气凝胶
本申请是申请日为2015年2月25日，申请号为201580010058.7，发明名称为《气凝胶》的中国专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及绝热性和生产性优异的气凝胶。
背景技术
作为热导率小且具有绝热性的材料，已知二氧化硅气凝胶。二氧化硅气凝胶作为具有优异的功能性(绝热性等)、特异的光学特性、特异的电气特性等的功能材料是有用的，例如，被用于利用了二氧化硅气凝胶的超低介电常数特性的电子基板材料、利用了二氧化硅气凝胶的高绝热性的绝热材料、利用了二氧化硅气凝胶的超低折射率的光反射材料等。
作为制造这样的二氧化硅气凝胶的方法，已知将由烷氧基硅烷水解、聚合而得的凝胶状化合物(醇凝胶)在分散介质的超临界条件下干燥的超临界干燥法(参照例如专利文献1)。超临界干燥法是如下方法：将醇凝胶和分散介质(干燥所使用的溶剂)导入高压容器中，对分散介质施加大于或等于其临界点的温度和压力使其为超临界流体，从而除去醇凝胶所包含的溶剂。然而，超临界干燥法需要高压工艺，因此需要对能够耐受超临界的特殊装置等的设备投资，而且需要大量劳力和时间。
因此，提出了使用不需要高压工艺的通用方法对醇凝胶进行干燥的方法。作为这样的方法，例如已知如下方法：作为凝胶原料，将单烷基三烷氧基硅烷与四烷氧基硅烷以特定比率并用，从而使所得的醇凝胶的强度提高，以常压进行干燥(参照例如专利文献2)。然而，在采用这样的常压干燥的情况下，由于醇凝胶内部的毛细管力所引起的应力，从而有凝胶收缩的倾向。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利第4402927号
专利文献2：日本特开2011-93744号公报
发明内容
发明所要解决的课题
这样，虽然针对以往的制造工艺所存在的问题进行了从各种观点考虑的研究，但即使采用了上述任一工艺，所得的气凝胶也操作性差，大型化困难，因此生产性存在课题。例如，通过上述工艺而获得的块状的气凝胶，有时仅仅在用手接触而想要拿起时就会破损。推测这是因为，气凝胶的密度低，并且气凝胶具有10nm左右的微粒仅弱连接的细孔结构。
作为改善以往的气凝胶所具有的这样的问题的方法，考虑了通过将凝胶的细孔径增大至微米尺度程度而对凝胶赋予柔软性的方法。然而，那样操作而获得的气凝胶存在热导率大幅度增大这样的问题，会失去气凝胶优异的绝热性。
本发明是鉴于上述情况而作出的，其目的是提供绝热性和生产性优异的气凝胶。
用于解决课题的方法
本发明人为了实现上述目的而反复进行了深入研究，结果发现，如果是具有特定范围的热导率和特定范围的压缩弹性模量的气凝胶，则能够表现优异的绝热性，并且操作性提高，也能够实现大型化，因此能够提高生产性，从而完成了本发明。
本发明提供一种气凝胶，其在大气压下、25℃时的热导率小于或等于0.03W/m·K并且压缩弹性模量小于或等于2MPa。即，本发明的气凝胶与通过现有技术而获得的气凝胶不同，具有特定范围的热导率和特定范围的压缩弹性模量，因此绝热性和生产性优异。由此，能够表现优异的绝热性，并且气凝胶的操作性提高，也能够实现大型化，因此能够提高生产性。
关于本发明的气凝胶，可以使变形恢复率大于或等于90％。这样的气凝胶可具有更优异的柔软性。
关于本发明的气凝胶，可以使最大压缩变形率大于或等于80％。这样的气凝胶可具有进一步优异的柔软性。
本发明提供一种气凝胶，在使用DD/MAS法测得的固体29Si-NMR光谱中，在如下规定含硅键单元Q、T和D时，来源于Q和T的信号面积与来源于D的信号面积之比Q+T:D为1:0.01～1:0.5。其中，以下，有机基团是与硅原子结合的原子为碳原子的一价有机基团。
Q：与一个硅原子结合的氧原子为四个的含硅键单元。
T：与一个硅原子结合的氧原子为三个且氢原子或一价有机基团为一个的含硅键单元。
D：与一个硅原子结合的氧原子为两个且氢原子或一价有机基团为两个的含硅键单元。
本发明提供具有下述通式(1)所示的结构的气凝胶。这样的气凝胶的绝热性和生产性优异。通过将下述通式(1)所示的结构导入气凝胶的骨架中，易于控制为特定范围的热导率和特定范围的压缩弹性模量。
[化1]
式(1)中，R1和R2各自独立地表示烷基或芳基，R3和R4各自独立地表示亚烷基。
本发明提供一种气凝胶，其具有具备支柱部和桥接部的梯型结构，上述桥接部由下述通式(2)表示。这样的气凝胶维持气凝胶本身的绝热性，同时具有起因于梯型结构的优异的柔软性。通过将这样的结构导入气凝胶的骨架中，易于控制为特定范围的热导率和特定范围的压缩弹性模量。
[化2]
式(2)中，R6和R7各自独立地表示烷基或芳基，b表示1～50的整数。
另外，作为具有梯型结构的气凝胶，可举出具有下述通式(3)所示的结构的气凝胶。由此，能够实现更优异的绝热性和柔软性。
[化3]
式(3)中，R5、R6、R7和R8各自独立地表示烷基或芳基，a和c各自独立地表示1～3000的整数，b表示1～50的整数。
此外，本发明还提供一种气凝胶，其是将湿润凝胶干燥而成的，该湿润凝胶由溶胶生成，该溶胶含有选自由分子内具有反应性基的聚硅氧烷化合物和该聚硅氧烷化合物的水解产物组成的组中的至少一种。这样操作而获得的气凝胶的绝热性和生产性优异。此外，通过这样操作而获得气凝胶，易于控制为特定范围的热导率和特定范围的压缩弹性模量。
另外，上述气凝胶可以为将湿润凝胶干燥而成的，该湿润凝胶由溶胶生成，该溶胶含有选自由分子内具有反应性基的聚硅氧烷化合物和该聚硅氧烷化合物的水解产物组成的组中的至少一种。
此时，作为上述反应性基，可举出羟基烷基，此外，该羟基烷基的碳原子数可以设为1～6。由此，形成具有更优异的绝热性和柔软性的气凝胶。
另外，在反应性基为羟基烷基的情况下，作为上述聚硅氧烷化合物，可举出下述通式(4)所示的化合物。由此，能够实现更优异的绝热性和柔软性。
[化4]
式(4)中，R9表示羟基烷基，R10表示亚烷基，R11和R12各自独立地表示烷基或芳基，n表示1～50的整数。
此外，在本发明中，还可举出烷氧基作为上述反应性基，此外该烷氧基的碳原子数可以设为1～6。由此，形成具有更优异的绝热性和柔软性的气凝胶。
另外，在反应性基为烷氧基的情况下，作为上述聚硅氧烷化合物，可举出下述通式(5)所示的化合物。由此，能够实现更优异的绝热性和柔软性。
[化5]
式(5)中，R14表示烷基或烷氧基，R15和R16各自独立地表示烷氧基，R17和R18各自独立地表示烷基或芳基，m表示1～50的整数。
在本发明中，上述溶胶可以进一步含有选自由分子内具有水解性的官能团的硅化合物和该硅化合物的水解产物组成的组中的至少一种。由此，能够实现进一步优异的绝热性和生产性。
此外，上述干燥可以在低于干燥所使用的溶剂的临界点的温度和大气压下进行，可以为超临界干燥。由此，进一步易于获得绝热性和生产性优异的气凝胶。
发明的效果
根据本发明，能够提供绝热性和生产性优异的气凝胶。即，通过具有特定范围的热导率和特定范围的压缩弹性模量的气凝胶，可表现优异的绝热性，并且操作性提高，也能够实现大型化，能够提高生产性。具有上述所规定那样的特定范围的热导率和特定范围的压缩弹性模量的气凝胶迄今为止完全没有报告，本发明具有可有效地应用于各种用途的可能性。
附图说明
图1是使用稳态法热导率测定装置，在大气压下测定本实施方式的气凝胶的热导率时的测定图。
图2是测定压缩弹性模量为0.20MPa的本发明的气凝胶时的应力-应变曲线。
图3是显示使用DD/MAS法测得的、甲基丙烯酸3-(三甲氧基甲硅烷基)丙酯表面处理二氧化硅的固体29Si-NMR光谱的图。
图4是显示使用DD/MAS法测得的硅橡胶的固体29Si-NMR光谱的图。
具体实施方式
以下，根据情况参照附图对本发明的优选实施方式进行详细说明。但本发明不限定于以下的实施方式。
＜气凝胶＞
