DE102009033367B4

DE102009033367B4 - Verfahren zur Herstellung eines Aerogel-Aerogel Verbundwerkstoffes

Info

Publication number: DE102009033367B4
Application number: DE102009033367.3A
Authority: DE
Inventors: Barbara Milow; Lorenz Ratke
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2009-07-16
Filing date: 2009-07-16
Publication date: 2016-03-24
Anticipated expiration: 2029-07-17
Also published as: DE102009033367A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes, der mindestens ein hydrophobes Aerogel-Granulat sowie mindestens einen polymeren Aerogel-Binder umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass man eine wässrige Lösung des polymeren Aerogel-Binders mit dem hydrophoben Aerogel-Granulat zunächst überschichtet und, sobald die wässrige Lösung zu gelieren beginnt, das hydrophobe Aerogel-Granulat in diese unter Erhalt einer zähflüssigen Masse einer Aerogel-Aerogel-Mischung einrührt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Aerogel-Aerogel Verbundwerkstoff zur Wärme- und Schalldämmung.
Die Wärmedämmung von Gebäuden zur Einsparung von Heizenergie hat im Rahmen des Bewusstwerdens für nachhaltige Entwicklung und der Verteuerung von Energie in den neunziger Jahren des zwanzigsten Jahrhunderts einen hohen Stellenwert erhalten. Insbesondere auch deshalb, weil zeitgleich gesetzliche Vorgaben zur Wärmedämmung von Gebäuden beschlossen wurden. Baustoffe wie Stahl, Beton und Glas, aber auch Natursteine sind relativ gute Wärmeleiter, so dass daraus errichtete Außenwände von Gebäuden bei kalter Witterung sehr schnell die Wärme von der Innenseite an die Außenseite abgeben. Ebenso gelangt beispielsweise bei Sonneneinstrahlung die Wärme von außen ins Innere.
Will man mit solchen Baumaterialien die Außenwände von Gebäuden errichten, welche die nach heutigen Maßstäben gewünschte, niedrige Wärmeleitfähigkeit haben, sind Wände mit so großer Wandstärke erforderlich, dass der Grundstücksflächenverbrauch für das Gebäude und der Materialaufwand unerwünscht ansteigen. Entsprechend werden die Außenwände solcher Gebäude, zum Teil auch nachträglich, mit Dämmstoffen versehen, um so den Heizenergiebedarf zu reduzieren. Gleichzeitig wird auch der sommerliche Hitzeschutz verbessert, da die Wärme nur langsam in das Gebäude eindringt. Eine adäquate Wärmedämmung wird technisch heute gelöst durch Verwendung von Dämmmitteln, wie beispielsweise Stein- oder Glaswolle, Polystyrol- oder Polyurethanschaum und Schüttgütern aller Art, wie beispielsweise Perlite, Zellulose oder Kork. Auch Fasern aus natürlichen organischen Materialien, wie Holzfaserdämmplatten, Holzwolle, Zellulose, Wolle oder ähnliches, finden Anwendung als Dämmmaterial.
Neben einer ausreichenden Wärmedämmung sollte ein Dämmmaterial auch eine hinreichende Schalldämmung aufweisen. Schalldämmung bezeichnet die Behinderung der Schallausbreitung von Luftschall durch Schallreflexion des sich ausbreitenden Schalls. Dies kann im Hausbau durch eine entsprechend solide Wand erreicht werden. Eine Schalldämmung kann aber auch beispielsweise mit einer Gipskartonplatte erreicht werden. Der Schall wird hier durch eine Platte absorbiert, die selbst schwingen kann. Auch ein Brechen der Schallwellen führt zu einer Schalldämmung.
Die bisher genannten Materialien eignen sich neben der Wärme- auch zur Schalldämmung. Bei der Auswahl der Materialien ist die geplante Anwendung zu berücksichtigen. So weisen mineralische Fasern wie Steinwolle, Mineralwolle oder Glaswolle eine gute Dämmfähigkeit auf, sind schimmel- und ungezieferresistent und unbrennbar. Die Handhabung dieser Faserstoffe ist jedoch häufig unangenehm, da hier Feinstäube freiwerden, die dann in die Lunge gelangen können. Häufig werden zur Modifizierung der Eigenschaften Kunstharze und Zusatzstoffe beigefügt, welche dann ausdampfen können. Mineralische Fasern sind außerdem häufig feuchtigkeitsempfindlich.
