DE102009038531A1

DE102009038531A1 - Herstellungsverfahren von Schäumen unter Verwendung eines gegenüber Mikrowellen empfindlichen Materials

Info

Publication number: DE102009038531A1
Application number: DE200910038531
Authority: DE
Inventors: Fabrice Gaille; Hans Dr. Luinge; Anne-Lise Malliot
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2009-08-25
Filing date: 2009-08-25
Publication date: 2011-03-10
Anticipated expiration: 2029-08-26
Also published as: DE102009038531B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Mischung zu einem verbesserten Herstellungsverfahren für Schäume, umfassend ein Mikrowellen-aktives Nukleierungsmittel, das Nanopartikel enthält, beispielsweise kohlenstoffhaltige Nanopartikel. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines Schaumes sowie auf eine Schaumstruktur, die für ein Luftfahrzeug verwendet wird. Als mögliche Basis der Schäume kann ein Phenolharzsystem verwendet und als mögliches Nukleierungsmittel können Carbon Nanosphere Chains, Carbon Nano Tubes, Ruß, Graphit, Graphene, Siliciumcarbid und Eisenoxid verwendet werden. Durch Einsatz des geeigneten Mikrowellen-aktiven Nukleierungsmittels kann eine Porenstruktursteuerung erfolgen, welche homogene Schäume mit niedriger Dichte erzielt. Diese Schaumstrukturen eigenen sich inbesondere zum Einsatz im Flugzeugbau, da sich die genannten Phenolschäume insbesondere als flammenabweisende Leichtbauteile eignen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Mischung zur Herstellung von homogenen Schäumen mit verbesserter Porenstruktur auf Basis eines polymeren oder polymerisierbaren Systemes und eines gegenüber Mikrowellen empfindlichen Materials als Nukleierungsmittel. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für Schäume und eine Schaumstruktur, die in einem Luftfahrzeug verwendet wird.
Technologischer Hintergrund
Organische Schaumstoffe auf Basis von Thermoplasten wie Polyvinyle, Polyolefine, Elastomeren wie Polyurethan und Duromeren wie Phenolharze eignen sich für die Wärme- und Schalldämmung. Während Thermoplaste überwiegend durch Polymere vertreten werden, ist die Gruppe der Duroplasten insbesondere durch Polykondensate gekennzeichnet, die durch Wärmeeinwirkung oder geeigneten Katalysatoren aushärten können.
Die genannten Schäume können mit verschiedenen Verfahren hergestellt werden. Einerseits kann in die Grundmasse bzw. Grundmischung durch Rühren Gas eingebracht werden wie bei der Herstellung des Phenolformaldehyd-Hartschaumes. Andererseits können bereits bei der Herstellung des Grundgemisches geeignete chemische Treibmittel zugesetzt werden, die erst bei der Verarbeitung gasförmig werden. Wird die Masse in eine Form eingespritzt, so kann ein Strukturschaum entstehen, der eine Außenhaut aufweist mit einer im Kern gewichtssparenden Schaumstruktur. Ein wesentlicher Teil von modernen Leichtgewichtkonstruktionen sind Sandwichstrukturen. Beispielsweise werden häufig Phenolschäume für Kernmaterialien in Sandwichstrukturen in kommerziellen Flugzeugen verwendet.
Aus US 3 238 157 geht beispielsweise ein Verfahren zur Herstellung von Schäumen auf Basis eines Elastomers hervor, das darin besteht, dass gummiartige hochviskose Silikonmassen zunächst mit stückigen Hohlraum bildenden Feststoffen vermischt werden. Das Gemisch härtet zu einem Silikonelastomer aus, wobei aus dieser Schaumstruktur anschließend das stückige Material entweder durch Auswaschen mit Wasser oder durch Erhitzen derart herausgelöst wird, dass Poren entstehen, die der Größe der entfernten Feststoffe entsprechen.