狭义上，将对湿润凝胶使用超临界干燥法而获得的干燥凝胶称为气凝胶，将通过大气压下的干燥而获得的干燥凝胶称为干凝胶，将通过冻干而获得的干燥凝胶称为冻凝胶(Cryogel)，但在本实施方式中，无论湿润凝胶的这些干燥方法如何，都将所得的低密度的干燥凝胶称为气凝胶。即，在本实施方式中所谓气凝胶，是指广义的气凝胶、即“Gelcomprised of a microporous solid in which the dispersed phase is a gas(由分散相为气体的微多孔性固体构成的凝胶)”。一般而言，气凝胶的内部形成网状的微细结构，具有2～20nm程度的气凝胶粒子结合而得的簇结构。在由该簇形成的骨架间具有不满100nm的细孔，立体地形成微细的多孔性结构。另外，本实施方式中的气凝胶是以二氧化硅作为主成分的二氧化硅气凝胶。作为二氧化硅气凝胶，可举出导入了甲基等有机基团或有机链的、所谓的有机-无机复合化而成的二氧化硅气凝胶。本实施方式的气凝胶，如以下说明的那样绝热性和生产性(柔软性)优异。
[热导率]
本实施方式的气凝胶在大气压下、25℃时的热导率小于或等于0.03W/m·K。热导率进一步可以小于或等于0.025W/m·K，可以小于或等于0.02W/m·K。通过使热导率小于或等于0.03W/m·K，能够获得作为高性能绝热材的聚氨酯泡沫以上的绝热性。另外，热导率的下限值没有特别限定，可以为例如0.01W/m·K。
热导率可以通过稳态法来测定。具体而言，例如，可以使用稳态法热导率测定装置“HFM436Lambda”(NETZSCH公司制，制品名，HFM436Lambda为注册商标)来测定。图1是表示使用该稳态法热导率测定装置，在大气压下测定后述的本实施例10的气凝胶的热导率时的测定图的图。根据图1可知，实际上测得的本实施例涉及的气凝胶在25℃时具有0.020W/m·K的热导率。
使用了稳态法热导率测定装置的热导率的测定方法的概要如下所述。
(测定样品的准备)
使用刃角约20～25度的刃，将气凝胶加工成150×150×100mm3的尺寸，作为测定样品。另外，HFM436Lambda中的推荐样品尺寸为300×300×100mm3，但已经确认以上述样品尺寸测定时的热导率与以推荐样品尺寸测定时的热导率为同等程度的值。接下来，为了确保面的平行，根据需要用#1500以上的砂纸对测定样品进行整形。然后，在热导率测定前，使用恒温干燥机“DVS402”(Yamato科学株式会社制，制品名)，在大气压下于100℃将测定样品干燥30分钟。接着将测定样品移到干燥器中，冷却直到25℃。由此，获得热导率测定用的测定样品。
(测定方法)
测定条件设为大气压下、平均温度25℃。将如上所述获得的测定样品以0.3MPa的荷重夹入上部加热器和下部加热器之间，使温度差ΔT为20℃，一边通过保护加热器以形成一维热流的方式进行调整，一边对测定样品的上表面温度、下表面温度等进行测定。然后，由下式求出测定样品的热阻RS。
RS＝N((TU-TL)/Q)-RO
式中，TU表示测定样品上表面温度，TL表示测定样品下表面温度，RO表示上下界面的接触热阻，Q表示热流计输出。另外，N为比例系数，使用校正试样预先求出。
由所得的热阻RS，通过下式求出测定样品的热导率λ。
λ＝d/RS
式中，d表示测定样品的厚度。
[压缩弹性模量]
本实施方式的气凝胶在25℃时的压缩弹性模量小于或等于2MPa。压缩弹性模量进一步可以小于或等于1MPa，可以小于或等于0.5MPa。通过使压缩弹性模量小于或等于2MPa，能够形成操作性优异的气凝胶。另外，压缩弹性模量的下限值没有特别限定，可以为例如0.05MPa。
[变形恢复率]
关于本实施方式的气凝胶，可以使25℃时的变形恢复率大于或等于90％。变形恢复率进一步可以大于或等于94％，可以大于或等于98％。通过使变形恢复率大于或等于90％，更易于获得优异的强度、对变形的优异的柔软性等。另外，变形恢复率的上限值没有特别限定，可以为例如100％，进一步可以为99％。
[最大压缩变形率]
关于本实施方式的气凝胶，可以使25℃时的最大压缩变形率大于或等于80％。最大压缩变形率进一步可以大于或等于83％，可以大于或等于86％。通过使最大压缩变形率大于或等于80％，更易于获得优异的强度、对变形的优异的柔软性等。另外，最大压缩变形率的上限值没有特别限定，可以为例如90％。
这些压缩弹性模量、变形恢复率和最大压缩变形率可以使用小型台式试验机“EZTest”(株式会社岛津制作所制，制品名)来测定。使用了小型台式试验机的压缩弹性模量等的测定方法的概要如下所述。
(测定样品的准备)
使用刃角约20～25度的刃，将气凝胶加工成7.0mm见方的立方体(骰子状)，作为测定样品。接下来，为了确保面的平行，根据需要用#1500以上的砂纸对测定样品进行整形。然后，在测定前，使用恒温干燥机“DVS402”(Yamato科学株式会社制，制品名)，在大气压下、100℃下将测定样品干燥30分钟。接着将测定样品移至干燥器中，冷却直到25℃。由此，获得压缩弹性模量、变形恢复率和最大压缩变形率测定用的测定样品。
(测定方法)
使用500N的负载传感器。此外，使用不锈钢制的上压盘(φ20mm)、下压盘(φ118mm)作为压缩测定用夹具。将测定样品放置于这些夹具之间，以1mm/min的速度进行压缩，测定25℃时的测定样品尺寸的位移等。测定在施加了超过500N的负荷的时刻或测定样品遭到了破坏的时刻设为结束。这里，压缩应变ε可以由下式求出。
ε＝Δd/d1
式中，Δd表示负荷导致的测定样品的厚度的变化(mm)，d1表示施加负荷前的测定样品的厚度(mm)。
此外，压缩应力σ(MPa)可以由下式求出。
σ＝F/A
式中，F表示压缩力(N)，A表示施加负荷前的测定样品的截面积(mm2)。
图2是表示后述的本实施例1的气凝胶的压缩应力-压缩应变曲线的图。另外，压缩弹性模量E(MPa)在例如0.1～0.2N的压缩力范围内可以由下式求出。
E＝(σ2-σ1)/(ε2-ε1)
式中，σ1表示在压缩力为0.1N时测定的压缩应力(MPa)，σ2表示在压缩力为0.2N时测定的压缩应力(MPa)，ε1表示在压缩应力σ1下测定的压缩应变，ε2表示在压缩应力σ2下测定的压缩应变。
根据图2和上述式可知，实际上测得的本实施例涉及的气凝胶在25℃时具有0.20MPa的压缩弹性模量。
另一方面，关于变形恢复率和最大压缩变形率，可以将施加负荷前的测定样品的厚度设为d1，将施加了500N的最大负荷的时刻或测定样品遭到了破坏的时刻的测定样品的厚度设为d2，将除去负荷后的测定样品的厚度设为d3，按照下式来算出。
变形恢复率＝(d3-d2)/(d1-d2)×100
最大压缩变形率＝(d1-d2)/d1×100
另外，这些热导率、压缩弹性模量、变形恢复率和最大压缩变形率可以通过变更后述的气凝胶的制造条件、原料等来适当调整。
[含硅键单元Q、T和D涉及的信号面积]
本实施方式的气凝胶，在使用DD/MAS法测得的固体29Si-NMR光谱中，在如下规定含硅键单元Q、T和D时，可以使来源于Q和T的信号面积与来源于D的信号面积之比(信号面积比)Q+T:D为1:0.01～1:0.5。信号面积比进一步可以为1:0.01～1:0.3，可以为1:0.02～1:0.2，可以为1:0.03～1:0.1。通过使信号面积比大于或等于1:0.01，从而有易于获得更优异的柔软性的倾向，通过使信号面积比小于或等于1:0.5，从而有易于获得更低的热导率的倾向。
另外，下述Q、T和D中的“氧原子”，主要是将两个硅原子间结合的氧原子，但也可以考虑例如与硅原子结合的羟基所具有的氧原子的情况。此外，所谓“有机基团”，是与硅原子结合的原子为碳原子的一价有机基团，可举出例如碳原子数为1～10的未取代或取代的一价有机基团。作为未取代的一价有机基团，可举出烷基、烯基、炔基、环烷基、芳基、芳烷基等烃基。此外，作为取代的一价有机基团，可举出这些烃基的氢原子被卤原子、预定的官能团、含有预定的官能团的有机基团等取代后的烃基(取代有机基团)，或特别是环烷基、芳基、芳烷基等的环的氢原子被烷基取代后的烃基等。另外，作为上述卤原子，可举出氯原子、氟原子等(即，形成氯烷基、多氟烷基等卤原子取代有机基团)，作为上述官能团，可举出羟基、巯基、羧基、环氧基、氨基、氰基、丙烯酰氧基、甲基丙烯酰氧基等，作为含有上述官能团的有机基团，可举出烷氧基、酰基、酰氧基、烷氧基羰基、缩水甘油基、环氧环己基、烷基氨基、二烷基氨基、芳基氨基、N-氨基烷基取代氨基烷基等。