Auch beim Arbeiten mit Schüttgütern kann es zu einer Feinstaubbelastung kommen. Zudem werden Schüttgüter in der Regel pulverisiert, wenn sie in Anlagen betrieben werden, welche permanenten Erschütterungen oder Vibration ausgesetzt sind. Es kann daher möglich sein, dass eine Nachschüttung zur Aufrechterhaltung der Dämmleistung erforderlich wird.
Künstliche organische Schäume, wie beispielsweise Polyurethan oder Polystyrol weisen ebenfalls eine gute Wärmedämmung auf. Im Brandfall besteht jedoch die Gefahr einer starken Rauchbildung. Zudem sind solche polymeren Schäume meist nicht UV-beständig.
Fasern aus natürlichen organischen Materialien weisen oft keinen ausreichenden Brandschutz auf, weswegen sie mit einem Borsalz, beispielsweise Borax behandelt werden. Borsalze sind ökologisch jedoch bedenklich. Viele natürliche Materialien, wie beispielsweise Baumwolle, sind außerdem nicht feuchtigkeitsresistent. Bei längerer Durchfeuchtung ist ein Pilzbefall möglich.
Diese üblicherweise zur Wärmedämmung verwendeten Materialien haben eine Wärmeleitfähigkeit λ von 30 mW/(Km) (Polyurethanschaum), 50 mW/(Km) (Steinwolle) oder 100 mW/(Km) (Holzwolle-Bauplatten, Heraklith).
Als Baustoffe, welcher sowohl wärme-, wie auch schalldämmende Eigenschaften aufweisen, haben sich Aerogele herausgestellt. Aerogele sind hochporöse Festkörper, bei denen bis zu 95% des Volumens aus Poren bestehen. Es sind auch Anwendungen bekannt, in denen Aerogele als Füllstoffe zur Wärmedämmung eingesetzt werden.
In DE 3814968 A1 werden Dämmstoffe mit einer Dichte von 0,1 bis 0,4 g/cm³ mit gutem Wärmedämmvermögen und ausreichend hoher Druckfestigkeit beschrieben. Diese werden dadurch erhalten, dass Silica-Aerogel-Partikel mit einem anorganischen oder organischen Bindemittel verklebt werden. Die Aushärtung erfolgt bei etwa 125°C.
DE 197 35 648 A1 betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines anorganischen Dämmstoffes. Es werden oxidische Aerogele mit einer wässrigen Polysiloxanemulsion vermischt, wobei die Oberfläche der oxidischen Aerogele möglichst vollständig mit der Emulsion benetzt und anschließend der kompakte Verbund ausgehärtet wird.
DE 196 24 500 A1 beschreibt eine Vorrichtung, die einen mit Ruß eingefärbten mikrozellulären Füllstoff umfasst. Der mikrozelluläre Füllstoff ist ein Aerogel auf SiO₂-Basis oder ein Aerogel auf Metalloxidbasis, mit einem mittleren Durchmesser der Partikel von 0,001 bis 5 mm.
EP 2 000 607 A2 beschreibt einen Formstein, welcher wenigstens eine Öffnung aufweist, wobei der entstehende Hohlraum bereichsweise mit einem Dämmstoff befüllt ist. Als Dämmstoff findet beispielsweise ein Silica-Aerogel Verwendung. Ein solcher Formstein wird mit einem losen Dämmstoffschüttmaterial befüllt, das Aerogel-Granulat wird also lediglich in den Hohlraum des Steins eingeschüttet.
Ein Verbundwerkstoff, welcher Aerogel-Partikel enthält, wird in WO 2006/032655 A2 offenbart. Hydrophobe Aerogel-Partikel werden mit einem anorganischen Bindemittel und einem Dispergiermittel gemischt. Ein solcher Verbundwerkstoff kann beispielsweise Verwendung als wärmedämmender Werkstoff oder als Brandschutzwerkstoff finden.
DE 102 11 331 A1 umfasst maschinell applizierbare Schall-/Wärmedämmung und Verfahren zum Applizieren derselben. Ein hier beschriebenes wärme- und/oder schalldämmendes Material ist aerogelhaltig. Der Anteil an Aerogel-Partikeln liegt im Bereich von 5 bis 97 Vol.-%. Als Aerogel-Partikel werden vorzugsweise Silica-Aerogele verwendet.
DE 103 00 979 A1 beschreibt ultraleichte Verbundwerkstoffe hoher Tragfähigkeit mit stark anisotropen Eigenschaften, insbesondere Wärmeleitfähigkeit, ein Verfahren zu ihrer Herstellung sowie ihre Verwendung als Konstruktionswerkstoffe im Flugzeug- und Fahrzeugbau. Die Fasern werden somit von einem polymeren Aerogel-Binder als Matrix eingebettet.