Ferner ist bekannt, zur Regulierung der Zellstruktur in Schäumen Mikrosphären einzusetzen, die beispielsweise in einem Harzmaterial den Verschäumungsprozess verbessern sollen. In WO 2006/051302 wird ein Verfahren zur Herstellung eines Kompositschaumes unter Verwendung von Phenolharz mit einer Mehrzahl von ausdehnbaren thermoplastischen Mikrosphären beschrieben. Diese Mischung aus Phenolharz und Mikrosphären wird einer Mikrowellenstrahlung ausgesetzt, um das Kompositmaterial auszuhärten und eine Expansion der Mikrosphären zu verursachen. Da sich die noch nicht expandierten Partikel wesentlich leichter zu einer verarbeitenden Grundmasse mischen lassen als bereits expandierte Mikrosphären, kann die Verarbeitung bei der Herstellung des Schaumes erleichtert werden. Bei dem beschriebenen Verfahren wird jedoch durch den Einsatz von externen Treibmitteln keine gleichmäßig verteilte Porenbildung erzielt.
Die bei dem zuletzt genannten Verfahren verwendete Mikrowellentechnik wirkt bei der Polymerisation von Harzen unterstützend, da diese Wärmequelle zum Beispiel bei einem hohen Wasseranteil des Grundgemisches durch Erwärmung ein schnelleres Aushärten verursachen kann. Im Stand der Technik wird die Mikrowellentechnik beispielsweise zur Polymerisation von Vinylmonomeren verwendet. Des Weiteren ist bekannt, dass die Mikrowellentechnologie für schnelleres Trocknen von wässrigen Lösungen geeignet ist.
Weiterhin können Zellenstrukturen von Schäumen durch die Zugabe von Nukleierungsmitteln reguliert werden, indem sie die Porenbildung unterstützen. Als Nukleierungskerne können beispielsweise sehr feine Partikel sogenannte Mikropartikel oder Nanopartikel zur Verfügung gestellt werden wie anorganische Füllstoffe. Die Verwendung von bekannten Nukleierungsmitteln, wie z. B. Ton oder abgerauchte Silika, kann sich jedoch unter Umständen für eine gleichmäßige Ausdehnung des Grundgemisches während des Polymerisationsprozesses als ungeeignet erweisen, was zu ungleichförmigen Porenstrukturen und zu Schäumen mit einer höheren Dichte als erwünscht führt.
Für den Fachmann in Betracht kommende Nukleierungsmittel sind Nanopartikel wie Nanotöne aus geschichteten Mineralsilikaten oder andere anorganische kleine Partikel wie pyrogene Silikastrukturen. Diese kleinen Partikel können eine hohe spezifische Oberfläche aufweisen von zwischen 50–400 m²/g. Insbesondere Schichtsilikate sind schon wiederholt zur Herstellung von Schäumen eingesetzt worden, wirken sich jedoch nachteilhaft auf die Viskosität des Grundgemisches aus und lassen sich schwer dispergieren, was die Verarbeitung der Grundmasse erschwert oder nur geringe Zusatzmengen des Nukleierungsmittels erlaubt. Die genannten Nanopartikel werden analog zu dem weit verbreiteten Mikropartikelfüllstoffen eingesetzt und dienen zu einer feineren Zellstruktur des Schaumes. Jedoch ist die Fähigkeit, Zellen gleichmäßig zu erzeugen, bei diesen Nanopartikeln nicht ausreichend.
Da bei den herkömmlichen Herstellungsverfahren von Schaumstoffkompositen komplizierte, mehrphasige und kostenintensive Verfahren verwendet werden, besteht der Bedarf, effizientere und einfachere Herstellungsweisen zu finden. Ferner wurde beim Einsatz von herkömmlichen Nukleierungsmitteln wie mineralische Mikropartikel lediglich eine geringfügige Verbesserung der Porenstruktur beobachtet.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine schäumbare Mischung zur Herstellung von verbesserten Schäumen bereitzustellen, die eine homogenere Porenstruktur sowie eine geringere Dichte aufweisen, z. B. kleiner als 100 kg/m³.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Herstellungsverfahren für Schäume zu schaffen.
Diese Aufgaben werden durch eine Mischung zur Herstellung einer verbesserten Schaumstruktur, einem Herstellungsverfahren sowie einer Schaumstruktur gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst, wobei Fortbildungen in entsprechenden abhängigen Ansprüchen verkörpert werden.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird eine Mischung zur Herstellung für Schäume umfassend ein polymeres oder polymerisierbares System und gegenüber Mikrowellen empfindliche Partikel als Nukleierungsmittel, um eine homogene Porenbildung zu fördern, bereitgestellt.
