DE102007033566B3

DE102007033566B3 - Mehrkomponentiges anorganisches Bindemittel, Verbundsystem, Verfahren zur Herstellung des Verbundsystems und Verfahren zum Lösen der Klebeverbindung in dem Verbundsystem

Info

Publication number: DE102007033566B3
Application number: DE200710033566
Authority: DE
Inventors: Gerhard Fauner; Hasso Wendker
Original assignee: Wendker Hasso Dipl-Ing
Current assignee: Wendker Hasso Dipl-Ing
Priority date: 2007-07-19
Filing date: 2007-07-19
Publication date: 2008-12-11
Anticipated expiration: 2027-07-20

Abstract

Ein chemisch und/oder physikalisch aushärtbares bzw. sich verfestigendes, mehrkomponentiges Bindemittel, wobei mindestens eine erste Komponente des Bindemittels vor dem Aushärten bzw. Verfestigen als anorganisches, nanofeines Pulver mit einer mittleren Partikelgröße <= 1 µm und eine zweite Komponente des Bindemittels als Reaktionspartner für die erste Komponente und/oder als Reaktionsbeschleuniger oder Katalysator in Form einer anorganischen oder wässrigen Flüssigkeit vorliegen, ist dadurch gekennzeichnet, dass als dritte Komponente ein Metallpulver mit einer mittleren Partikelgröße <= 10 µm vorgesehen ist, welches Weichmetalleigenschaften aufweist. Hierdurch können anorganische Verbindungsschichten hergestellt werden, die eine höhere Flexibilität und eine verbesserte Festigkeit aufweisen als bisherige anorganische Bindemittel.

Description

Die Erfindung betrifft ein mehrkomponentiges durch Vernetzung verfestigbares Bindemittel.
Ein derartiges Bindemittel ist bspw. aus DE 198 12 577 C1 bekannt.
Man unterscheidet zwischen organischen und anorganischen Klebstoffen.
Organische Klebstoffe haben eine sehr begrenzte Wärmebeständigkeit, die ihre Anwendung z. B. im Maschinenbau und im Bauwesen oft einschränkt. Sie reicht bei handelsüblichen bis hochfesten Strukturklebstoffen bis ca. 200°C, bei den chemisch nicht eindeutig zuzuordnenden Silikon-Klebstoffen bis 330°C und bei Polyimidklebstoffen und deren Abkömmlingen bis ca. 400°C.
Langzeit – Temperaturbeständigkeiten von 400°C bis zu 1500°C, die zur Lösung einer Reihe von Verklebungs- und Vergussproblem in der heutigen Technik erforderlich sind, können nur mit anorganischen Bindemittel erreicht werden.
Anorganische Bindemittel sind schon aus der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts bekannt. Es waren insbesondere Wasserglasprodukte, die vor allem für kleinflächige, hitzebeständige und schwingungsfreie Verbindungen eingesetzt wurden. Jedoch scheitert deren Anwendung, z. B. in der Gerätefertigung, oft an der Sprödigkeit, aufgrund derer sie kaum in der Lage sind, größere Dehnunterschiede zwischen den zu verbindenden Bauteilen auszugleichen und Schwingbeanspruchungen und betriebsbedingten Verformungen standzuhalten.
Insgesamt zeichnen sich anorganische nichtmetallische Bindemittel durch geringe Flexibilität und hohe Sprödigkeit aus. Dadurch stößt ihre Verwendbarkeit trotz positiver Eigenschaften wie Hitzebeständigkeit, Unbrennbarkeit, große Härte und chemische Beständigkeit dort an ihre Grenzen, wo es zusätzlich um Schwingfestigkeit, Wärmedehnung und einsatzbedingte Verformungen geht.
Handelsübliche anorganische Bindemittel, insbesondere Klebstoffe basieren vor allem auf Aluminiumoxid, Aluminiumsilikat, Siliziumoxid, Zirkonoxid, Zirkonphosphat, Magnesiumoxid, Magnesiumsphosphat, Kalziumoxid.
Eine Weiterentwicklung durch Verwendung nanoskaliger Komponenten, die in die chemische Reaktion einbezogen werden, wird in DE 198 12 577 C1 und EP 0 842 967 A3 beschrieben. Die nanoskaligen Komponenten basieren auf Silanen beziehungsweise Silikaten. Die Verarbeitung der sehr feinen staubartigen und reaktionsfreudigen Komponenten wird in EP 1 082 273 B1 beschrieben. Die ausschließlich auf nanoskaligen Komponenten basierenden Verbindungen sind dann so stark vernetzt, dass sie kochfest und hart, aber extrem spröde und völlig unflexibel sind. Dies hat zur Folge, dass sich Risse schnell und ungehemmt ausbreiten, was wiederum zum Beschädigungen der Verbindungsstellen und Klebschichten führt, bei denen anorganische Bindemittel beteiligt sind.