Q：与一个硅原子结合的氧原子为四个的含硅键单元。
T：与一个硅原子结合的氧原子为三个且氢原子或一价有机基团为一个的含硅键单元。
D：与一个硅原子结合的氧原子为两个且氢原子或一价有机基团为两个的含硅键单元。
通过使信号面积比Q+T:D包含在该范围内，能够进一步提高绝热性和生产性。
信号面积比可以通过固体29Si-NMR光谱来确认。一般而言固体29Si-NMR的测定方法没有特别限定，可举出例如CP/MAS法和DD/MAS法，在本实施方式中从定量性方面考虑采用了DD/MAS法。
另外，Roychen Joseph等人在Macromolecules，1996，29，pp.1305-1312中报告了，使用固体29Si-NMR来进行胶体二氧化硅与聚甲基丙烯酸甲酯的复合材料的结构解析。此外，荒又等人在BUNSEKI KAGAKU，1998，47，pp.971-978中报告了，使用固体29Si-NMR来进行硅橡胶中的二氧化硅-硅氧烷界面分析。在测定固体29Si-NMR光谱时，可以适当参照这些报告。
关于固体29Si-NMR光谱中的含硅键单元Q、T和D的化学位移，分别在-90～-120ppm的范围观察到Q单元，在-45～-80ppm的范围观察到T单元，在0～-40ppm的范围观察到D单元，因此能够将含硅键单元Q、T和D的信号分离，从而计算来源于各单元的信号面积。另外，在光谱解析时，从提高解析精度方面考虑，可以采用指数函数作为Window函数，而且将LineBroadening系数设定为0～50Hz的范围。
例如，图3是表示使用DD/MAS法测得的甲基丙烯酸3-(三甲氧基甲硅烷基)丙酯表面处理二氧化硅的固体29Si-NMR光谱的图。此外，图4是显示使用DD/MAS法测得的硅橡胶的固体29Si-NMR光谱的图。如图3和图4所示，通过使用了DD/MAS法的固体29Si-NMR，能够分离含硅键单元Q、T和D的信号。
这里，使用图3和图4，说明信号面积比的计算方法。例如，在图3中，在-90～-120ppm的化学位移范围内观测到来源于二氧化硅的Q单元信号。此外，在-45～-80ppm的化学位移范围内观测到来源于与甲基丙烯酸3-(三甲氧基甲硅烷基)丙酯的反应物的T单元的信号。信号面积(积分值)通过在各自的化学位移范围内将信号进行积分来获得。在将Q单元的信号面积设为1的情况下，图3的信号面积比Q:T计算为1:0.32。另外，信号面积是使用一般的光谱解析软件(例如，Bruker公司制的NMR软件“TopSpin”(TopSpin为注册商标))算出的。
此外，在图4中，在-90～-120ppm的化学位移范围内观测到填充了气相二氧化硅的硅橡胶中的Q单元信号。此外，在0～-40ppm的化学位移范围内观测到填充了气相二氧化硅的硅橡胶中的D单元的信号。信号面积(积分值)通过在各自的化学位移范围内将信号进行积分来获得。在将Q单元的信号面积设为1的情况下，图4的信号面积比Q:D计算为1:0.04。
[密度和气孔率]
关于本实施方式的气凝胶，可以使25℃时的密度为0.05～0.25g/cm3，进一步可以为0.1～0.2g/cm3。通过使密度大于或等于0.05g/cm3，能够获得更优异的强度和柔软性，此外，通过使密度小于或等于0.25g/cm3，能够获得更优异的绝热性。
关于本实施方式的气凝胶，还可以使25℃时的气孔率为85～95％，进一步可以为87～93％。通过使气孔率大于或等于85％，能够获得更优异的绝热性，此外，通过使气孔率小于或等于95％，能够获得更优异的强度和柔软性。
关于气凝胶的以三维网状连续的通孔(细孔)的中心细孔径、密度和气孔率可以依照DIN66133通过压汞法来测定。
＜气凝胶的具体方案＞
作为本实施方式的气凝胶，可举出以下的第一方案～第三方案。通过采用第一方案～第三方案，容易将气凝胶的热导率和压缩弹性模量控制为特定范围。然而，采用第一方案～第三方案的各个方案，目的不一定是获得具有本实施方式中规定的特定范围的热导率和特定范围的压缩弹性模量的气凝胶。通过采用各个方案，能够获得具有与各个方案对应的热导率和压缩弹性模量的气凝胶。
(第一方案)
本实施方式的气凝胶可以具有下述通式(1)所示的结构。
[化6]
式(1)中，R1和R2各自独立地表示烷基或芳基，R3和R4各自独立地表示亚烷基。这里，作为芳基，可举出苯基、取代苯基等。另外，作为取代苯基的取代基，可举出例如烷基、乙烯基、巯基、氨基、硝基、氰基等。
通过将上述的结构导入气凝胶的骨架中，从而形成低热导率并且柔软的气凝胶。从这样的观点考虑，式(1)中，作为R1和R2，各自独立地可举出碳原子数为1～6的烷基、苯基等，作为该烷基，可举出甲基等。此外，式(1)中，作为R3和R4，各自独立地可举出碳原子数为1～6的亚烷基等，作为该亚烷基，可举出亚乙基、亚丙基等。
(第二方案)
本实施方式的气凝胶可以为具有具备支柱部和桥接部的梯型结构，并且桥接部由下述通式(2)表示的气凝胶。通过在气凝胶的骨架中导入这样的梯型结构，能够使耐热性和机械强度提高。另外，在本实施方式中所谓“梯型结构”，是具有2根支柱部(struts)和将支柱部彼此连接的桥接部(bridges)的结构(具有所谓的“梯子”的形态)。在本方案中，气凝胶骨架可以由梯型结构形成，气凝胶也可以部分具有梯型结构。
[化7]
式(2)中，R6和R7各自独立地表示烷基或芳基，b表示1～50的整数。这里，作为芳基，可举出苯基、取代苯基等。此外，作为取代苯基的取代基，可举出例如烷基、乙烯基、巯基、氨基、硝基、氰基等。另外，式(2)中，在b为大于或等于2的整数的情况下，两个以上的R6各自可以相同也可以不同，同样地两个以上的R7各自可以相同也可以不同。
通过将上述结构导入气凝胶的骨架中，从而形成例如与以往的具有来源于梯型倍半硅氧烷的结构(即，具有下述通式(X)所示的结构)的气凝胶相比具有优异的柔软性的气凝胶。另外，如下述通式(X)所示，以往的具有来源于梯型倍半硅氧烷的结构的气凝胶中，桥接部的结构为-O-，但本实施方式的气凝胶中，桥接部的结构为上述通式(2)所示的结构(聚硅氧烷结构)。
[化8]
式(X)中，R表示羟基、烷基或芳基。
成为支柱部的结构及其链长、以及成为桥接部的结构的间隔没有特别限定，但从使耐热性和机械强度进一步提高这样的观点考虑，作为梯型结构，可举出下述通式(3)所示的结构。
[化9]
式(3)中，R5、R6、R7和R8各自独立地表示烷基或芳基，a和c各自独立地表示1～3000的整数，b表示1～50的整数。这里，作为芳基，可举出苯基、取代苯基等。此外，作为取代苯基的取代基，可举出例如烷基、乙烯基、巯基、氨基、硝基、氰基等。另外，式(3)中，在b为大于或等于2的整数的情况下，两个以上的R6各自可以相同也可以不同，同样地两个以上的R7各自可以相同也可以不同。此外，式(3)中，在a为大于或等于2的整数的情况下，两个以上的R5各自可以相同也可以不同，同样地在c为大于或等于2的整数的情况下，两个以上的R8各自可以相同也可以不同。
另外，从获得更优异的柔软性的观点考虑，式(2)和(3)中，作为R5、R6、R7和R8(其中，R5和R8仅在式(3)中)，各自独立地可举出碳原子数为1～6的烷基、苯基等，作为该烷基，可举出甲基等。此外，式(3)中，a和c各自独立地可以为6～2000，进一步可以为10～1000。此外，式(2)和(3)中，b可以为2～30，进一步可以为5～20。
(第三方案)
本实施方式的气凝胶可以为将湿润凝胶干燥而得的气凝胶，该湿润凝胶由溶胶生成，该溶胶含有选自由分子内具有反应性基的聚硅氧烷化合物和该聚硅氧烷化合物的水解产物组成的组中的至少一种。另外，此前说明的气凝胶也可以为像这样通过将湿润凝胶干燥而获得的气凝胶，该湿润凝胶由溶胶生成，该溶胶含有选自由分子内具有反应性基的聚硅氧烷化合物和该聚硅氧烷化合物的水解产物组成的组中的至少一种。
分子内具有反应性基的聚硅氧烷化合物中的反应性基没有特别限定，可举出例如烷氧基、硅烷醇基、羟基烷基、环氧基、聚醚基、巯基、羧基、酚基等。具有这些反应性基的聚硅氧烷化合物可以单独使用，或混合两种以上使用。其中，烷氧基、硅烷醇基、羟基烷基或聚醚基能够进一步提高气凝胶的柔软性，进一步烷氧基或羟基烷基能够进一步提高溶胶的相容性。另外，从聚硅氧烷化合物的反应性的提高和气凝胶的热导率的降低的观点考虑，烷氧基和羟基烷基的碳原子数可以为1～6，从进一步提高气凝胶的柔软性的观点考虑进一步可以为2～4。