Auf diese Weise kann einem polymeren oder polymerisierbaren System gegenüber Mikrowellen empfindliche Partikeln zugegeben werden, die lokal erwärmt werden können und als geeignete Nukleierungsmittel für eine kontrollierte und gleichmäßige Porenbildung dienen. Im Zusammenhang mit Nukleierungsmitteln stellt die Mikrowellentechnik eine Technologiemöglichkeit dar, um die Materialeigenschaften der Schaumprodukte von Polymermaterialien zu verbessern. Die im Rahmen der Erfindung einzusetzenden Mikrowellen sind bekannterweise eine Form elektromagnetischer Strahlung und kennzeichnen sich beispielsweise durch Wellenlängen im Bereich zwischen 1 mm und 1 m, was einem Frequenzbereich 300 MHz und 300 GHz entspricht.
Des Weiteren bietet die Verwendung von Mikrowellen als Wärmequelle gegenüber herkömmlichen Wärmeprozessen folgende Vorteile: Zum einen kann die Prozesszeit verkürzt werden, da nicht der gesamte Mikrowellenofen, sondern nur die im Ofen befindliche Probe erhitzt wird. Ein lokaler Wärmeeintrag kann beispielsweise in Sandwichstrukturen nur den Schaum erhitzen und nicht die bereits ausgehärteten Laminate. Zum anderen fördert das schnelle Aufheizen durch die Mikrowellentechnik die Nukleierung. Kürzere Erwärme- und Abkühlzeiten ergeben ihrerseits bedeutende Kosteneinsparungen und einen niedrigeren Energieverbrauch gegenüber herkömmliche Verfahren. Dies ist auch für die Umweltbilanz von Vorteil.
Ferner kann durch die Mikrowellentechnik ein homogenes Erhitzen erreicht werden, was homogen gleichmäßige Porenstrukturen zur Folge hat und die Herstellung von starken Schäumen ermöglicht. Dabei muss im Falle von durch die Mikrowellen initiierte exothermen Reaktionen darauf geachtet werden, dass die Temperatur weiterhin unter Kontrolle bleibt. Dies bedeutet dass bei bekannter Wärmebildung durch chemische Reaktionen eine geringere Mikrowellenleistung verwendet werden kann, um die zur optimalen Prozessführung gewünschte Prozesstemperatur zu erhalten.
Das Mikrowellen-aktive Nukleierungsmittel wird dem Grundgemisch zur Unterstützung der Bildung von Zellenstrukturen vor dem Schäumungsverfahren zugegeben. Auf diese Weise kann die Nukleierungsrate der Mischung bei der Herstellung des Schaumes verbessert werden. Diese Mikrowellen-aktiven Nukleierungsmittel fördern eine feinere und gleichmäßigere Zellstruktur des Schaumes. Durch die Mikrowellenaktivität bewirken die Nukleierungsmittel beispielsweise in einem thermoplastischen Polymer eine lokale Erhöhung der Temperatur, die schnell erfolgt und ideale Keimzellen für die Blasenbildung bilden. Auch können die Mikrowellen-aktiven Nukleierungsmittel die Erhitzung des zu schäumenden Materials unterstützen. Dabei scheint die durch die Nanopartikel eingebrachte große Oberfläche von zentraler Bedeutung für eine verbesserte Nukleierung bzw. Keimbildung zu sein. Die Nukleierungsmittel können zudem mechanische Eigenschaften wie die Kompressions- bzw. Verdichtungseigenschaft verbessern.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mischung ist das gegenüber Mikrowellen empfindliche Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Carbon Nanosphere Chains (CNSCs), Carbon Nanotubes, Ruß, Graphit, Graphene, Siliziumcarbid (SiC) und Eisenoxid.
Von den genannten Materialien für Nukleierungsmittel sind die ersten sieben kohlenstoffhaltig, nämlich die Carbon Nanosphere Chains, die Carbon Nanotubes, Ruß, Graphit, Graphene und Siliziumcarbid (SiC). Kohlenstoffhaltige Nanostrukturen werden im Stand der Technik aus Graphitstrukturen hergestellt. Diese Graphitstrukturen sind ein sehr bekanntes Kohlenstoffmaterial, das wichtige Eigenschaften wie elektrische Leitfähigkeit und Mikrowellenaktivität besitzt. Die Carbon Nanotubes bzw. Nanoröhrchen schließen Carbon Nanofasern ein, die durchschnittliche Durchmesser von beispielsweise kleiner als oder ungefähr 2000 Nanometer (nm) besitzen.