Da Klebstoffe trotz ihrer großen Bedeutung für die moderne Technik immer noch als "Hilfsstoffe" eingestuft werden, wird bis jetzt auch ihr bruchmechanisches Verhalten noch zu wenig gewürdigt. Zwar sind die Möglichkeiten der Rissfortpflanzung in Festkörpern bekannt, ebenso einige Eindämmungsversuche, jedoch existiert bis jetzt keine Lehre, welche Rissstoppmechanismen für mechanisch beanspruchte Schichten aus anorganischen Klebstoffen anzuwenden sind. Verschiedene metallische und nicht metallische Zusätze für Zemente, Keramik und anorganische Bindemittel beziehungsweise Klebstoffe sind seit längerem in Gebrauch. Sie dienen jedoch nur als Füll- und Dichtstoffe beziehungsweise für die Verbesserung der Wärme- und der elektrischen Leitfähigkeit.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgegenüber, ein mehrkomponentiges Bindemittel der eingangs beschriebenen Art vorzustellen, das eine höhere Flexibilität und einer verbesserte Festigkeit besitzt als bisherige Bindemittel. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung ein widerstandfähigeres Verbundsystem ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Verbundsystems sowie ein Verfahren zum Lösen einer mittels des Bindemittels hergestellten Kleberverbindung in einem Verbundsystem vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Bindemittel gemäß Patentanspruch 1 sowie durch ein Verbundsystem gemäß Patentanspruch 9 einem Verfahren zur Herstellung eines Verbundsystems gemäß Patentanspruch 11 und einem Verfahren zum Lösen einer Kleberverbindung gemäß Anspruch 15 gelöst.
Das erfindungsgemäße Bindemittel umfasst eine erste Komponente in Form mindestens eines anorganischen, nanofeinen Pulvers mit einer mittleren Partikelgröße ≦ 1 μm, welche in Anwesenheit einer eine zweite Komponente unter Freisetzung von Spaltprodukten vernetzend reagiert, wobei die zweite Komponente in Form einer wässrigen Flüssigkeit vorliegt, und eine dritte Komponente, die sich während der Vernetzung der anorganischen Partikel der ersten Komponente in den Verbund der anorganischen Partikel einlagert, ohne Bindungen mit diesen einzugehen, in Form mindestens eines Metallpulvers mit einer mittlerer Partikelgröße ≦ 10 μm und einer Brinellhärte nach DIN 50 351 von 3 bis 39 HB 5/31,2/15 und/oder 6 bis 78 HB 5/62,5/15 und/oder 11 bis 158 HB 5/125/15 und/oder 22 bis ca. 100 HB 2,5/62,5/154 nach DIN 50 351.
Bei der Verarbeitung des erfindungsgemäßen Bindemittels findet eine Vernetzung der Partikel des anorganischen, nanofeinen Pulvers der ersten Komponente statt. Die Partikel der dritten Komponente durchsetzen die gehärtete Bindemittelschicht als feinste Einlagerungen ohne dabei feste Bindungen mit den anderen Komponenten einzugehen, so dass kein durchgehärteter starrer anorganischer Polymerblock von vernetzten Partikeln der ersten Komponente, sondern ein Raumgerüst entsteht, in dem sich Metallpulvereinlagerungen mit spannungsausgleichender und dämpfender Wirkungen befinden. Diese spannungsausgleichenden und dämpfenden Wirkungen sind auf die Weichmetalleigenschaften der dritten Komponente zurückzuführen. Ein solches Gerüst weist eine höhere Flexibilität auf als ein durchgehärteter Kompaktblock, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist. Das erfindungsgemäße Bindemittel ermöglicht somit die Herstellung von flexibleren und damit widerstandsfähigeren Verbindungsschichten.
Das Metallpulver der dritten Komponente liegt dabei vorzugsweise in nanofeiner Form vor und weist eine mittlere Partikelgröße ≦ 1 μm auf. Durch die Verwendung eines solchen nanofeinen Metallpulvers kann auch die abrasive Wirkung auf die Geräte bei der maschinellen Verarbeitung verringert werden.
Besonders vorteilhaft ist es daher wenn das Metallpulver der dritten Komponente eine mittlere Partikelgröße ≦ 700 nm, vorzugsweise zwischen 100 nm und 500 nm aufweist.
Ebenso ist es von Vorteil, wenn die erste Komponente eine mittlere Partikelgröße ≦ 700 nm, vorzugsweise zwischen 100 nm und 500 nm aufweist. Bindemittel mit derartig kleinen Pulverpartikeln lassen sich problemlos mit Hilfe von feinen Düsen auftragen.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bindemittels enthält die dritte Komponente Zinkpulver.
