DE102004047552B4

DE102004047552B4 - Herstellung von Aerogel-Verbundwerkstoffen

Info

Publication number: DE102004047552B4
Application number: DE102004047552A
Authority: DE
Inventors: Lorenz Prof. Ratke; Sabine Dipl.-Ing. Brück
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2004-09-30
Filing date: 2004-09-30
Publication date: 2006-12-21
Anticipated expiration: 2024-10-01
Also published as: DE102004047552A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus Aerogel-Faserverbundwerkstoffen beliebiger Geometrie, wobei man Vliese und/oder Gewebe in einen flexiblen Behälter einbringt, anschließend ein wässriges Material als Rohstoff für das Aerogel in den Behälter aus Folie einbringt, den Behälter mit einer dem Formköper entsprechenden Matrize in Kontakt bringt, die Gelbildung initiiert und unter Luftabschluss durchführt, und nach Belüftung des Behälters das Gel unterkritisch trocknet.

Description

Herstellung von Aerogel-Verbundwerkstoffen
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus Faserverbundwerkstoffen beliebiger Geometrie enthaltend Aerogel und Fasern und so erhältliche Formkörper.
Faserverbundwerkstoffe mit Kunststoff- oder Kohlenstoffmatrix und eingelagerten Glas- oder Kohlenstofffasern sind Stand der Technik. CFK (Carbonfaser-verstärkter Kunststoff) und GFK (Glasfaser-verstärkter Kunststoff) Verbundwerkstoffe haben ein spezifisches Gewicht, das in der Regel größer als 1,5 g/cm³ ist. Die elastischen Eigenschaften und die Festigkeiten werden vom Fasertyp und dem Volumengehalt an Fasern definiert. Die Verwebung der Fasern definiert die Anisotropie der mechanischen Eigenschaften. Wenn man ultraleichte Verbundwerkstoffe mit Dichten kleiner als 1 g/cm³ herstellen will, ist eine Matrix notwendig, die praktisch keine Dichte hat.
DE 103 00 979 A1 beschreibt ultraleichte Verbundwerkstoffe. In dem beschriebenen Verfahren wird Aerogelrohstoff und Fasermaterial in einen starren Behälter eingebracht und anschließend in einen Verbundwerkstoff umgewandelt.
US 6,087,407 A beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von faserverstärktem Aerogel, in dem eine Mischung aus Fasern und Sol in eine starre Gussform gegossen, geliert und anschließend überkritisch getrocknet wird.
DE 699 03 913 T2 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen von Aerogel und einer Vorrichtung dafür.
Nachteil des genannten Standes der Technik ist zum einen die überkritische Trocknung, die mit erheblichen Herstellungskosten verbunden ist und für viele Anwendungen nicht durchführbar ist. Andererseits hat der obengenannte Stand der Technik den entscheidenden Nachteil, dass die Form der resultierenden Formkörper durch starre Gießformen zwingend vorgeschrieben ist.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem faserverstärkte Aerogele in beliebigen Formen erhalten werden können, und wobei das faserverstärkte Aerogel nicht überkritisch getrocknet werden muss.
Die vorgenannte Aufgabe wird in einer ersten Ausführungsform gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus Aerogel-Faserverbundwerkstoffen beliebiger Geometrie, wobei man Vliese und/oder Gewebe in einen flexiblen Behälter einbringt, anschließend ein wässriges Material als Rohstoff für das Aerogel in den Behälter aus Folie einbringt, den Behälter mit einer dem Formkörper entsprechenden Matrize in Kontakt bringt, die Gelbildung initiiert und unter Luftabschluss durchführt, und nach Belüftung des Behälters das Gel unterkritisch trocknet.
Vorzugsweise werden als Fasern Kohlenstoff-, Glas- oder Polymerfasern wie Nylon, Aramid oder Keflar eingesetzt. Besonders bevorzugt ist es, wenn man als Vliese und/oder Gewebe, Kohlenstofffaservliese und/oder Kohlenstofffasergewebe einsetzt. Dies führt zu einer besonders guten Verbindung zwischen dem Aerogelrohstoff und dem Fasermaterial.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren sind Formkörper aus Faserverbundwerkstoffen erhältlich, die eine spezifische Dichte im Bereich von 300 bis 900 kg/m³, eine Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur bis 100 °C im Bereich von 50 bis 150 mW/Km, Festigkeiten im Bereich von 500 bis 1000 MPa, und einen Elastizitätsmodul im Bereich von 100 bis 200 Gpa aufweisen.