Um das kohlenstoffhaltige und beispielsweise bei Nanoröhrchen faserartige Nanomaterial besser dispergierbar zu machen bzw. lösbar zu machen, kann das kohlenstoffhaltige Material behandelt werden, um funktionelle Gruppen wie beispielsweise Säuregruppen von der Oberfläche anzubringen. Beispielsweise können oxidierte funktionelle Gruppen angebracht werden. Auch weitere Behandlungsmöglichkeiten dieses Nanomaterials, um die Dispergierbarkeit zu erhöhen, sind möglich, wie zum Beispiel eine Wärmebehandlung oder ein Reinigungsverfahren.
Es können auch Carbon Nanosphere Chains, die den Carbon Nanotubes in den Eigenschaften relativ ähnlich sind, verwendet werden. Sie lassen sich auch unter Mikrowelleneinstrahlung erhitzen und können durch die lokale Erhitzung eine Nukleierung im Grundgemisch fördern. Ferner kann die Verwendung von kohlenstoffhaltigen Nanostrukturen als Zusatz in Polymerschäumen die mechanischen Eigenschaften wie Verdichtbarkeit des Kompositmaterials verbessern.
Des Weiteren können Eisenoxidnanopartikel als Nukleierungsmittel gezielt durch Mikrowellen erwärmt werden und somit eine gleichmäßige Zellbildung fördern.
Damit die Eisenoxidpartikel gut in wässriger Lösung dispergieren, können auch diese behandelt werden bzw. mit geeigneten Umhüllungen versehen werden.
Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Nukleierungsmittels kann weiterhin eine positive Beeinflussung des Brandverhaltens des hergestellten Schaumes bewirkt werden. Bereits der Zusatz kleiner Mengen Ruß, beispielsweise in einer Menge von 2 Gewichtsprozent, erhöht die flammenabweisende Eigenschaft des Schaumproduktes – insbesondere bei leicht entflammbaren Polystyrolen oder Polyurethanen. Schließlich kann auch eine Feuchtigkeitsbeständigkeit der Schaumprodukte durch die Zugabe von hydrophoben Nukleierungsmitteln wie die Carbon Nanosphere Chains oder Carbon Nanoröhrchen gefördert werden.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mischung ist das polymere oder polymerisierbare Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Thermoplasten, Elastomeren, Duromeren und Mischungen daraus.
Als polymerisches Basismaterial kann jedes Polymer oder polymerisierbares Material verwendet werden, das mit dem Einsatz von Graphitnanostrukturen oder Eisenoxidnanopartikeln kompatibel ist. Als Thermoplaste sind beispielsweise die die Gruppen der Polyolefine und der Polyvinyle zur Schaumherstellung bekannt. Als beispielhafte Harzsysteme können Phenolharze und Epoxide genannt werden. Neben Polyurethanen und Silikonen können weiterhin die Kombination der genannten Polymere oder Derivate von diesen bzw. Copolymere eingesetzt werden. Das polymerisierbare Material kann dabei ein Polymer sein oder ein polymerisierbares Material wie ein Monomer oder Oligomer oder andere polymerisierbare Systeme.
Wenn das erfindungsgemäße Schaumgemisch neben der organischen Schaumbasis Zusatzmengen anorganischer Verarbeitungsmittel oder flammenabweisende Additive enthält, ist das Schaumprodukt weniger leicht entflammbar und daher für Brandschutzzwecke besonders geeignet.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mischung, umfasst die Mischung einen Beschleuniger oder Katalysator zur Aushärtung des Harzsystems.
Die Katalysatoren oder Beschleuniger sind dazu geeignet, die flüssige Zubereitung aus einer Polymer- oder Monomermischung schneller auszuhärten bzw. polymerisieren zu lassen. Hierzu können sowohl organische Säuren als auch anorganische Säuren als Katalysatoren verwendet werden. Dabei beinhalten anorganische Säuren Schwefelsäure, Phosphorsäure oder Salzsäure. Zu den organischen Säuren zählen beispielsweise Benzolsulfonsäure oder Phenolsulfonsäure.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mischung kann das polymere System auf Phenolharz basieren.
