical state (40 °C, 10 atm) for 1 hour. The pressure was then reduced for 1 hour to obtain aerogel C1.
Aerogel C2 was also obtained in the same manner as in the preparation of aerogel C1, except that the amount of N,N',N'',N'''-tetraacryloyltriethylenetetramine was changed to 240 mg.
[エアロゲルの物性評価]
得られたエアロゲルに対して、以下の物性評価を行なった。
[Evaluation of aerogel properties]
The obtained aerogel was evaluated for the following physical properties.
密度
エアロゲルの密度測定は、寸法測定および重量測定により行なった。結果を表1に示す。
走査型電子顕微鏡(SEM)
エアロゲルA1の任意の断面を走査型電子顕微鏡により観察した。
測定対象のサンプルの作製方法:カミソリにより薄片化し、白金を真空蒸着した。
測定装置:日立ハイテクノロジーズ社製SU8010
測定条件:真空、室温
結果を図1に示す。N,N'-メチレンビスアクリルアミドの重合体による3次元網状のネットワーク及び数十~百nmほど細孔を確認できた。
Scanning electron microscope (SEM)
An arbitrary cross section of the aerogel A1 was observed with a scanning electron microscope.
Method for preparing the sample to be measured: The sample was cut into thin slices using a razor, and platinum was vacuum-deposited on the slices.
Measuring device: Hitachi High-Technologies Corporation SU8010
Measurement conditions: vacuum, room temperature. The results are shown in Figure 1. A three-dimensional network of N,N'-methylenebisacrylamide polymers and pores of several tens to several hundred nanometers were confirmed.
力学特性評価
エアロゲルの力学強度を圧縮試験により評価した。
測定対象のサンプルの作製方法:カミソリで切断し、一辺が10 mmの立方体に加工した。
測定装置:島津社製AGS-10kNS精密万能試験機
測定条件:室温、圧縮速度10 mm min-1
結果を図2に示す。いずれのエアロゲルも優れた力学的強度を示し、実施例1のエアロゲルA1は、ひずみ0~10%の範囲から算出した圧縮弾性率が2.12 MPaであり、破断することなく95%まで圧縮が可能であり、その際の応力が130 MPa以上であった。
Mechanical property evaluation The mechanical strength of the aerogel was evaluated by a compression test.
Method for preparing the sample to be measured: Cut with a razor and process into a cube with a side length of 10 mm.
Measurement equipment: Shimadzu AGS-10kNS precision universal testing machine Measurement conditions: Room temperature, compression speed 10 mm min -1
The results are shown in Figure 2. All aerogels exhibited excellent mechanical strength, and aerogel A1 of Example 1 had a compressive modulus of 2.12 MPa calculated from a strain range of 0 to 10%, and could be compressed up to 95% without fracture, with a stress of 130 MPa or more.
本発明のエアロゲルは、断熱材料、衝撃吸収材料又はガス吸着材料として、建築材料、ヘルメット素材、毛布、宇宙服を含む宇宙材料等への応用が期待される。 The aerogel of the present invention is expected to be used as an insulating material, shock absorbing material, or gas adsorption material in construction materials, helmet materials, blankets, space materials including space suits, and more.
Claims (2)
前記ゲルを乾燥する工程
を有する、エアロゲルの製造方法であって、該エアロゲルが、
細孔が1~100nmの範囲であり、
且つ
密度が0.1~0.31g/cm 3 及び破断することなく95%まで圧縮可能の少なくとも一方を満足するもの
である、エアロゲルの製造方法。
The pores are in the range of 1 to 100 nm,
and
A material that satisfies at least one of the following requirements: density of 0.1 to 0.31 g/cm3 and compressibility up to 95% without breaking
A method for producing an aerogel .
2. The method for producing an aerogel according to claim 1 , wherein the solvent used in the step of obtaining the gel is at least one selected from the group consisting of dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, methanol, isopropyl alcohol, and water.
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| WO2021132296A1 (en) | 2021-07-01 |
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