作为分子内具有羟基烷基的聚硅氧烷化合物，可举出具有下述通式(4)所示的结构的化合物。通过使用具有下述通式(4)所示的结构的聚硅氧烷化合物，能够将上述通式(1)所示的结构导入气凝胶的骨架中。
[化10]
式(4)中，R9表示羟基烷基，R10表示亚烷基，R11和R12各自独立地表示烷基或芳基，n表示1～50的整数。这里，作为芳基，可举出苯基、取代苯基等。此外，作为取代苯基的取代基，可举出例如烷基、乙烯基、巯基、氨基、硝基、氰基等。另外，式(4)中，两个R9各自可以相同也可以不同，同样地两个R10各自可以相同也可以不同。此外，式(4)中，两个以上的R11各自可以相同也可以不同，同样地两个以上的R12各自可以相同也可以不同。
通过使用由含有上述结构的聚硅氧烷化合物等的溶胶生成的湿润凝胶，从而进一步易于获得低热导率并且柔软的气凝胶。从这样的观点考虑，式(4)中，作为R9，可举出碳原子数为1～6的羟基烷基等，作为该羟基烷基，可举出羟基乙基、羟基丙基等。此外，式(4)中，作为R10，可举出碳原子数为1～6的亚烷基等，作为该亚烷基，可举出亚乙基、亚丙基等。此外，式(4)中，作为R11和R12，各自独立地可举出碳原子数为1～6的烷基、苯基等，作为该烷基，可举出甲基等。此外，式(4)中，n可以为2～30，进一步可以为5～20。
作为具有上述通式(4)所示的结构的聚硅氧烷化合物，可以使用市售品，可举出X-22-160AS、KF-6001、KF-6002、KF-6003等化合物(都是信越化学工业株式会社制)、XF42-B0970、Fluid OFOH 702-4％等化合物(都是Momentive公司制)等。
作为分子内具有烷氧基的聚硅氧烷化合物，可举出具有下述通式(5)所示的结构的化合物。通过使用具有下述通式(5)所示的结构的聚硅氧烷化合物，能够将具有上述通式(2)所示的桥接部的梯型结构导入气凝胶的骨架中。
[化11]
式(5)中，R14表示烷基或烷氧基，R15和R16各自独立地表示烷氧基，R17和R18各自独立地表示烷基或芳基，m表示1～50的整数。这里，作为芳基，可举出苯基、取代苯基等。此外，作为取代苯基的取代基，可举出例如烷基、乙烯基、巯基、氨基、硝基、氰基等。另外，式(5)中，两个R14各自可以相同也可以不同，两个R15各自可以相同也可以不同，同样地两个R16各自可以相同也可以不同。此外，式(5)中，在m为大于或等于2的整数的情况下，两个以上的R17各自可以相同也可以不同，同样地两个以上的R18也是各自可以相同也可以不同。
通过使用由含有上述结构的聚硅氧烷化合物等的溶胶生成的湿润凝胶，进一步易于获得低热导率并且柔软的气凝胶。从这样的观点考虑，式(5)中，作为R14，可举出碳原子数为1～6的烷基、碳原子数为1～6的烷氧基等，作为该烷基或烷氧基，可举出甲基、甲氧基、乙氧基等。此外，式(5)中，作为R15和R16，各自独立地可举出碳原子数为1～6的烷氧基等，作为该烷氧基，可举出甲氧基、乙氧基等。此外，式(5)中，作为R17和R18，各自独立地可举出碳原子数为1～6的烷基、苯基等，作为该烷基，可举出甲基等。此外，式(5)中，m可以为2～30，进一步可以为5～20。
具有上述通式(5)所示的结构的聚硅氧烷化合物，例如，可以适当参照日本特开2000-26609号公报、日本特开2012-233110号公报等中报告的制造方法来获得。
另外，由于烷氧基水解，因此分子内具有烷氧基的聚硅氧烷化合物有在溶胶中作为水解产物存在的可能性，分子内具有烷氧基的聚硅氧烷化合物及其水解产物可以混合存在。此外，在分子内具有烷氧基的聚硅氧烷化合物中，分子中的烷氧基可以全部被水解，也可以部分被水解。
这些在分子内具有反应性基的聚硅氧烷化合物和该聚硅氧烷化合物的水解产物可以单独使用，或混合两种以上使用。
在制作本实施方式的气凝胶时，含有上述聚硅氧烷化合物等的溶胶可以进一步含有选自由分子内具有水解性官能团的硅化合物和该硅化合物的水解产物组成的组中的至少一种。硅化合物的分子内的硅数可以为1或2。作为分子内具有水解性官能团的硅化合物，没有特别限定，可举出例如烷基硅醇盐(alkyl silicon alkoxide)。在烷基硅醇盐中，水解性官能团数小于或等于三个的烷基硅醇盐能够进一步提高耐水性。作为这样的烷基硅醇盐，可举出例如甲基三甲氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷等。此外，也可以使用作为分子末端的水解性官能团数小于或等于三个的硅化合物的双三甲氧基甲硅烷基甲烷、双三甲氧基甲硅烷基乙烷、双三甲氧基甲硅烷基己烷、乙基三甲氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷等。这些硅化合物可以单独使用，或混合两种以上使用。
另外，上述溶胶所包含的聚硅氧烷化合物和该聚硅氧烷化合物的水解产物的含量，相对于溶胶的总量100质量份，可以为5～50质量份，进一步可以为10～30质量份。通过使其大于或等于5质量份，进一步易于获得良好的反应性，此外，通过使其小于或等于50质量份，进一步易于获得良好的相容性。
此外，在溶胶进一步含有上述硅化合物的情况下，聚硅氧烷化合物和该聚硅氧烷化合物的水解产物的含量与硅化合物和该硅化合物的水解产物的含量之比可以为1:0.5～1:4，进一步可以为1:1～1:2。通过使这些化合物的含量之比大于或等于1:0.5，进一步易于获得良好的相容性，此外，通过使这些化合物的含量之比小于或等于1:4，进一步易于抑制凝胶的收缩。
聚硅氧烷化合物和该聚硅氧烷化合物的水解产物以及硅化合物和该硅化合物的水解产物的含量的总和，相对于溶胶的总量100质量份，可以为5～50质量份，进一步可以为10～30质量份。通过使其大于或等于5质量份，进一步易于获得良好的反应性，此外，通过使其小于或等于50质量份，进一步易于获得良好的相容性。此时，聚硅氧烷化合物和该聚硅氧烷化合物的水解产物以及硅化合物和该硅化合物的水解产物的含量之比可以设为上述范围内。
＜气凝胶的制造方法＞
接下来，对气凝胶的制造方法进行说明。气凝胶的制造方法没有特别限定，可以通过例如以下的方法来制造。
即，本实施方式的气凝胶可以通过下述制造方法来制造，所述制造方法主要具备下述工序：溶胶生成工序；将通过溶胶生成工序获得的溶胶凝胶化，然后熟化而获得湿润凝胶的湿润凝胶生成工序；将通过湿润凝胶生成工序获得的湿润凝胶进行洗涤和溶剂置换的工序；以及将进行洗涤和溶剂置换后的湿润凝胶干燥的干燥工序。另外，所谓溶胶，是指凝胶化反应发生前的状态，在本实施方式中是指上述聚硅氧烷化合物和/或聚硅氧烷化合物的水解产物、与根据情况的硅化合物和/或硅化合物的水解产物在溶剂中溶解或分散的状态。此外，所谓湿润凝胶，是指虽然包含液体介质，但不具有流动性的湿润状态的凝胶固体物质。
以下，对本实施方式的气凝胶的制造方法的各工序进行说明。
(溶胶生成工序)
溶胶生成工序是将上述聚硅氧烷化合物和/或硅化合物与溶剂混合，使其水解而生成溶胶的工序。在本工序中，为了促进水解反应，可以在溶剂中进一步添加酸催化剂。此外，也可以如日本专利第5250900号所示，在溶剂中添加表面活性剂、热水解性化合物等。
作为溶剂，可以使用例如水、或水和醇类的混合液。作为醇类，可举出甲醇、乙醇、正丙醇、2-丙醇、正丁醇、2-丁醇、叔丁醇等。其中，作为易于降低与凝胶壁的界面张力的、表面张力低且沸点低的醇，可举出甲醇、乙醇、2-丙醇等。它们可以单独使用，或混合两种以上使用。
例如在使用醇类作为溶剂的情况下，醇类的量相对于聚硅氧烷化合物和硅化合物的总量1摩尔可以为4～8摩尔，进一步可以为4～6.5摩尔，可以为4.5～6摩尔。通过使醇类的量大于或等于4摩尔，进一步易于获得良好的相容性，此外，通过使醇类的量小于或等于8摩尔，进一步易于抑制凝胶的收缩。