DE 603 14 518 T2 beschreibt eine Aerogel- und Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung, die in einem Isolierungsartikel verwendet wird. Die Zusammensetzung umfasst ein wässriges Bindemittel, hydrophobe Aerogel-Partikel, hohle, nicht-poröse Partikel und optional einen Schaumbildner.
WO 03/064025 beschreibt einen Aerogel-Verbundwerkstoff umfassend

(a) eine isolierende Basisschicht umfassend hydrophobe Aerogel-Partikel, ein wässriges Bindemittel und optional einen Schaumbildner und
(b) eine wärmereflektierende Oberschicht umfassend ein schützendes Bindemittel und ein Infrarot-reflektierendes Mittel.

Eine Isolierung mit Hilfe von Aerogelen ist nicht nur bei Baustoffen beschrieben. Eine Isolierung in einer Fensterkonstruktion, beziehungsweise einem Fensterrahmen, wird in EP 1 225 297 A1 beschrieben. Der Fensterrahmen weist Silica-Aerogel als dichtgepacktes Dämmmaterial auf. Da Aerogele transparent sind, können sie auch zur Wärmedämmung von Folien-Sonnenkollektoren verwendet werden, wie dies in EP 1 176371 A2 beschrieben ist. Auch die Wärmedämmung einer Wärmequelle ist, wie in EP 0035 280 A2 beschrieben, möglich.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Bereitstellung eines Verbundwerkstoffes mit einer geringen Dichte, der gleichzeitig eine gute Wärme- und Schalldämmung gewährleistet. Ein solcher Verbundwerkstoff besitzt eine geringe Wärmeleitfähigkeit, dass heißt der Wärmedurchgangskoeffizient (U-Wert) ist vergleichbar mit oder besser als bei anderen aus dem Stand der Technik bekannten Materialien. Des Weiteren ist das Rohmaterial gießfähig und damit in jede beliebige Form zu bringen. Gleichzeitig weist er eine hohe Festigkeit auf. Durch seine flexible Verarbeitung kann er nicht nur als Dämmmaterial im Hausbau angewandt werden, sondern auch bei der Schall- und Wärmeisolierung beispielsweise bei Klimageräten Anwendung finden.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes, der mindestens ein hydrophobes Aerogel-Granulat sowie mindestens einen polymeren Aerogel-Binder umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass man eine wässrige Lösung des polymeren Aerogel-Binders mit dem hydrophoben Aerogel-Granulat zunächst überschichtet und, sobald die wässrige Lösung zu gelieren beginnt, das hydrophobe Aerogel-Granulat in diese unter Erhalt einer zähflüssigen Masse einer Aerogel-Aerogel-Mischung einrührt. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Überraschenderweise hat ein erfindungsgemäßer Verbundwerkstoff aus mindestens einem hydrophoben Aerogel-Granulat und mindestens einem polymeren Aerogel-Binder als Matrix die gewünschten Eigenschaften, wobei die Nachteile aus dem Stand der Technik vermieden werden. Ein erfindungsgemäßes hydrophobes Aerogel-Granulat weist vorzugsweise eine Korngröße im Bereich von 0,1 mm bis 10 mm, insbesondere von 0,5 mm bis 5 mm auf. Es handelt sich bevorzugt um Silica-Aerogel-Granulat. Die Hydrophobizität des Granulats kann beispielsweise durch eine Modifizierung mit Methylgruppen, beispielsweise mit einer Trimethylsilyloximodifikation erreicht werden. Ein solches hydrophobes Aerogel-Granulat ist nicht mit Wasser mischbar. In einer wässrigen Lösung schwimmt das Granulat auf der Oberfläche.
Bei dem polymeren Aerogel-Binder handelt es sich vorzugsweise um RF-Aerogel-Binder. Ein RF-Aerogel ist ein organisches Aerogel oder ein Kohlenstoff-Aerogel, das aus Resorcin und Formaldehyd und gegebenenfalls eines Polymerisationskatalysators hergestellt wird. Der Vorteil der RF-Aerogele gegenüber SiO₂-Aerogelen liegt darin, dass diese nicht überkritisch getrocknet werden müssen. Sie weisen außerdem eine höhere Steifigkeit als die SiO₂-Aerogele auf.