Durch die Verwendung von Mikrowellen-aktiven Nukleierungsmitteln kann gegenüber den herkömmlichen Phenolschäumen, die zum Teil spröde sein können, verbesserte mechanische Eigenschaften des Schaumes erzielt werden.
Bei der Verwendung von Phenolharzsystemen kann auf externe Treibmittel verzichtet werden, da Phenolsysteme bei der Polymerisation Wasser bilden, das verdampft werden kann. Auf diese Weise kann die Zugabe von externen Treibmitteln umgangen werden, wodurch eine schwer kontrollierbare Gasbildung und somit ungleichmäßige Porenbildung vermieden werden kann. Mit Hilfe der Nukleierungsmittel kann bei Phenolharzsystemen das Verschäumen kontrolliert werden, um die Eigenschaften des hergestellten Schaumes in Bezug auf mechanische Eigenschaften und Dichte sowie gleichmäßige Poren gegenüber herkömmlichen Schäumen zu verbessern.
Im Gegensatz zu Polystyrol, Polyolefinen oder Polyurethane, die verhältnismäßig leicht entflammbar sind, sind Phenolschäume auf Phenolbasis relativ feuerresistent. Da Phenolschäume eine niedrige Entflammbarkeit, eine niedrige Rauchemissionsrate und eine niedrige Toxizität der erzeugten Rauchgase besitzen eignen sie sich gut für den Einsatz in Flugzeugen. Zusätzlich zeigen Phenolschäume gute thermische, wärmedämmende und schalldämmende Eigenschaften.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst der Beschleuniger oder Katalysator zur Aushärtung des polymeren oder polymerisierbaren Systems Phenolsulfonsäure, welches beispielsweise mit einem Gewichtsanteil bezogen auf die Grundmasse zwischen 5 und 15 Prozent insbesondere etwa 7,5 Gewichtsprozent zugegeben wird.
Auf diese Weise können Zellstrukturen erreicht werden, die bessere mechanische Eigenschaften gegenüber herkömmlichen Schäumen haben, da sie beispielsweise höheren Belastungen ausgesetzt werden können bzw. bessere Druckfestigkeitswerte erhalten. Beispielsweise sind die Zellen bei einem 7,5 prozentigen Zusatz kleiner als bei einer Zugabe von etwa 5 Prozent Phenolsulfonsäure.
Eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung weist eine Mischung auf, wobei der Gewichtsanteil der Nukleierungsmittel zwischen 0,5 und 5 Prozent liegt und insbesondere etwa 2 Prozent ausmacht.
Der Anteil von Nukleierungsmitteln bzw. Nanopartikeln des Nukleierungsmittels kann so eingestellt werden, dass das resultierende Gemisch zwischen 0,01 und 5 Gewichtsprozent enthält. Als Nanopartikel in Form von Carbon Nanosphere Chains können solche mit einem Gewichtsanteil bezogen auf die Grundmasse von 2 Prozent verwendet werden, wobei der durchschnittliche Partikeldurchmesser der Nanopartikel aus Carbon Nanosphere Chains in einem Bereich von 10 und 200 nm liegen kann, beispielsweise zwischen 50 bis 60 nm. Mit diesen geringen Einsatzmengen bezogen auf das Gewicht der Gesamtmischung können bereits signifikante Änderungen, das heißt ein Vielfaches der Zellbildung gegenüber gewöhnlichen nicht Mikrowellen- aktiven Nukleierungsmitteln erreicht werden.
Neben den Carbon Nanosphere Chains können auch die Mikrowellen-aktiven Carbon Nanotubes verwendet werden. Die aus dem Gemisch produzierte Zellstruktur wird im Wesentlichen durch die Menge des Nukleierungsmittels und den Durchmesser der Nanopartikel im Nukleierungsmittel gesteuert.