Zusätzlich oder stattdessen kann die dritte Komponente ein Weichmetallpulver in Form von Aluminium und/oder Kupfer und/oder Blei und/oder Magnesium und/oder Zinn und/oder Beryllium mit Brinellhärten 3 bis 39 HB 5/31,2/15 und/oder 6 bis 78 HB 5/62,5/15 und/oder 11 bis 158 HB 5/125/15 und/oder 22 bis 100 HB 2,5/62,5/15 nach DIN 50 351 enthalten. Diese Materialien sind Weichmetalle und eignen sich daher als dämpfende Einlagerungen in einer Verbindungsschicht.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass die dritte Komponente ein Metallpulver enthält, das beim Aushärten des Bindemittels chemisch aufschäumt. Auf diese Weise werden Hohlräume geschaffen, was wiederum zu einer gerüstartigen Struktur der vernetzten Partikeln der ersten Komponente führt. Die dabei entstehenden Hohlräume innerhalb der Verbindungsschicht wirken als Rissstopp-Punkte. Eine solche Verbindungsschicht weist gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verbindungsschichten eine höhere Flexibilität und eine geringe Dichte auf.
Bei einem derartigen Bindemittel enthält die dritte Komponente vorzugsweise Lithium und/oder Natrium und/oder Kalzium.
Zur Erhöhung der elektrischen und/oder Wärme-Leitfähigkeit der zu erzeugenden Verbindungsschicht kann es von Vorteil sein, wenn die dritte Komponente Edelmetallpulver, insbesondere Silberpulver enthält. Darüber hinaus kann hiermit auch die Reaktivität der dritten Komponente verringert werden.
Die Erfindung betrifft auch ein Verbundsystem mit zwei über eine ausgehärtete anorganische Verbindungsschicht verbundenen Bauelementen, wobei die Verbindungsschicht mittels eines zuvor beschriebenen Bindemittels hergestellt ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verbundsystem ist die ausgehärtete Verbindungsschicht in Form eines Gerüsts aus vernetzten anorganischen Nanopartikeln ausgebildet ist, wobei das Gerüst Metallpulvereinschlüsse umgibt. Das Gerüst hat eine tragende Funktion und besteht aus Partikeln der ersten Komponente. Die Me tallpulvereinschlüsse wirken als Stützkörper für das Gerüst mechanisch dämpfend und bauen Spannungsspitzen innerhalb der Verbindungsschicht ab. Durch die Metallpulvereinschlüsse, welche als Fein- bis Nanopulvereinlagerung vorliegen, ist das Gerüst biegsam und erhöht damit die Flexibilität der Verbindungsschicht. Darüber hinaus wird die Rissbildung und -fortpflanzung gehemmt. Die Gefahr der Entstehung von Kerbspannungen durch die eingeschlossene Metallpartikel ist zumindest bei mikro- bis nanofeinen Metalleinschlüssen vernachlässigbar.
Erfindungsgemäß ist der Wärmeausdehnungskoeffizient der Metallpulvereinschlüsse größer als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials des Gerüsts. Somit kann durch Erhitzen der Metallpulvereinschlüsse ein Innendruck in der Verbindungsschicht aufgebaut und die Klebeverbindung, mit der die Bauteile verbundenen sind, zerstörungsfrei gelöst werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbundsystems macht der Anteil des Metallpulvers innerhalb der Verbindungsschicht mindestens 10 Gew%, vorzugsweise mindestens 30 Gew%, aus. Hierdurch wird eine deutliche Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit und der Wärmeleitfähigkeit für die verschiedensten klebetechnischen Anwendungen, z. B. für antistatische Effekte, erreicht.
Drüber hinaus betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundsystem mittels eines erfindungsgemäßen Bindemittels, wobei der ersten Komponente des Bindemittels zunächst die dritte Komponente zugemischt wird, und anschließend durch Anmischen mit der zweiten Komponente eine chemische Vernetzung der anorganischen Nanopartikel der ersten Komponente unter Bildung eines flexiblen Raumgerüsts eingeleitet wird, die Mischung aus erster, zweiter und dritter Komponente vor Abschluss der chemischen Vernetzung zur anorganischen Verbindungsschicht verarbeitet wird, und die durch die dritte Komponente gebildeten Metallpulvereinschlüsse zur beschleunigten Verfestigung des Bindemittels der Verbindungsschicht durch Anlegen eines elektromagnetischen Wechselfeldes erwärmt werden. Die Metallpulverpartikel werden dabei in den Verbund der vernetzenden Nanopartikeln der ersten Komponente des erfindungsgemäßen Bindemittels eingelagert.