Bei dem polymeren Aerogel-Binder handelt es sich erfindungsgemäß um eine wässrige Lösung, aus der sich die polymere Matrix des Bindemittels für die Aerogelgranulate und gegebenenfalls die Fasern bildet. Das hydrophobe Aerogel-Granulat lässt sich naturgemäß nicht ohne weiteres in die wässrige Lösung einrühren. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass ein Überschichten der wässrigen Lösung mit dem hydrophoben Aerogel-Granulat dazu führt, dass ein Einrühren und homogenes Verteilen des hydrophoben Granulats möglich wird. Die Wirkung der Dämpfe auf das hydrophobe Granulat ist überraschend. Das superhydrophobe Material wird offensichtlich durch die Einwirkung des Dampfes aktiviert, so dass es leicht und gut benetzt in die angelierte Lösung eingerührt werden kann, trotz ihres hohen Wassergehaltes.
Ein erfindungsgemäßer Verbundwerkstoff weist insbesondere eine Dichte im Bereich von 30 kg/m³ bis 300 kg/m³, insbesondere von 50 kg/m³ bis 250 kg/m³ auf. Die Wärmeleitfähigkeit liegt beispielsweise im Bereich von 20 bis 100 mW/(Km), insbesondere 30 bis 50 mW/(Km). Der Werkstoff hat bei einer Baudicke von 5 cm bevorzugt U-Werte von kleiner 1, insbesondere im Bereich von 0,6 bis 1. Der U-Wert (U = Wärmedurchgangskoeffizient) ist ein Maß für den Wärmestromdurchgang durch eine ein- oder mehrlagige Materialschicht, wenn auf beiden Seiten verschiedene Temperaturen anliegen. Er gibt die Energiemenge an, die in einer Sekunde durch eine Fläche von 1 m² fließt, wenn sich die beidseitig anliegenden Lufttemperaturen stationär um 1 K unterscheiden. Er wird angegeben in W/(Km²) und ist eine spezifische Kennzahl der Materialzusammensetzung eines Bauteils.
In einer weiteren Ausführungsform werden in die zähflüssige Aerogel-Aerogel-Mischung kurze Glasfasern oder Textilfaser-Abschnitte eingerührt. Hierdurch wird eine zusätzliche mechanische Verstärkung des Verbundwerkstoffes erreicht. Der Anteil an zugesetzten Fasern kann bis zu 10 Vol.-%, insbesondere bis zu 5 Vol.-% betragen.
Eine erfindungsgemäße Aerogel-Aerogel-Mischung kann vor oder nach Zugabe von Fasern in eine entsprechende Form gegossen werden. Es ist dadurch möglich, die Mischung in praktisch jede Form zu bringen.
In einer weiteren Ausführungsform wird der Verbundwerkstoff bei der Herstellung direkt durch ein Gewebe aus Naturfaser beschichtet, sodass eine Platte entsteht, die eine hohe Festigkeit hat. Eine reine Naturfaser, wie beispielsweise Baumwolle oder Cellulose, verbindet sich sehr gut mit der Aerogel-Aerogel-Mischung. Da es sich hierbei um eine wässrige Mischung handelt, quillt die Naturfaser mit dem Wasser auf und integriert sich dadurch in der Verbundstruktur. Die Biege-Bruch-Festigkeit eines solchen Werkstoffes, bei dem eine Naturfaser mit einer Aerogel-Aerogel-Mischung beschichtet wird, liegt beispielsweise im Bereich von 10 bis 15 MPa. Ein solcher Werkstoff ist temperaturbeständig bis 350°C.
Entsprechend kann ein erfindungsgemäßer Aerogel-Aerogel-Verbundwerkstoff nicht nur zur Wärme-/und Schalldämmung im Hausbau verwendet werden. Zur Isolation von Klimageräten oder -anlagen, Lüftungskanälen, Wärmetauschern, Brandschutzklappen und ähnlichem werden beispielsweise Metallkästen verwendet, welche mit einem erfindungsgemäßen Werkstoff gefüllt werden können und somit zu einer adäquaten Schall- und Wärmedämmung führen. Allgemein ist mit dem erfindungsgemäßen Werkstoff eine Wärme- und Schallisolierung von Geräten und Anlagen möglich, beispielsweise auch im Fahrzeugbau bei der Umkapselung von Motoren.