Gegebenenfalls können den Ausgangsmaterialien noch weitere Zusatzstoffe zugesetzt werden, die flüssig oder in einer oder mehreren der zur Schaumherstellung eingesetzten Komponenten löslich sind. Als Beispiele von Zusatzstoffen sind zum Beispiel Flammenschutzmittel, oberflächenaktive Zusatzstoffe, Schaumstabilisatoren sowie weitere Zellregler oder Farbstoffe zu nennen. Insbesondere bei dem Einsatz von Phenolharzen, deren Schaumprodukt spröde sein kann, sind Zusätze von Glas- oder Aramidfasern üblich. Schäume, die mit Aramidfasern verstärkt worden sind, weisen eine geringere Sprödigkeit auf und eine höhere Widerstandskraft gegenüber Druckbelastung. Glasfaserverstärkte Schäume dagegen weisen signifikant steifere und stärkere Eigenschaften auf. Diese verstärkten Phenolschäume werden häufig bei Sandwichstrukturen verwendet, da sie hohe Zug- und Druckkräfte aufnehmen können.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung von Schäumen geschaffen, welches folgende Verfahrensschritte umfasst: Mischen einer wässrigen Lösung basierend auf einem polymeren oder polymerisierbaren System mit gegenüber Mikrowellen empfindlichen Partikeln, Aktivieren der gegenüber Mikrowellen empfindlichen Partikel mittels Bestrahlung durch Mikrowellen, wobei die gegenüber Mikrowellen empfindlichen Partikel lokal erwärmt werden und als Nukleierungsmittel für eine kontrollierte und gleichmäßige Porenbildung dienen und Aufschäumen des polymeren oder polymerisierbaren Systemes mittels durch die initiierte Vernetzung des polymeren oder polymerisierbaren Systemes freigesetzter Hydrolyseprodukte.
Als Grundmasse für die Mischung dient ein polymeres oder polymerisierbares System. Beispielsweise werden flüssige oder zähflüssige vorpolymerisierte Molekülketten verwendet, die als Harz bezeichnet werden. Wird beispielsweise Phenolharz als Harzsystem verwendet, welche insbesondere im Flugzeugbau aufgrund ihr gutes Brandschutzverhalten verwendet werden, liegt eine wässrige Lösung als Grundmischung vor. Diese wässrige Harzlösung mit einem Wasseranteil von beispielsweise 20 bis 30 Prozent wird mit den gegenüber Mikrowellen empfindlichen Partikeln derart vermischt, dass eine stabile und gleichmäßige Verteilung der Mikro- oder Nanopartikel erfolgt. Werden Nanopartikel in Form von Ruß hinzugemischt, führt dies zu einer Verfärbung des Schaumes.
Eine feine Verteilung der Partikel im Gemisch aus Lösungsmittel und Harzsystem kann durch den Eintrag von Scherenergie erzielt werden. Auf diese Weise können die Nanopartikel überwiegend deagglomeriert in der Mischung verteilt werden. Agglomerate können die Aktivität bezüglich der Verschäumung herabsetzen. Die Einbringung von Scherenergie kann einfach durch entsprechende Mischvorrichtungen realisiert werden. Im Labor erwies sich eine stufenweise Dispergierung mit verschiedenen Drehraten pro Minute als besonders effizient für eine homogene Verteilung. Vor der Schereinwirkung können neben den Nukleierungsmitteln andere Additive zugegeben werden. Falls die Zugabe von Katalysatoren erwünscht ist, wird dies kurz vor der Verschäumung vorgenommen. Beschleuniger oder Katalysatoren können die Vernetzung unterstützen, wobei hierzu manchmal auch der systeminterne Feuchtegehalt ausreichen kann.
Das erhaltene Gemisch wird anschließend zur Herstellung des Schaumes einer Quelle für Mikrowellen ausgesetzt. Die gegenüber Mikrowellen empfindlichen Partikel enthalten Kohlenstoffstrukturen wie beispielsweise Graphit oder auch Eisennanopartikel und können eine lokale Erwärmung bewirken. Diese lokalen Wärmequellen begünstigen eine besonders gleichmäßige Gasblasenbildung und somit einen Schaum mit geringer Dichte. Durch die gesteuerte Zellbildungsrate können die Mikrowellen-aktiven Nukleierungsmittel einen kontrollierten und gleichmäßig geformten Schaum bewirken. Das gegenüber Mikrowellen empfindliche Material ist in der Mischung derart stabil, dass es zu keiner vorzeitigen Hemmung der Schaumbildung kommt. Als gegenüber Mikrowellen geeignete Materialien sind beispielsweise kohlenstoffhaltige organische Verbindungen im Größenbereich von Nanometern einsetzbar oder auch Metalloxide wie Eisenoxid.