Bei Raumtemperatur benötigt die chemische Vernetzungsreaktion zwischen 24 Stunden und mehreren Wochen, um die mechanisch-physikalischen Endwerte einer Klebung beziehungsweise eines Kompaktkörpers aus dem anorganischen Bindemittel zu erreichen. Darüber hinaus kommt es, bei konventioneller Aushärtung mit Wärmezufuhr von außen nach innen, besonders bei dickeren Schichten wegen des dabei entstehenden Temperaturgradienten und der Dehnungsdifferenz oft zu Wärmespannungen mit der Gefahr der Rissbildung. Durch eine Erwärmung der Verbindungsschicht von innen über die Metalleinschlüsse kann dies verhindert werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn durch die Metallpulvereinschlüsse Spaltprodukte, die bei der chemischen Vernetzung während des Zufügens der zweiten Komponente des Bindemittels zu der ersten und dritten Komponente entstehen, gebunden werden. Durch die Bindung der Spaltprodukte, wie z. B. H₂O, wird vermieden, dass diese Spaltprodukte entweichen und somit ein Schwund innerhalb der Verbindungsschicht entsteht. Ebenso wird die Bildung von Gasblasen verhindert. Auf diese Weise wird eine definierte Dichte der Verbindungsschicht gewährleistet und das Eindringen von Fremdstoffen in die Schicht erschwert.
Vorzugsweise werden die Metallpulvereinschlüsse auf eine Temperatur zwischen 100°C und 300°C erwärmt.
Bei einer besonders bevorzugten Variante des Verfahrens liegen die erste und die dritte Komponente bis zu ihrer Vermischung getrennt vakuumverpackt vor. Funktionsbeeinträchtigungen, wie beispielsweise unerwünschte Agglomeration der Partikel der ersten Komponente und ihre chemische Veränderung, können damit eingeschränkt oder ganz unterbunden werden.
Gegenstand der Erfindung auch ein Verfahren zum Lösen einer mittels eines erfindungsgemäßen mehrkomponentigen Bindemittels hergestellten Klebeverbindung in einem erfindungsgemäßen Verbundsystem, wobei die Metallpulvereinschlüsse in der Klebeverbindung durch Anlegen eines elektromagnetischen Wechselfeldes so stark erhitzt werden, dass es aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen des anorganischen Raumgerüsts und der Metallpulvereinschlüsse zu mechanischen Spannungen und daraus resultierend zu einer Sprengung des anorganischen Raumgerüsts kommt. Auf diese Weise können Klebeverbindungen bruchempfindlicher Bauteile, wie zum Beispiel aus Keramik, schadensfrei wieder gelöst werden. Dies kann z. B. für Reparaturzwecke bei der zunehmenden und bis jetzt verbindungstechnisch problematischen Verwendung von Keramik im Motorbau nützlich sein.
Hierbei werden die Metallpulvereinschlüsse vorzugsweise auf eine Temperatur zwischen 300°C und 1000°C erhitzt.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:
1 einen Ausschnitt eines Raumgerüst eines aus anorganischen Feinstpulver eines erfindungsgemäßen Bindemittels durch Einlagerungen von Metallpulver entstandenen Polymerblocks;
2 einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßes Verbundsystem unter Einwirkung von Scherkräften;
3a eine schematische Darstellung der Rissausbreitung in einem Kompaktkörper;
3a eine schematische Darstellung der Rissausbreitung in einer erfindungsgemäßen Verbindungsschicht; und
4 ein Reaktionsschema einer Kondensationsreaktion, die zur Vernetzung von Polysilicaten der ersten Komponente des erfindungsgemäßen Bindemittels führt.
Das erfindungsgemäße Bindemittel besteht aus mindestens drei Komponenten, wobei die erste Komponente ein anorganisches Feinstpulver ist, welches vorzugsweise aus Nanopartikeln besteht. Als erste Komponente eignen sich z. B. Polysilicate und Verbindungen auf Zirkonbasis. Diese Partikel der ersten Komponente können durch Zugabe einer anorganischen oder wässrigen Flüssigkeit als Reaktionspartner, Reaktionsbeschleuniger oder Katalysator (zweite Komponente) unter Freisetzung von Spaltprodukten vernetzen, was zu einer Aushärtung des Gemisches führt. Die zweite Komponente ist dabei reaktionsauslösend.
Typisch für die Aushärtung von Phosphaten und Alkalisilikaten sind Kondensationsreaktionen, die zu einer Vernetzung führen. 4 zeigt ein typisches Reaktionsschema einer solchen Kondensationsreaktion mit einer Vernetzung von Polysilicaten. Die dabei als zweite Komponente eingesetzten Härter (oft auch "Verdünner" genannt) basieren auf einer wässrigen Flüssigkeit oder auf Wasserglas, das allerdings bei der Härtung fest eingebunden wird. Dabei entsteht das Spaltsprodukt H₂O, welches Blasenbildung und Schwund begünstigt und die Qualität von z. B. Klebschichten beeinträchtigen kann.