作为酸催化剂，可举出氢氟酸、盐酸、硝酸、硫酸、亚硫酸、磷酸、亚磷酸、次磷酸、溴酸、氯酸、亚氯酸、次氯酸等无机酸类；酸性磷酸铝、酸性磷酸镁、酸性磷酸锌等酸性磷酸盐类；乙酸、甲酸、丙酸、草酸、丙二酸、琥珀酸、柠檬酸、苹果酸、己二酸、壬二酸等有机羧酸类等。其中，作为进一步提高所得的气凝胶的耐水性的酸催化剂，可举出有机羧酸类。作为该有机羧酸类，可举出乙酸，也可以为甲酸、丙酸、草酸、丙二酸等。它们可以单独使用，或混合两种以上使用。
通过使用酸催化剂，能够促进聚硅氧烷化合物和硅化合物的水解反应，以更短时间获得溶胶。
酸催化剂的添加量相对于聚硅氧烷化合物和硅化合物的总量100质量份可以为0.001～0.1质量份。
作为表面活性剂，可以使用非离子性表面活性剂、离子性表面活性剂等。它们可以单独使用，或混合两种以上使用。
作为非离子性表面活性剂，可以使用例如包含聚氧乙烯等亲水部和主要由烷基构成的疏水部的非离子性表面活性剂、包含聚氧丙烯等亲水部的非离子性表面活性剂等。作为包含聚氧乙烯等亲水部和主要由烷基构成的疏水部的非离子性表面活性剂，可举出聚氧乙烯壬基苯基醚、聚氧乙烯辛基苯基醚、聚氧乙烯烷基醚等。作为包含聚氧丙烯等亲水部的非离子性表面活性剂，可举出聚氧丙烯烷基醚、聚氧乙烯与聚氧丙烯的嵌段共聚物等。
作为离子性表面活性剂，可举出阳离子性表面活性剂、阴离子性表面活性剂、两性离子性表面活性剂等。作为阳离子性表面活性剂，可举出鲸蜡基三甲基溴化铵、鲸蜡基三甲基氯化铵等，作为阴离子性表面活性剂，可举出十二烷基磺酸钠等。此外，作为两性离子性表面活性剂，可举出氨基酸系表面活性剂、甜菜碱系表面活性剂、氧化胺系表面活性剂等。作为氨基酸系表面活性剂，可举出例如酰基谷氨酸等。作为甜菜碱系表面活性剂，可举出例如月桂基二甲基氨基乙酸甜菜碱、硬脂基二甲基氨基乙酸甜菜碱等。作为氧化胺系表面活性剂，可举出例如月桂基二甲基氧化胺等。
这些表面活性剂发挥在后述的湿润凝胶生成工序中减小反应体系中的溶剂与逐渐生长的硅氧烷聚合物之间的化学亲和性的差异，抑制相分离的作用。
表面活性剂的添加量也受表面活性剂的种类、或聚硅氧烷化合物和硅化合物的种类以及量的影响，例如相对于聚硅氧烷化合物和硅化合物的总量100质量份，可以为1～100质量份，进一步可以为5～60质量份。
热水解性化合物是通过热水解而产生碱催化剂，使反应溶液为碱性，促进后述的湿润凝胶生成工序中的溶胶凝胶反应的化合物。因此，作为该热水解性化合物，只要是在水解后能够使反应溶液为碱性的化合物，就没有特别限定，可以举出脲；甲酰胺、N-甲基甲酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、乙酰胺、N-甲基乙酰胺、N,N-二甲基乙酰胺等酰胺；六亚甲基四胺等环状氮化合物等。其中，脲特别易于获得上述促进效果。
关于热水解性化合物的添加量，只要是能够充分地促进后述的湿润凝胶生成工序中的溶胶凝胶反应的量，就没有特别限定。例如，在使用脲作为热水解性化合物的情况下，其添加量相对于聚硅氧烷化合物和硅化合物的总量100质量份，可以为1～200质量份，进一步可以为2～150质量份。通过使添加量大于或等于1质量份，进一步易于获得良好的反应性，此外，通过使添加量小于或等于200质量份，进一步易于抑制结晶的析出和凝胶密度的降低。
溶胶生成工序的水解也受混合液中的聚硅氧烷化合物、硅化合物、酸催化剂、表面活性剂等的种类和量的影响，例如可以在20～60℃的温度环境下进行10分钟～24小时，可以在50～60℃的温度环境下进行5分钟～8小时。由此，聚硅氧烷化合物和硅化合物中的水解性官能团被充分地水解，能够更确实地获得聚硅氧烷化合物的水解产物和硅化合物的水解产物。
其中，在溶剂中添加热水解性化合物的情况下，可以将溶胶生成工序的温度环境调节为抑制热水解性化合物的水解而抑制溶胶的凝胶化的温度。此时的温度只要是能够抑制热水解性化合物的水解的温度，就可以为任何温度。例如，在使用脲作为热水解性化合物的情况下，溶胶生成工序的温度环境可以为0～40℃，进一步可以为10～30℃。
(湿润凝胶生成工序)
湿润凝胶生成工序是将通过溶胶生成工序获得的溶胶凝胶化，然后熟化而获得湿润凝胶的工序。本工序中，为了促进凝胶化可以使用碱催化剂。
作为碱催化剂，可举出氢氧化锂、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化铯等碱金属氢氧化物；氢氧化铵、氟化铵、氯化铵、溴化铵等铵化合物；偏磷酸钠、焦磷酸钠、多磷酸钠等碱性磷酸钠盐；烯丙基胺、二烯丙基胺、三烯丙基胺、异丙基胺、二异丙基胺、乙基胺、二乙基胺、三乙胺、2-乙基己基胺、3-乙氧基丙基胺、二异丁基胺、3-(二乙基氨基)丙基胺、二-2-乙基己基胺、3-(二丁基氨基)丙基胺、四甲基乙二胺、叔丁基胺、仲丁基胺、丙基胺、3-(甲基氨基)丙基胺、3-(二甲基氨基)丙基胺、3-甲氧基胺、二甲基乙醇胺、甲基二乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺等脂肪族胺类；吗啉、N-甲基吗啉、2-甲基吗啉、哌嗪及其衍生物、哌啶及其衍生物、咪唑及其衍生物等含氮杂环状化合物类等。其中，氢氧化铵(氨水)在由于挥发性高、难以残存于干燥后的气凝胶中因此不损害耐水性这方面，进而在经济性方面是优异的。上述的碱催化剂可以单独使用，或混合两种以上使用。
通过使用碱催化剂，能够促进溶胶中的聚硅氧烷化合物和/或聚硅氧烷化合物的水解产物以及硅化合物和/或硅化合物的水解产物的、脱水缩合反应和脱醇缩合反应，能够以更短时间进行溶胶的凝胶化。此外，由此能够获得强度(刚性)更高的湿润凝胶。特别是氨由于挥发性高，在气凝胶中难以残留，因此通过使用氨作为碱催化剂，能够获得耐水性更优异的气凝胶。
碱催化剂的添加量相对于聚硅氧烷化合物和硅化合物的总量100质量份，可以为0.5～5质量份，进一步可以为1～4质量份。通过使添加量大于或等于0.5质量份，能够以更短时间进行凝胶化，通过使添加量小于或等于5质量份，能够进一步抑制耐水性的降低。
湿润凝胶生成工序中的溶胶的凝胶化可以在密闭容器内进行，以使溶剂和碱催化剂不挥发。凝胶化温度可以为30～90℃，进一步可以为40～80℃。通过使凝胶化温度大于或等于30℃，能够以更短时间进行凝胶化，能够获得强度(刚性)更高的湿润凝胶。此外，通过使凝胶化温度小于或等于90℃，易于抑制溶剂(特别是醇类)的挥发，因此能够一边抑制体积收缩一边进行凝胶化。
湿润凝胶生成工序中的熟化也可以在密闭容器内进行，以使溶剂和碱催化剂不挥发。通过熟化，构成湿润凝胶的成分的结合变强，其结果是，能够获得对于抑制干燥时的收缩而言充分的强度(刚性)高的湿润凝胶。熟化温度可以为30～90℃，进一步可以为40～80℃。通过使熟化温度大于或等于30℃，能够获得强度(刚性)更高的湿润凝胶，通过使熟化温度小于或等于90℃，易于抑制溶剂(特别是醇类)的挥发，因此能够一边抑制体积收缩一边进行凝胶化。
另外，多数情况下难以判断溶胶的凝胶化结束时刻，因此溶胶的凝胶化和之后的熟化可以连续地以一连串操作进行。
凝胶化时间和熟化时间根据凝胶化温度和熟化温度而不同，将凝胶化时间和熟化时间合计，可以为4～480小时，进一步可以为6～120小时。通过使凝胶化时间和熟化时间的合计大于或等于4小时，能够获得强度(刚性)更高的湿润凝胶，通过使凝胶化时间和熟化时间的合计小于或等于480小时，更易于维持熟化的效果。
为了降低所得的气凝胶的密度，或增大平均细孔径，可以在上述范围内提高凝胶化温度和熟化温度，或在上述范围内延长凝胶化时间和熟化时间的合计时间。此外，为了提高所得的气凝胶的密度或减小平均细孔径，可以在上述范围内降低凝胶化温度和熟化温度，或在上述范围内缩短凝胶化时间和熟化时间的合计时间。
(洗涤和溶剂置换工序)
洗涤和溶剂置换工序具有：将通过上述湿润凝胶生成工序获得的湿润凝胶进行洗涤的工序(洗涤工序)，以及将湿润凝胶中的洗涤液置换成适于干燥条件(后述的干燥工序)的溶剂的工序(溶剂置换工序)。洗涤和溶剂置换工序也能够通过不进行将湿润凝胶进行洗涤的工序而仅进行溶剂置换工序的形态来实施，但从降低湿润凝胶中的未反应物、副产物等杂质，能够制造纯度更高的气凝胶的观点考虑，也可以将湿润凝胶进行洗涤。