Vorteilhafterweise wird als flexibler Behälter ein Behälter aus Polyethylenfolie, eingesetzt. Dieser Behälter ist bevorzugt ein Plastikbeutel aus Polyethylen, der an einer Kante Kunststofftüllen aufweist. Durch die hohe Flexibilität eines solchen Behälters kann die Form des resultierenden Formkörpers aus Faserverbundwerkstoffen besonders leicht eingestellt werden. Flexibilität im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet also, dass der Formkörper beliebig frei formbar und verformbar ist, indem der Verbundwerkstoff erzeugt wird.
Vorzugsweise werden im erfindungsgemäßen Verfahren die zu verarbeiteten Fasermatten, Gewebe oder Vliese in einen Plastikfoliesack eingeschweißt, der mit ein oder zwei Ventilen versehen ist. Ein gleichmäßiger äußerer Druck auf diesen Foliensack in einer geeignet geformten Matrize erzeugt dann die vorgegebene Form.
Vorteilhafterweise verzichtet man auf das Evakuieren des Behälters vor dem Einfüllen des Rohstoffs für ein Aerogel, da hierdurch ein aufwendiger Herstellungsschritt eingespart werden kann und somit Kosten reduziert werden können.
Vorzugsweise wird ein Rohstoff einer Zusammensetzung eingesetzt, der Resorcin, Formaldehyd, Natriumcarbonat und Wasser enthält. Dadurch kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auf den breiten Erfahrungsschatz der Resorcin/Formaldehyd-Aerogel-Technologie zurückgegriffen werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Resorcin und Formaldehyd in einem Stoffmengenverhältnis im Bereich von 1,2 bis 1,4, besonders bevorzugt von 1,3 eingesetzt. Vorteilhafterweise wird in der Zusammensetzung Wasser und Resorcin/Formaldehyd in einem Volumenverhältnis in einem Bereich von 0,9 bis 1,1 eingesetzt. Durch diese besonderen Stoffmengen- und Volumenverhältnisse kann ein Faserverbundwerkstoff erhalten werden, der eine besonders hohe Festigkeit bei einer besonders niedrigen Dichte aufweist.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Rohstoff für das Aerogel vorzugsweise bei Normaldruck oder bei dem Druck, der gerade am Herstellungsort vorherrscht, in den Behälter eingebracht. Hierdurch kann der Herstellungsprozess erheblich vereinfacht und somit kostengünstig gestaltet werden.
Als Form der Matrix wird im erfindungsgemäßen Verfahren beispielsweise eine Form eingesetzt, die der negativen Form eines zylindrischen, besonderes bevorzugt eines rohrförmigen, Formkörpers entspricht. Dadurch können erstmals rohrförmige Formkörper aus Faserverbundwerkstoffen hergestellt werden, die Aerogel enthalten.
Vorzugsweise wird im erfindungsgemäßen Verfahren der Behälter mit der Matrize durch Einlegen des Behälters in die Matrize in Kontakt gebracht.
Im erfindungsgemäßen Verfahren wird die Matrize nach Inkontaktbringen mit dem Behälter vorteilhafterweise mit Druck belastet. Dadurch kann der im flexiblen Behälter befindliche Gelrohstoff mit Fasermaterial besonders leicht in seine endgültige Form gebracht werden.
Vorzugsweise wird im erfindungsgemäßen Verfahren der Behälter spätestens nach der Initiierung der Gelbildung luftdicht verschlossen und bei einer Temperatur in einem Bereich von 20 bis 80 °C für 2 bis 48 Stunden gelagert. Dadurch wird eine besonders homogene Gelierung gewährleistet.
Gelieren unter Luftabschluss und Trocken an Luft erzeugt feste Formkörper aus Faserverbundwerkstoffen mit besonders hohen Festigkeiten bei besonders niedrigen spezifischen Dichten.
Vorzugsweise werden die Vliese und/oder Gewebe bereits vor Einbringen in den Behälter mit dem Rohstoff für das Aerogel in Kontakt gebracht, wodurch sich eine dünner Polymerfilm auf der Oberfläche bildet. Hierdurch kann der Verbund zwischen dem Fasermaterial und dem Aerogel im resultierenden Faserverbundwerkstoff weiter optimiert werden.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Formkörper aus Faserverbundwerkstoffen werden im gesamten Bereich des Leichtbaus eingesetzt. So finden sie beispielsweise Einsatz in der Luftfahrt, im Schiffsbau, im Automobilbau oder auch im Rennsport.
Beispiel 1:
Ein handelsübliches Kohlenstoffvlies wurde zuerst durch eine Aerogellösung (Lösung aus Resorcin und Formaldehyd (Stoffmengenverhältnis 1,3:1), dem Natriumbikarbonat als Katalysator und Wasser (variabler Mengenanteil, mindestens 1 Teil Wasser auf 1 Teil Resorcin+Formaldehyd)) gezogen und direkt an Luft getrocknet, damit sich ein dünner Polymerfilm auf der Oberfläche bildet. Das Vlies wurde in einen Plastikbeutel (PE-Sack), der zwei Tüllen oder Ventile besaß eingelegt. Danach wurde der PE-Sack entlüftet (Wasserstrahlpumpenvakuum, ca. 10 mbar) und anschließend die polymere Aerogellösung eingefüllt. Zur Herstellung von Platten wurde der PE-Sack zwischen zwei Stahlplatten von geeigneter Dicke gelegt. Zur Einstellung des Verhältnisses Faseranteil/Matrixanteil blieb eine der Entlüftungs-/Befüllungsöffnungen am PE-Sack offen, so dass der Druck durch die Stahlplatten überschüssige Lösung entfernte. Der PE-Sack wurde luftdicht geschlossen und in einem Trockenschrank bei 30°C für 12 h gelagert. Dabei gelierte das RF-Sol zu einem polymeren Aerogel und gleichzeitig wurden die Fasern von diesem Gel gebunden. Trocknen des nassen Aerogels bei 30 °C in einem Trockenschrank (geöffneter PE-Sack) erzeugte innerhalb von 12 h den Verbundwerkstoff in der vorgegebenen Form.
Beispiel 2 (nicht erfindungsgemäß):
Rohre wurden in einer leichten Abwandlung des Verfahrens gemäß Beispiel 1 hergestellt, indem handelsübliche Kohlenstofffasermatten über Walzen durch die Aerogellösung gezogen und auf ein Stahlrohr vorgegebenen Durchmessers aufgewickelt wurden (getestete Rohrdurchmesser 20, 25 und 30 mm, Längen 100 bis 200 mm). Wenn eine ausreichende Zahl an Lagen von Gewebematten aus Kohlenstofffasern auf dem Rohr aufgewickelt waren (10 bis 20 Lagen), wurde das Rohr noch einmal in die Aerogellösung getaucht (zur Absicherung der vollständigen Infiltration mit dem Aerogel-Sol) und mit einer PE-Folien umwickelt, die anschließend zugeschweißt wurde. Nach Gelierung und Trocknung erhielt man entsprechende Rohre.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus Aerogel-Faserverbundwerkstoffen beliebiger Geometrie, wobei man Vliese und/oder Gewebe in einen flexiblen Behälter einbringt, anschließend ein wässriges Material als Rohstoff für das Aerogel in den Behälter aus Folie einbringt, den Behälter mit einer dem Formköper entsprechenden Matrize in Kontakt bringt, die Gelbildung initiiert und unter Luftabschluss durchführt, und nach Belüftung des Behälters das Gel unterkritisch trocknet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man als Vliese und/oder Gewebe Kohlenstofffaservliese und/oder Kohlenstofffasergewebe einsetzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man als flexiblen Behälter einen Behälter aus Polyethylenfolie einsetzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass man als Rohstoff eine Zusammensetzung einsetzt, die Resorcin, Formaldehyd, Natriumcarbonat und Wasser enthält.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass man Resorcin und Formaldehyd in einem Stoffmengenverhältnis im Bereich von 1,2 bis 1,4 einsetzt, wobei das Volumenverhältnis von Wasser zu Resorcin/Formaldehyd in einem Bereich von 0,9 bis 1,1 eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass man den Rohstoff für das Aerogel bei Normaldruck in den Behälter einbringt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass man eine Form der Matrix einsetzt, die der negativen Form eines zylindrischen, insbesondere eines rohrförmigen Formkörpers entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass man den Behälter mit der Matrize durch Einlegen des Behälters in die Matrize in Kontakt bringt.
Verfahren nach einem Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass man die Matrize nach Inkontaktbringen mit dem Behälter mit Druck belastet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass man spätestens nach der Initiierung der Gelbildung den Behälter luftdicht verschließt und bei einer Temperatur in einem Bereich von 20 bis 80 °C für 2 bis 48 h lagert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der flexible Behälter nach Einbringen der Vliese und/oder Gewebe evakuiert wird.