Als Mischungsverhältnis von erster Komponente (anorganisches Pulver) zu zweiter Komponente (Härter) werden in der Fachliteratur 2 bis 3 Gewichtsteile anorganisches Pulver zu 1 Gewichtsteil Härter empfohlen. Bei Feinstpulver mit erhöhten Anteilen an Nanopartikeln kann ohne Störung der Stöchiometrie der Anteil des Härters auf bis zu 50% erhöht werden, was auf die größere Oberflächenenergie und gesteigerte Reaktionsfähigkeit aufgrund des höheren Oberflächen-Volumenverhältnisses jener Partikel zurückgeführt werden kann. Damit gewinnt man für die Verarbeitungsphase durch geringere Viskosität Vorteile bezüglich eines Sprüh- und Flüssigauftrags und weniger abrasive Beanspruchung der Geräteteile.
Eine solche Vernetzungsreaktion führt bei den aus dem Stand der Technik bekannten Bindemitteln zu einem kompakten Polymerblock, der zum einen spröde und unflexibel ist und zum andern durch die Freisetzung der Spaltprodukte einem Schwund ausgesetzt ist. Beides macht eine durch ein solches Bindemittel hergestellte Verbindungsschicht anfällig für Rissbildung.
Um einer solchen Rissbildung vorzubeugen sieht das erfindungsgemäße Verfahren daher vor, dass vor der Zumischung des Härters (zweite Komponente) zu dem anorganischen Pulver (ersten Komponente) dem anorganischen Pulver eine dritte Komponente in Form eines Metallpulvers zugemischt wird. Dieses Metallpulver liegt vorzugsweise in nanofeiner Form vor und enthält kristalline Weichmetallpartikel oder Metallpartikel, welche zumindest bei niedriger Langzeitbeanspruchung und kleinen Partikelgrößen Weichmetalleigenschaften aufweist. Unter Weichmetalleigenschaften wird sowohl die leichte Umformbarkeit des Materials bei niedrigem Verarbeitungsdruck als auch die Kriech-/Fließfähigkeit des Material bei langsamer Beanspruchung (kleine Krafteinwirkung pro Zeit) verstanden. Die Brinellhärten solcher Metalle liegen im Allgemeinen bei 3 bis 39 HB 5/31,2/15 bzw. 6 bis 78 HB 5/62,5/15 bzw. 11 bis 158 HB 5/125/15 bzw. 22 bis 100 HB 2,5/62,5/15 nach DIN 50 351. Die als dritte Komponente verwendbaren Materialien müssen demnach bei niedriger bzw. langsamer Beanspruchung duktil und fließfähig sein. Zink beispielsweise weist diese Eigenschaften bei niedriger Beanspruchung auf, auch wenn es bei schneller Druckeinwirkung spröde reagiert, und ist daher als dritte Komponente für das erfindungsgemäße Bindemittel geeignet. Darüber hinaus ist Zink auch im Temperaturbereich von 100°C bis 150°C weich. Schon bei Temperaturen zwischen Raumtemperatur und 100°C neigt Zink zum Kriechen (kalter Fluss), was ihm vor allem bei Partikelgrößen im Nanometerbereich einen Weichmetallcharakter verleiht.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Partikel des Metallpulvers während der Vernetzung der anorganischen Partikel der ersten Komponente in den Verbund der anorganischen Partikel eingelagert, ohne Bindungen mit diesen einzugehen. Eine auf diese Weise entstandene Verbindungsschicht 1 ist in 1 gezeigt. Es entsteht hierdurch kein durchgehärteter starrer anorganischer Polymerblock, sondern ein Raumgerüst 2 in Form eines Skeletts, welches die Metallpulverpartikel der dritten Komponente umgibt. Die Metallpulverpartikel bilden Metallpulvereinschlüsse 3 innerhalb der Verbindungsschicht 1, welche bei Krafteinwirkung auf die Verbindungsschicht 1 aufgrund ihrer Weichmetalleigenschaften die Spannung auf das umgebende Gerüst nicht erhöhen, sondern Spannungsspitzen auffangen und abbauen. Das durch das erfindungsgemäße Verfahren entstehende Raumgerüst aus anorganischen Nanopartikeln ist flexibler als ein gleichvolumiger Kompaktblock aus demselben Material. 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Verbundsystem 4 mit zwei durch eine erfindungsgemäße Verbindungsschicht 1 verbundenen Bauelementen 5a, 5b. Durch die innerhalb der Verbindungsschicht 1 als Stützkörper spannungsausgleichend und mechanisch dämpfend wirkenden Metallpulvereinschlüsse 3 bewirkt eine in 2 gezeigte Krafteinwirkung F keine Beschädigung des Verbundsystems 4, sondern lediglich eine elastische Verformung der Verbindungsschicht.