洗涤工序中，将通过上述湿润凝胶生成工序获得的湿润凝胶进行洗涤。该洗涤可以使用例如水或有机溶剂来重复进行。此时，可以通过加温使洗涤效率提高。
作为有机溶剂，可以使用甲醇、乙醇、1-丙醇、2-丙醇、1-丁醇、丙酮、甲基乙基酮、1,2-二甲氧基乙烷、乙腈、己烷、甲苯、乙醚、氯仿、乙酸乙酯、四氢呋喃、二氯甲烷、N,N-二甲基甲酰胺、二甲亚砜、乙酸、甲酸等各种有机溶剂。上述有机溶剂可以单独使用，或混合两种以上使用。
后述的溶剂置换工序中，为了抑制干燥导致的凝胶收缩，可以使用低表面张力的溶剂。然而，低表面张力的溶剂一般与水的相互溶解度极低。因此，在溶剂置换工序中使用低表面张力的溶剂的情况下，作为洗涤工序中使用的有机溶剂，可举出对水和低表面张力的溶剂两者均具有高的相互溶解性的亲水性有机溶剂。另外，在洗涤工序中使用的亲水性有机溶剂可以发挥用于溶剂置换工序的预置换的作用。上述有机溶剂中，作为亲水性有机溶剂，可举出甲醇、乙醇、2-丙醇、丙酮、甲基乙基酮等。另外，甲醇、乙醇、甲基乙基酮等在经济性方面优异。
作为洗涤工序所使用的水或有机溶剂的量，可以设为能够充分地置换湿润凝胶中的溶剂并进行洗涤的量。该量相对于湿润凝胶的容量可以设为3～10倍的量。洗涤可以反复进行直到洗涤后的湿润凝胶中的含水率相对于二氧化硅质量小于或等于10质量％。
洗涤工序中的温度环境可以设为小于或等于洗涤所使用的溶剂沸点的温度，例如，在使用甲醇的情况下，可以为30～60℃程度的加温。
溶剂置换工序中，为了抑制后述的干燥工序中的收缩，将洗涤后的湿润凝胶的溶剂替换成预定的置换用溶剂。此时，可以通过加温使取代效率提高。作为置换用溶剂，具体而言，在干燥工序中，在低于干燥所使用的溶剂的临界点的温度、于大气压下进行干燥的情况下，可举出后述的低表面张力的溶剂。另一方面，在进行超临界干燥的情况下，作为置换用溶剂，可举出例如乙醇、甲醇、2-丙醇、二氯二氟甲烷、二氧化碳等、或将它们中的两种以上混合而得的溶剂。
作为低表面张力的溶剂，可举出20℃时的表面张力小于或等于30mN/m的溶剂。另外，该表面张力可以小于或等于25mN/m，可以小于或等于20mN/m。作为低表面张力的溶剂，可举出例如戊烷(15.5)、己烷(18.4)、庚烷(20.2)、辛烷(21.7)、2-甲基戊烷(17.4)、3-甲基戊烷(18.1)、2-甲基己烷(19.3)、环戊烷(22.6)、环己烷(25.2)、1-戊烯(16.0)等脂肪族烃类；苯(28.9)、甲苯(28.5)、间二甲苯(28.7)、对二甲苯(28.3)等芳香族烃类；二氯甲烷(27.9)、氯仿(27.2)、四氯化碳(26.9)、1-氯丙烷(21.8)、2-氯丙烷(18.1)等卤代烃类；乙基醚(17.1)、丙基醚(20.5)、异丙基醚(17.7)、丁基乙基醚(20.8)、1,2-二甲氧基乙烷(24.6)等醚类；丙酮(23.3)、甲基乙基酮(24.6)、甲基丙基酮(25.1)、二乙基酮(25.3)等酮类；乙酸甲酯(24.8)、乙酸乙酯(23.8)、乙酸丙酯(24.3)、乙酸异丙酯(21.2)、乙酸异丁酯(23.7)、丁酸乙酯(24.6)等酯类等(括号内表示20℃时的表面张力，单位为[mN/m])。其中，脂肪族烃类(己烷、庚烷等)为低表面张力并且操作环境性优异。此外，其中，通过使用丙酮、甲基乙基酮、1,2-二甲氧基乙烷等亲水性有机溶剂，可以兼用为上述洗涤工序的有机溶剂。另外，其中，进一步从后述的干燥工序中的干燥容易方面考虑，可以使用常压下的沸点小于或等于100℃的有机溶剂。上述有机溶剂可以单独使用，或混合两种以上使用。
作为溶剂置换工序所使用的溶剂的量，可以设为能够充分地置换洗涤后的湿润凝胶中的溶剂的量。该量相对于湿润凝胶的容量可以为3～10倍的量。
溶剂置换工序中的温度环境可以为小于或等于置换所使用的溶剂沸点的温度，例如，在使用庚烷的情况下，可以为30～60℃程度的加温。
(干燥工序)
干燥工序中，使如上所述进行洗涤和溶剂置换后的湿润凝胶干燥。由此，最终能够获得气凝胶。
作为干燥的方法，没有特别限制，可以使用公知的常压干燥、超临界干燥或冻干，其中，从易于制造低密度的气凝胶这样的观点考虑，可以使用常压干燥或超临界干燥。此外，从能够以低成本生产这样的观点考虑，可以使用常压干燥。另外，在本实施方式中，所谓常压，是指0.1MPa(大气压)。
本实施方式的气凝胶可以通过将进行洗涤和溶剂置换后的湿润凝胶在低于干燥所使用的溶剂的临界点的温度下，在大气压下进行干燥来获得。干燥温度根据被置换的溶剂的种类而不同，鉴于特别是高温下的干燥加快溶剂的蒸发速度，有时使凝胶产生大的龟裂这样的方面，可以为20～80℃。另外，该干燥温度进一步可以为30～60℃。此外，干燥时间根据湿润凝胶的容量和干燥温度而不同，可以为4～120小时。另外，在本实施方式中，在不损害生产性的范围内施加应力而加快干燥也包含于常压干燥。
此外，本实施方式的气凝胶也可以通过将进行洗涤和溶剂置换后的湿润凝胶进行超临界干燥来获得。超临界干燥可以通过公知的方法进行。作为进行超临界干燥的方法，可举出例如在大于或等于湿润凝胶所包含的溶剂的临界点的温度和应力下除去溶剂的方法。或者，作为进行超临界干燥的方法，可举出通过将湿润凝胶在液态二氧化碳中在例如20～25℃、5～20MPa程度的条件下浸渍而将湿润凝胶所包含的溶剂全部或一部分置换成临界点比该溶剂低的二氧化碳后，将二氧化碳单独除去，或将二氧化碳和溶剂的混合物除去的方法。
通过这样的常压干燥或超临界干燥而获得的气凝胶，可以进一步在常压下，在105～200℃追加干燥0.5～2小时程度。由此，进一步易于获得密度低、具有小的细孔的气凝胶。追加干燥可以在常压下，在150～200℃进行。
经过以上工序而获得的本实施方式的气凝胶在大气压下、25℃时的热导率小于或等于0.03W/m·K，压缩弹性模量小于或等于2MPa，具有以往的气凝胶难以实现的优异的绝热性和生产性。从这样的优点考虑，可以适用于作为建筑领域、汽车领域、家电制品、半导体领域、产业用设备等中的绝热材的用途等。此外，本实施方式的气凝胶，除了作为绝热材的用途以外，还可以用作涂料用添加剂、化妆品、抗粘连剂、催化剂载体等。
实施例
接下来，通过下述实施例更详细地说明本发明，但这些实施例不限制本发明。
[气凝胶的制作]
(实施例1)
将作为聚硅氧烷化合物的上述通式(4)所示的卡必醇改性硅氧烷“X-22-160AS”(信越化学工业株式会社制，制品名)40.0质量份、作为硅化合物的甲基三甲氧基硅烷“LS-530”(信越化学工业株式会社制，制品名：以下简写为“MTMS”)60.0质量份、水120.0质量份和甲醇80.0质量份混合，向其中加入作为酸催化剂的乙酸0.10质量份，在25℃反应8小时而获得溶胶。在所得的溶胶中，加入作为碱催化剂的5％浓度的氨水40.0质量份，在60℃凝胶化8小时后，在80℃熟化48小时而获得湿润凝胶。然后，将所得的湿润凝胶浸渍在甲醇2500.0质量份中，在60℃经12小时进行洗涤。更换成新的甲醇将该洗涤操作进行3次。接下来，将洗涤后的湿润凝胶浸渍在作为低表面张力溶剂的庚烷2500.0质量份中，在60℃经12小时进行溶剂置换。更换成新的庚烷将该溶剂置换操作进行3次。将进行洗涤和溶剂置换后的湿润凝胶在常压下在40℃干燥96小时，然后进一步在150℃干燥2小时，从而获得了具有上述通式(1)所示的结构的气凝胶1。
(实施例2)
将作为聚硅氧烷化合物的上述通式(4)所示的X-22-160AS 40.0质量份、作为硅化合物的MTMS 60.0质量份、水120.0质量份和甲醇80质量份混合，向其中加入作为酸催化剂的乙酸0.10质量份、作为阳离子系表面活性剂的鲸蜡基三甲基溴化铵(和光纯药工业株式会社制：以下简写为“CTAB”)20.0质量份，在25℃反应8小时而获得溶胶。然后，与实施例1同样地操作，获得了具有上述通式(1)所示的结构的气凝胶2。
(实施例3)