Ausführungsbeispiele:

1. Zur Herstellung des Verbundes von hydrophoben Aerogel-Granulat in einer Matrix aus organisches Resorcin-Formaldehyd-RF-Aerogel wurde zunächst eine Aerogellösung der folgenden Zusammensetzung in Gew.-Teilen: Resorcin:H₂O (deion.) (0,044:1), Resorcin:Formaldehydlösung (0,72:1), Resorcin:Na₂CO₃ (1512:1), unter Rühren auf ca. 40°C erhitzt. Die wässrige Lösung wurde im Volumenverhältnis 1:1 mit hydrophoben Aerogel-Granulat (CABOT Nanogel GmbH, Frankfurt, Nanogel^®, transluzentes Aerogel, Silica, [(trimethylsilyl)oxy]-modified) überschichtet. Damit wird das Abdampfen der Lösung verhindert und das Granulat zum homogenen Einrühren vorbehandelt. Sobald die Lösung zu gelieren begann, wurde das hydrophobe Aerogel-Granulat in die Masse unter Rühren homogen eingebunden.

Die noch zähflüssige Masse konnte nun in die gewünschte Form gebracht werden (Zylinder der Höhe 50 mm und Durchmesser 20 mm) und trocknet bei 40°C vollständig innerhalb von 4 h. Die Trocknung verlief schrumpfungsfrei. Die Dichte des getrockneten Verbundes lag bei 135 [g/ml]. Die Wärmeleitfähigkeit betrug: 0,045 [W/(Km)].

2. Ein Aerogelverbund mit Baumwollgeweben wurde dadurch hergestellt, dass in eine rechteckige Form der Innenabmessungen 65 mm Breite × 300 mm Länge × 10 mm Höhe ein passend zugeschnittenes Gewebe eingelegt wurde (2-lagig), dann die im 1. Beispiel genannte RF-Aerogel-hydrophobes Granulat Mischung eingegossen wurde und die Masse durch zwei Lagen Gewebe abgeschlossen wurde (hier kann ein Überträufeln mit einer RF-Aerogellösung notwendig sein, damit das Gewebe gut mit RF-Aerogellösung durchtränkt wird und die Anhaftung verbessert wird). Danach wurde die Form mit einem Edelstahldeckel geschlossen und Druck auf das Material ausgeübt, bis etwas RF-Aerogellösung durch geeignete Überlaufrinnen auslief. Der Deckel drang ein wenig in die Form ein. 1 zeigt die technische Zeichnung der eigentlichen Form. 2 ist die Technische Zeichnung des Deckels. Anschließend wurde die Form in einen Trockenschrank bei 40°C gestellt und die Gelation und Trocknung innerhalb von 4 h beendet. Das finale Werkstück wurde aus der Form genommen und getestet. Die Wärmeleitfähigkeit wurde vom Aerogelverbundkern bestimmt. Die Festigkeit lag bei 15 ± 5 MPa.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes, der mindestens ein hydrophobes Aerogel-Granulat sowie mindestens einen polymeren Aerogel-Binder umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass man eine wässrige Lösung des polymeren Aerogel-Binders mit dem hydrophoben Aerogel-Granulat zunächst überschichtet und, sobald die wässrige Lösung zu gelieren beginnt, das hydrophobe Aerogel-Granulat in diese unter Erhalt einer zähflüssigen Masse einer Aerogel-Aerogel-Mischung einrührt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erhaltene zähflüssige Masse in eine Form gegossen und anschließend vollständig getrocknet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in die zähflüssige Aerogel-Aerogel-Mischung Glasfasern oder textile Abschnitte eingerührt werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Aerogel-Granulat in einer Korngröße im Bereich von 0,1 bis 10 mm, insbesondere von 0,5 mm bis 5 mm, eingesetzt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als hydrophobes Aerogel-Granulat ein Silica-Aerogel-Granulat eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als polymerer Aerogel-Binder ein Resorcin-Formaldehyd-Aerogel-Binder eingesetzt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff mit einer Dichte im Bereich von 30 bis 300 kg/m³, insbesondere 50 bis 250 kg/m³, hergestellt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff mit einer Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 20 bis 100 mW/(Km), insbesondere im Bereich von 30 bis 50 mW/(Km), hergestellt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff bei 5 cm Baudicke der Wert für den Wärmedurchgangskoeffizienten kleiner 1 W/(K·m²), insbesondere 0,6 bis 1 W/(K·m²), hergestellt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Herstellung des Verbundwerkstoffs eine Naturfaser eingesetzt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Naturfaser Baumwolle eingesetzt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff mit einer Biege-Bruch-Festigkeit von 10 bis 15 MPa hergestellt wird.