Neben der Bildung des anorganischen Raumgerüsts 2 wirken die Metallpulvereinschlüsse 3 auch bis in den submikroskopischen Bereich als Rissstoppzusätze. 3a zeigt eine schematische Darstellung der Rissausbreitung in einem Kompaktkörper 6. Ein Riss 7a kann sich geradlinig durch den Kompaktkörper 6 ausbreiten, was eine schnelle Rissausbreitung zur Folge hat (Autobahneffekt). 3b zeigt einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Verbindungsschicht 1, mit einem Metallpulvereinschluss 3. Ein auf einen solchen Metallpulvereinschluss 3 (Rissstopppartikel) treffender Riss 7b muss den Metallpulvereinschluss 3 umlaufen, was zu einem längeren Rissweg führt (Roundabout-Effekt) und die Ausbreitung des Risses 7b verlangsamt. Die Lebensdauer der erfindungsgemäßen Verbindungsschicht 1 wird daher gegenüber konventionellen Verbindungsschichten erhöht.
Bei der Verwendung von reaktiven Metallpulvereinschlüssen wird erreicht, dass die Metallpulverpartikel die bei der Aushärtung durch Polykondensation entstehenden Spaltprodukte, hier vor allem H₂O, binden. Hierdurch kann ein Entweichen der Spaltprodukte und ein damit verbundener Materialschwund verhindert werden. Die Bildung von Anrissen durch Schwinden des Materials wird hierdurch minimiert. Darüber hinaus kann auf diese Weise Gasblasenbildung im Material eingeschränkt werden.
Die Metallpulverpartikel, zum Beispiel aus Zink, können je nach vorangegangener Lagerdauer und -art mehr oder weniger Feuchte binden. Ihre Korrosion, selbst wenn es durch den Mangel an CO₂ zu "Weißrostbildung" im Innern des Materialverbundes kommt, ist einmalig und für die Qualität unbeachtlich, wegen des umgebenden anorganischen Gerüsts.
Alternativ hierzu ist es jedoch auch denkbar, ein Material für die Metallpulvereinschlüsse 3 zu wählen, das beim Aushärten des Bindemittels chemisch aufschäumt und somit gezielt Gasbläschen erzeugt. Besonders reaktive Weichmetalle können durch Dissoziation eine Aufspaltung von H₂O-Molekülen bewirken. Das hat zur Folge, dass der Sauerstoff mit dem jeweiligen Metall Oxide bildet, während durch den freigesetzten Wasserstoff Gasblasen entstehen. So kann bei der Härtung des anorganischen Bindemittels eine Schäumung erreicht werden, die ebenso die Bildung eines massiven Blocks verhindert und zu einem Raumgerüst führt, das je nach Metallpartikelgröße von Nano- bis Mikrohohlräumen (Lunkern) durchsetzt ist. Solche Lunker wirken wie die Metallpulvereinschlüsse 3 als Rissstopp-Punkte, da Anrisse sie ebenso umlaufen müssen wie die Metallpulver- bzw. Oxideinschlüsse, wie in 3b gezeigt. Besonders reaktionsfreudig sind in diesem Zusammenhang Alkalimetalle wie Natrium, Kalium und Kalzium, aber auch die Leichtmetalle, wie z. B. Lithium.
Durch die Einlagerung von Metallpulverpartikeln in die erfindungsgemäße Verbindungsschicht 1 können sowohl die elektrische als auch die Wärmeleitfähigkeit der Verbindungsschicht 1 beeinflusst werden.
Die Metallpulvereinschlüsse 3 können mit Hilfe von HF-Feldern erhitzt werden. Durch die Wärmeabstrahlung der Metallpulvereinschlüsse 3 in die angrenzenden anorganischen Materialbereiche (Raumgerüst 2) wird eine wirksame, schnelle Warmaushärtung realisiert, was insbesondere bei dicken Verbindungsschichten vorteilhaft ist, da diese wegen der beim konventionellen Warmaushärten mit Zufuhr der Wärme von außen auftretenden Spannungen vermehrt zur Rissbildung neigen.
Darüber hinaus können die Metallpulvereinschlüsse mit der zuvor beschriebenen Technik auch so stark erhitzt werden, dass eine Sprengung des anorganischen Polymergerüsts erfolgt, wodurch auch Klebeverbindungen bruchempfindlicher Bauteile, wie zum Beispiel aus Keramik, schadensfrei wieder gelöst werden können. Dieses behutsame Absprengen ist möglich, wenn der Wärmedehnungskoeffizient der Metalleinschlüsse 3 größer ist als der Wärmedehnungskoeffizient der ausgehärteten anorganischen Verbindungsschicht. Dies ist beispielsweise der Fall bei der Verwendung von Aluminiumpulver als dritte Komponente (α_Al ~ 24 10^–6 K^–1) und einer auf Silikatbasis basierenden anorganischen ersten Komponente (α ~ 3–10 10^–6 K^–1).