将水200.0质量份、作为酸催化剂的乙酸0.10质量份、作为阳离子系表面活性剂的CTAB 20.0质量份和作为热水解性化合物的脲120.0质量份混合，向其中加入作为聚硅氧烷化合物的上述通式(4)所示的X-22-160AS 40.0质量份和作为硅化合物的MTMS 60.0质量份，在25℃反应2小时而获得溶胶。将所得的溶胶在60℃凝胶化8小时后，在80℃熟化48小时而获得湿润凝胶。然后，与实施例1同样地操作，获得了具有上述通式(1)所示的结构的气凝胶3。
(实施例4)
将水200.0质量份、作为酸催化剂的乙酸0.10质量份、作为非离子性表面活性剂的聚氧乙烯与聚氧丙烯的嵌段共聚物“F-127”(BASF公司制，制品名)20.0质量份和作为热水解性化合物的脲120.0质量份混合，向其中加入作为聚硅氧烷化合物的上述通式(4)所示的X-22-160AS 40.0质量份和作为硅化合物的MTMS 60.0质量份，在25℃反应2小时而获得溶胶。将所得的溶胶在60℃凝胶化8小时后，在80℃熟化48小时而获得湿润凝胶。然后，与实施例1同样地操作，获得了具有上述通式(1)所示的结构的气凝胶4。
(实施例5)
将水200.0质量份、作为酸催化剂的乙酸0.10质量份、作为阳离子系表面活性剂的CTAB 20.0质量份和作为热水解性化合物的脲120.0质量份混合，向其中加入作为聚硅氧烷化合物的上述通式(4)所示的X-22-160AS 20.0质量份和作为硅化合物的MTMS 80.0质量份，在25℃反应2小时而获得溶胶。将所得的溶胶在60℃凝胶化8小时后，在80℃熟化48小时而获得湿润凝胶。然后，与实施例1同样地操作，获得了具有上述通式(1)所示的结构的气凝胶5。
(实施例6)
将水200.0质量份、作为酸催化剂的乙酸0.10质量份、作为阳离子系表面活性剂的CTAB 20.0质量份和作为热水解性化合物的脲120.0质量份混合，向其中加入作为聚硅氧烷化合物的上述通式(5)所示的两末端2官能烷氧基改性聚硅氧烷化合物(以下称为“聚硅氧烷化合物A”)40.0质量份和作为硅化合物的MTMS 60.0质量份，在25℃反应2小时而获得溶胶。将所得的溶胶在60℃凝胶化8小时后，在80℃熟化48小时而获得了湿润凝胶。然后，与实施例1同样地操作，获得了具有包含上述通式(2)和(3)所示结构的梯型结构的气凝胶6。
另外，上述“聚硅氧烷化合物A”如下合成。首先，在具备搅拌机、温度计和迪姆罗冷却管的1升三口烧瓶中，将羟基末端二甲基聚硅氧烷“XC96-723”(Momentive公司制，制品名)100.0质量份、甲基三甲氧基硅烷181.3质量份和叔丁基胺0.50质量份混合，在30℃反应5小时。然后，将该反应液在1.3kPa的减压下在140℃加热2小时，除去挥发成分，从而获得了两末端2官能烷氧基改性聚硅氧烷化合物(聚硅氧烷化合物A)。
(实施例7)
将水200.0质量份、作为酸催化剂的乙酸0.10质量份、作为阳离子系表面活性剂的CTAB 20.0质量份和作为热水解性化合物的脲120.0质量份混合，向其中加入作为聚硅氧烷化合物的上述通式(5)所示的聚硅氧烷化合物A 20.0质量份和作为硅化合物的MTMS 80.0质量份，在25℃反应2小时而获得溶胶。将所得的溶胶在60℃凝胶化8小时后，在80℃熟化48小时而获得湿润凝胶。然后，与实施例1同样地操作，获得了具有上述通式(2)和(3)所示的梯型结构的气凝胶7。
(实施例8)
将水200.0质量份、作为酸催化剂的乙酸0.10质量份、作为阳离子系表面活性剂的CTAB 20.0质量份和作为热水解性化合物的脲120.0质量份混合，向其中加入作为聚硅氧烷化合物的上述通式(4)所示的X-22-160AS 20.0质量份以及作为硅化合物的MTMS 60.0质量份和双三甲氧基甲硅烷基己烷20.0质量份，在25℃反应2小时而获得溶胶。将所得的溶胶在60℃凝胶化8小时后，在80℃熟化48小时而获得湿润凝胶。然后，与实施例1同样地操作，获得了具有上述通式(1)所示的结构的气凝胶8。
(实施例9)
将水200.0质量份、作为酸催化剂的乙酸0.10质量份、作为阳离子系表面活性剂的CTAB 20.0质量份和作为热水解性化合物的脲120.0质量份混合，向其中加入作为聚硅氧烷化合物的上述通式(5)所示的聚硅氧烷化合物A20.0质量份以及作为硅化合物的MTMS 60.0质量份和双三甲氧基甲硅烷基己烷20.0质量份，在25℃反应2小时而获得溶胶。将所得的溶胶在60℃凝胶化8小时后，在80℃熟化48小时而获得湿润凝胶。然后，与实施例1同样地操作，获得了具有上述通式(2)和(3)所示的梯型结构的气凝胶9。
(实施例10)
将水200.0质量份、作为酸催化剂的乙酸0.10质量份、作为阳离子系表面活性剂的CTAB 20.0质量份和作为热水解性化合物的脲120.0质量份混合，向其中加入作为聚硅氧烷化合物的上述通式(4)所示的X-22-160AS 20.0质量份和上述通式(5)所示的聚硅氧烷化合物A 20.0质量份以及作为硅化合物的MTMS 60.0质量份，在25℃反应2小时而获得溶胶。将所得的溶胶在60℃凝胶化8小时后，在80℃熟化48小时而获得湿润凝胶。然后，与实施例1同样地操作，获得了具有上述通式(1)所示的结构和上述通式(2)和(3)所示的梯型结构的气凝胶10。
(实施例11)
将水200.0质量份、作为酸催化剂的乙酸0.10质量份、作为阳离子系表面活性剂的CTAB 20.0质量份和作为热水解性化合物的脲120.0质量份混合，向其中加入作为聚硅氧烷化合物的上述通式(4)所示的X-22-160AS 40.0质量份和作为硅化合物的MTMS 60.0质量份，在25℃反应2小时而获得溶胶。将所得的溶胶在60℃凝胶化8小时后，在80℃熟化48小时而获得湿润凝胶。然后，将所得的湿润凝胶浸渍在甲醇2500.0质量份中，在60℃经12小时进行洗涤。更换成新的甲醇将该洗涤操作进行3次。接下来，将洗涤后的湿润凝胶浸渍在2-丙醇2500.0质量份中，在60℃经12小时进行溶剂置换。更换成新的2-丙醇将该溶剂置换操作进行3次。
接下来，对溶剂置换后的湿润凝胶进行超临界干燥。将高压釜内充满2-丙醇，加入溶剂置换后的湿润凝胶。然后，向高压釜内送入液态二氧化碳，将高压釜内充满作为分散介质的2-丙醇和二氧化碳的混合物。然后，以使高压釜内的环境为80℃、14MPa的方式进行加热和加压，使超临界状态的二氧化碳在高压釜内充分地流通后，减压，除去凝胶所包含的2-丙醇和二氧化碳。这样，获得了具有上述通式(1)所示的结构的气凝胶11。
(实施例12)
将水200.0质量份、作为酸催化剂的乙酸0.10质量份、作为阳离子系表面活性剂的CTAB 20.0质量份和作为热水解性化合物的脲120.0质量份混合，向其中加入作为聚硅氧烷化合物的上述通式(5)所示的聚硅氧烷化合物A 40.0质量份和作为硅化合物的MTMS 60.0质量份，在25℃反应2小时而获得溶胶。将所得的溶胶在60℃凝胶化8小时后，在80℃熟化48小时而获得湿润凝胶。然后，与实施例11同样地操作，获得了具有上述通式(2)和(3)所示的梯型结构的气凝胶12。
(实施例13)
将水200.0质量份、作为酸催化剂的乙酸0.10质量份、作为阳离子系表面活性剂的CTAB 20.0质量份和作为热水解性化合物的脲120.0质量份混合，向其中加入作为聚硅氧烷化合物的上述通式(5)所示的两末端3官能烷氧基改性聚硅氧烷化合物(以下称为“聚硅氧烷化合物B”)40.0质量份和作为硅化合物的MTMS 60.0质量份，在25℃反应2小时而获得溶胶。将所得的溶胶在60℃凝胶化8小时后，在80℃熟化48小时而获得湿润凝胶。然后，与实施例1同样地操作，获得了气凝胶13。
另外，上述“聚硅氧烷化合物B”如下合成。首先，在具备搅拌机、温度计和迪姆罗冷却管的1升三口烧瓶中，将XC96-723 100.0质量份、四甲氧基硅烷202.6质量份和叔丁基胺0.50质量份混合，在30℃反应5小时。然后，将该反应液在1.3kPa的减压下在140℃加热2小时，除去挥发成分，从而获得了两末端3官能烷氧基改性聚硅氧烷化合物(聚硅氧烷化合物B)。
(实施例14)