Wird das erfindungsgemäße Bindemittel bei höheren Betriebstemperaturen, beispielsweise im Bereich von 300°C bis 1000°C eingesetzt, so gehen Weichmetalle, deren Schmelzpunkt (bei Legierungen Schmelzbereich, beziehungsweise Eutektika) vom kristallinen in den amorphem Zustand über. Inwieweit nano- bis mikrofeine Metallpartikeln, die ja nur aus wenigen Gitterzellen bestehen, diesen Prinzipien folgen, ist noch nicht bekannt. Jedoch dürften sich solche Einschlüsse, da sie vom anorganischen Gerüst umgeben sind, wie metallische Gläser (also zwar amorph, jedoch stabil) verhalten. Sind die Metallpulvereinschlüsse 3 in Form von Weichmetall- und/oder Alkalimetalleinschlüssen durch den vorangegangenen Härtungsprozess mit der Zerlegung beziehungsweise chemischen Bindung des Spaltproduktes H₂O oxidiert, so ist damit sowieso eine Erhöhung der Temperaturbeständigkeiten gegen Schmelzen verbunden. Bei vorgesehenem Hochtemperatureinsatz empfiehlt es sich jedoch, das anorganische Raumgerüst 2 und die Metallpulvereinschlüsse 3 so aufeinander abzustimmen, dass ein möglichst geringer Unterschied zwischen den beiden Wärmeausdehnungskoeffizienten besteht, um so niedrige mechanische Spannungen beim Erhitzen des Bindemittels zu gewährleisten. Dies steht nicht im Widerspruch zur oben beschriebenen Lösbarkeit des erfindungsgemäßen Verbundsystems 4 durch HF-Erhitzung der Metallpulvereinschlüsse 3, da bei einem solchen Lösungsprozess die Erhitzung, im Gegensatz zu hohen Betriebstemperaturen, gezielt schockartig von feinsten Hitzezentren (Metallpulvereinschlüsse 3) ausgehend von innen nach außen erfolgt, wodurch auch bei kleinen Unterschieden in den Wärmeausdehnungskoeffizienten die unterschiedliche Wärmeausdehnung von anorganischen Raumgerüst 2 und Metallpulvereinschlüssen 3 zur Geltung kommt und hohe innere Spannungen erzeugt.
Neben den für die Rissausbreitung verzögernden Eigenschaften der erfindungsgemäßen Metallpulvereinlagerungen in einem anorganischen Raumgerüst können die Metallpulvereinlagerungen auch zur optischen Angleichung anorganischer Klebstoffe bei der Verbindung von metallischen Konstruktionsteilen dienen.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass durch der Einlagerungen von Metallpulverpartikeln und die chemische Vernetzung von anorganischen Nanopartikeln des erfindungsgemäßen Bindemittels ein flexibles Raumgerüst erzeugt wird, in dem die Metallpulvereinschlüsse mehrfunktionell, jedoch hauptsächliche spannungsausgleichend, dämpfend, rissstoppend, kondensatbindend und als Wärmekeime für eine HF-Härtung wirken. Das erfindungsgemäße Bindemittel bietet daher ein enormes Fortschrittpotenzial im Vergleich zu organischen Klebstoffen, und kann dazu beitragen, einige Hürden beim Einsatz für umfangreichere technische Anwendungen, zum Beispiel bei der Realisierung des treibstoffsparenden und dadurch umweltfreundlichen Keramik-Triebwerks in der Serienfertigung, zu überwinden. Das erfindungsgemäße Bindemittel kann dabei hauptsächlich Ausgangsstoff für Kleb- und Dichtzwecke sein.
Neben der Keramik- Technologie im Triebwerksbau ist auch eine Anwendung des erfindungsgemäßen Bindemittels in der Zahnmedizin zur Verklebung von Inlays, Kronen, Brücken etc. denkbar. Hierbei sollten vorzugsweise nickelfreie und gewebeverträgliche Materialien als Komponenten des Bindemittels zum Einsatz kom men. Darüber hinaus empfiehlt es sich für die Behandlung elektrosensibler Patienten die Leitfähigkeit des Metallpulvers der dritten Komponente klein zu halten.

1: Verbindungsschicht
2: Raumgerüst
3: Metallpulvereinschlüsse
4: Verbundsystem
5a, 5b: Bauelemente
6: Kompaktkörper
7a, b: Riss
F: Krafteinwirkung

Claims

Mehrkomponentiges durch Vernetzung verfestigbares Bindemittel aus – einer ersten Komponente in Form mindestens eines anorganischen, nanofeinen Pulvers mit einer mittleren Partikelgröße ≦ 1 μm, welche in Anwesenheit einer zweiten Komponente unter Freisetzung von Spaltprodukten vernetzend reagiert, – wobei die zweite Komponente in Form einer wässrigen Flüssigkeit vorliegt, und einer dritten Komponente, die sich während der Vernetzung der anorganischen Partikel der ersten Komponente in den Verbund der anorganischen Partikel einlagert, ohne Bindungen mit diesen einzugehen, in Form mindestens eines Weichmetallpulvers mit einer mittlerer Partikelgröße ≦ 10 μm, und einer Brinellhärte nach DIN 50 351 im Bereich von 3 bis 39 HB 5/31,2/15 oder 6 bis 78 HB 5/62,5/15 oder 11 bis 158 HB 5/125/15 oder 22 bis 100 HB 2,5/62,5/15.
Bindemittel nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallpulver der dritten Komponente in nanofeiner Form vorliegt und eine mittlere Partikelgröße ≦ 1 μm aufweist
Bindemittel nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallpulver der dritten Komponente eine mittlere Partikelgröße ≦ 700 nm, vorzugsweise zwischen 100 nm und 500 nm aufweist.
Bindemittel nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Komponente eine mittlere Partikelgröße ≦ 700 nm, vorzugsweise zwischen 100 nm und 500 nm aufweist.
Bindemittel nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Komponente Zinkpulver und/oder ein Weichmetallpulver in Form von Aluminium und/oder Kupfer und/oder Blei und/oder Magnesium und/oder Zinn und/oder Beryllium enthält.
Bindemittel nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Komponente mindestens ein Metallpulver enthält, das beim Aushärten des Bindemittels chemisch aufschäumt.
Bindemittel nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Komponente Lithium und/oder Natrium und/oder Kalzium enthält.
Bindemittel nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Komponente Edelmetallpulver, insbesondere Silberpulver enthält.
Verbundsystem mit zwei über eine ausgehärtete anorganische Verbindungsschicht verbundenen Bauelementen, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsschicht mittels eines Bindemittels nach einem der vorhergehenden Patentansprüche hergestellt ist, wobei die ausgehärtete Verbindungsschicht in Form eines Gerüsts aus vernetzten anorganischen Nanopartikeln ausgebildet ist, und wobei das Gerüst Metallpulvereinschlüsse umgibt, und wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient der Metallpulvereinschlüsse größer als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials des Gerüsts ist.
Verbundsystem nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Metallpulvers innerhalb der Verbindungsschicht mindestens 10 Gew%, vorzugsweise mindestens 30 Gew%, ausmacht.
Verfahren zur Herstellung eines Verbundsystems nach einem der Patentansprüche 9 bis 10 mittels eines Bindemittels nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, wobei – der ersten Komponente des Bindemittels zunächst die dritte Komponente zugemischt wird, – und anschließend durch Anmischen mit der zweiten Komponente eine chemische Vernetzung der anorganischen Nanopartikel der ersten Komponente unter Bildung eines flexiblen Raumgerüsts eingeleitet wird, – die Mischung vor Abschluss der chemischen Vernetzung zur anorganischen Verbindungsschicht verarbeitet wird, – und die durch die dritte Komponente gebildeten Metallpulvereinschlüsse zur beschleunigten Verfestigung des Bindemittels der Verbindungsschicht durch Anlegen eines elektromagnetischen Wechselfeldes erwärmt werden.
Verfahren nach Patentanspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Metallpulvereinschlüsse Spaltprodukte, die bei der chemischen Vernetzung während des Zufügens der zweiten Komponente des Bindemittels zu der ersten und dritten Komponente entstehen, gebunden werden.
Verfahren nach Patentanspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallpulvereinschlüsse auf eine Temperatur zwischen 100°C und 300°C erwärmt werden.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die dritte Komponente bis zu ihrer Vermischung getrennt vakuumverpackt aufbewahrt werden.
Verfahren zum Lösen einer mittels eines mehrkomponentigen Bindemittels nach einem der Patentansprüche 1 bis 8 hergestellten Klebeverbindung in einem Verbundsystem nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallpulvereinschlüsse in der Klebeverbindung durch Anlegen eines elektromagnetischen Wechselfeldes so stark erhitzt werden, dass es aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen des anorganischen Raumgerüsts und der Metallpulvereinschlüsse zu mechanischen Spannungen und daraus resultierend zu einer Sprengung des anorganischen Raumgerüsts kommt.
Verfahren nach Patentanspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallpulvereinschlüsse auf eine Temperatur zwischen 300°C und 1000°C erhitzt werden.