将水200.0质量份、作为酸催化剂的乙酸0.10质量份、作为阳离子系表面活性剂的CTAB 20.0质量份和作为热水解性化合物的脲120.0质量份混合，向其中加入作为聚硅氧烷化合物的上述通式(5)所示的聚硅氧烷化合物B 20.0质量份和作为硅化合物的MTMS 80.0质量份，在25℃反应2小时而获得溶胶。将所得的溶胶在60℃凝胶化8小时后，在80℃熟化48小时而获得湿润凝胶。然后，与实施例1同样地操作，获得了气凝胶14。
(比较例1)
将水200.0质量份、作为酸催化剂的乙酸0.10质量份、作为阳离子系表面活性剂的CTAB 20.0质量份和作为热水解性化合物的脲120.0质量份混合，向其中加入作为硅化合物的MTMS 100.0质量份，在25℃反应2小时而获得溶胶。将所得的溶胶在60℃凝胶化8小时后，在80℃熟化48小时而获得湿润凝胶。然后，与实施例1同样地操作，获得了气凝胶15。
(比较例2)
将水200.0质量份、作为酸催化剂的乙酸0.10质量份、作为阳离子系表面活性剂的CTAB 20.0质量份和作为热水解性化合物的脲120.0质量份混合，向其中加入作为硅化合物的MTMS 70.0质量份和二甲基二甲氧基硅烷“LS-520”(信越化学工业株式会社制，制品名：以下简写为“DMDMS”)30.0质量份，在25℃反应2小时而获得溶胶。将所得的溶胶在60℃凝胶化8小时后，在80℃熟化48小时而获得湿润凝胶。然后，与实施例1同样地操作，获得了气凝胶16。
(比较例3)
将水200.0质量份、作为酸催化剂的乙酸0.10质量份、作为阳离子系表面活性剂的CTAB 20.0质量份和作为热水解性化合物的脲120.0质量份混合，向其中加入作为硅化合物的MTMS 60.0质量份和DMDMS 40.0质量份，在25℃反应2小时而获得溶胶。将所得的溶胶在60℃凝胶化8小时后，在80℃熟化48小时而获得湿润凝胶。然后，与实施例1同样地操作，获得了气凝胶17。
(比较例4)
将水200.0质量份、作为酸催化剂的乙酸0.10质量份、作为阳离子系表面活性剂的CTAB 20.0质量份和作为热水解性化合物的脲120.0质量份混合，向其中加入作为硅化合物的MTMS 100.0质量份，在25℃反应2小时而获得溶胶。将所得的溶胶在60℃凝胶化8小时后，在80℃熟化48小时而获得湿润凝胶。然后，与实施例11同样地操作，获得了气凝胶18。
将各实施例和比较例中的干燥方法和Si原料(聚硅氧烷化合物和硅化合物)归纳示于表1。
[各种评价]
关于各实施例和比较例中获得的气凝胶1～18，按照以下条件测定热导率、压缩弹性模量、最大压缩变形率、变形恢复率、含硅键单元Q、T和D的信号面积比、密度以及气孔率，进行评价。将评价结果归纳并示于表2。
(1)热导率的测定
使用刃角约20～25度的刃，将气凝胶加工成150×150×100mm3的尺寸，作为测定样品。接下来，为了确保面的平行，根据需要用#1500以上的砂纸进行整形。对于所得的测定样品，在热导率测定前，使用恒温干燥机“DVS402”(Yamato科学株式会社制，制品名)，在大气压下，在100℃干燥30分钟。接着将测定样品移至干燥器中，冷却直到25℃。
热导率的测定使用稳态法热导率测定装置“HFM436Lambda”(NETZSCH公司制，制品名)进行。测定条件是大气压下，平均温度25℃。将如上所述获得的测定样品在0.3MPa的荷重下夹入上部加热器和下部加热器之间，使温度差ΔT为20℃，一边通过保护加热器以形成一维热流的方式进行调整，一边对测定样品的上表面温度、下表面温度等进行测定。然后，由下式求出测定样品的热阻RS。
RS＝N((TU-TL)/Q)-RO
式中，TU表示测定样品上表面温度，TL表示测定样品下表面温度，RO表示上下界面的接触热阻，Q表示热流计输出。另外，N为比例系数，使用校正试样预先求出。
根据所得的热阻RS，由下式求出测定样品的热导率λ。
λ＝d/RS
式中，d表示测定样品的厚度。
(2)压缩弹性模量、最大压缩变形率和变形恢复率的测定
使用刃角约20～25度的刃，将气凝胶加工成7.0mm见方的立方体(骰子状)，作为测定样品。接下来，为了确保面的平行，根据需要用#1500以上的砂纸对测定样品进行整形。对于所得的测定样品，在热导率测定前，使用恒温干燥机“DVS402”(Yamato科学株式会社制，制品名)，在大气压下，在100℃干燥30分钟。接着将测定样品移至干燥器中，冷却直到25℃。
作为测定装置，使用小型台式试验机“EZTest”(株式会社岛津制作所制，制品名)。另外，作为负载传感器，使用500N。此外，使用不锈钢制的上压盘(φ20mm)和下压盘(φ118mm)作为压缩测定用夹具。在平行配置的上压盘和下压盘之间放置测定样品，以1mm/min的速度进行压缩。测定温度设为25℃，测定在施加了超过500N的负荷的时刻或测定样品遭到了破坏的时刻结束。这里，应变ε由下式求出。
ε＝Δd/d1
式中，Δd表示负荷引起的测定样品的厚度的变化(mm)，d1表示施加负荷前的测定样品的厚度(mm)。
此外，压缩应力σ(MPa)由下式求出。
σ＝F/A
式中，F表示压缩力(N)，A表示施加负荷前的测定样品的截面积(mm2)。
压缩弹性模量E(MPa)在0.1～0.2N的压缩力范围内由下式求出。
E＝(σ2-σ1)/(ε2-ε1)
式中，σ1表示在压缩力为0.1N时测定的压缩应力(MPa)，σ2表示在压缩力为0.2N时测定的压缩应力(MPa)，ε1表示在压缩应力σ1下测定的压缩应变，ε2表示在压缩应力σ2下测定的压缩应变。
进一步，关于变形恢复率和最大压缩变形率，将施加负荷前的测定样品的厚度设为d1，将施加了500N的最大负荷的时刻或测定样品遭到了破坏的时刻的厚度设为d2，将除去负荷后的测定样品的厚度设为d3，依照下式来算出。
变形恢复率＝(d3-d2)/(d1-d2)×100
最大压缩变形率＝(d1-d2)/d1×100
(3)含硅键单元Q、T和D所涉及的信号面积比的测定
作为固体29Si-NMR装置，使用“FT-NMR AV400WB”(Bruker Biospin株式会社制，制品名)进行测定。测定条件是，测定模式：DD/MAS法，探针：4mmφ的CPMAS探针，磁场：9.4T，共振频率：79Hz，MAS转速：6kHz，延迟时间：150秒。作为标准试样，使用了3-三甲基甲硅烷基丙酸钠。
作为测定样品，准备细细地裁切气凝胶而得的测定样品，将其填塞于ZrO2制转子，安装于探针进行测定。此外，在光谱解析中，使谱线增宽(Line Broadening)系数为2Hz，求出所得的含硅键单元Q、T和D所涉及的信号面积比(Q+T:D)。
(4)密度和气孔率的测定
关于气凝胶的三维网状地连续的通孔(细孔)的中心细孔径、密度和气孔率依照DIN66133通过压汞法来测定。另外，使测定温度为室温(25℃)，作为测定装置，使用了AutoPore IV9520(株式会社岛津制作所制，制品名)。
[表1]
[表2]
另外，图1是表示使用稳态法热导率测定装置，在大气压下测定实施例10的气凝胶的热导率时的测定图的图。根据图1，可知实施例10涉及的气凝胶在25℃具有0.020W/m·K的热导率。
此外，图2是表示实施例1的气凝胶的应力-应变曲线的图。根据图2，实施例1涉及的气凝胶在25℃时的压缩弹性模量可以算出为0.20MPa。
根据表2可知，实施例的气凝胶均热导率小于或等于0.03W/m·K，压缩弹性模量小于或等于2MPa，变形恢复率大于或等于90％，最大压缩变形率大于或等于80％，且具有绝热性和柔软性。此外，实施例的气凝胶，在使用DD/MAS法测得的固体29Si-NMR光谱中，含硅键单元Q、T和D涉及的信号面积比Q+T:D为1:0.01～1:0.5的范围。
另一方面，比较例1和比较例4中，虽然热导率小于或等于0.03W/m·K，但压缩弹性模量大而不耐变形，因此被容易地破坏。此外，比较例2中，热导率大。比较例3中，柔软性充分但热导率大。
产业可利用性
本发明的气凝胶在大气压下、25℃时的热导率小于或等于0.03W/m·K并且压缩弹性模量小于或等于2MPa，具有以往的气凝胶难以实现的优异的绝热性和柔软性。从这样的优点考虑，可以适用于作为建筑领域、汽车领域、家电制品、半导体领域、产业用设备等中的绝热材的用途等。此外，本发明的气凝胶除了作为绝热材的用途以外，还可以用作涂料用添加剂、化妆品，抗粘连剂、催化剂载体等。