Wird ein geeignetes polymeres oder polymerisierbares System verwendet, kann die Wärmeeinwirkung durch Mikrowellenbestrahlung ein Reaktionsablauf initiieren, bei dem Wasser freigesetzt wird. Auf diese Weise kann das Hydrolyseprodukt des Harzsystems als Treibmittel genutzt werden und es müssen keine zusätzlichen Treibmittel vor der Verschäumung zugesetzt werden. Auf diese Weise kann auf umweltschädliche chemische Treibmittel verzichtet werden. Beispielsweise bewirkt die Vernetzungsreaktion bei Phenolharzen die Bildung von Wasser, das durch die Erwärmung verdampft, wobei der Wasserdampf als Treibmittel verwendet werden kann.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens umfasst das Mischen das Einbringen eines Beschleunigers oder Katalysators, und des Weiteren wird vor dem Verschäumen die Mischung in eine Form eingeführt.
Die Vernetzung des polymeren Harzes kann mit Härtern bzw. Katalysatoren als weitere Komponente beschleunigt werden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das saure Härtungsmittel jede beliebige saure Verbindung sein, die herkömmlicherweise beim Härten von Schäumen verwendet wird wie beispielsweise Salzsäuren, Schwefelsäuren, Salpetersäuren, Phosphorsäuren oder Phenolsulfonsäuren. Alle diese Säure eignen sich zur Verwendung in einer wässrigen Lösung. Ein besonders saures Härtungsmittel ist die Phenolsulfonsäure oder die Phosphorsäure, die anorganisch sind und in Gewichtsprozenten von insbesondere 5 bis 10 Prozent bzw. etwa 15 Prozent verwendet werden.
Um eine geeignete verschäumte Struktur zu erhalten, sollen diese Härtungsmittel gemäß einer beispielhaften Ausführungsform erst kurz vor der Verschäumung eingearbeitet werden. Je nach Menge der zugegebenen Härtungsmittel kann die Reaktionsgeschwindigkeit gesteuert werden. Dies bedeutet, dass je mehr Katalysator hinzugefügt wird, desto kürzer wird die Reaktionszeit. Nach Zugabe des Beschleunigers Phenolsulfonsäure bei unter 10 Gewichtsprozent ergab sich eine Mikrowellenbestrahlungszeit von wenigen Minuten im Bereich zwischen 4 und 10 Minuten.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird eine Schaumstruktur auf Basis eines polymeren oder polymerisierbaren Systems bereitgestellt, wobei die Schaumstruktur gegenüber Mikrowellen empfindliche Partikel als Nukleierungsmittel umfasst.
Aufgrund der Einbringung und der Verwendung von Mikrowellen-aktiven Nukleierungsmitteln können homogene Schäume mit einer hohen Porendichte erzielt werden. Als Nukleierungsmittel in Betracht kommende Substanzen können beispielsweise kohlenstoffhaltige organische Nukleierungsmittel wie beispielsweise Carbon Nanosphere Chains oder Carbon Nanotubes sowie Ruß, Graphit, Graphene, Siliciumcarbid oder Metalloxide wie beispielsweise Eisenoxid sein. Unter Verwendung dieser Nukleierungsmittel können geringe Dichten der Schaumstruktur erzielt werden.
In einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung basiert die Schaumstruktur auf einem Phenolharz und einem Beschleuniger auf Basis einer Phenolsulfonsäure und umfasst die gegenüber Mikrowellen empfindlichen Carbon Nanosphere Chains.
Ein Vorteil der Phenolschaumstrukturen ist, dass sie schwer entflammbar sind und thermisch formstabil sind. Aus diesem Grunde werden sie insbesondere für die Isolation von Räumen verwendet, bei denen der Brandschutz einen hohen Stellenwert einnimmt. Weiterhin kann das Phenolharz Schäume herstellen, die eine gute Wärme- und Schallisolation aufweisen. Das Material kann in verschiedenen Formen hergestellt werden, indem es in geeignete Formen eingebracht wird.
Die Verwendung von Phenolschäumen bei der Mikrowellen- unterstützten Herstellung ermöglicht es, das Hydrolyseprodukt als Treibmittel zu verwenden, wobei entflammbare und umweltschädliche Chemikalien vermieden werden können. Aufgrund ihres hohen Wassergehaltes sind insbesondere Phenolschäume geeignet für ein Herstellungsverfahren mittels Mikrowellenbestrahlung.
Zur Beschleunigung der Aushärtung kann die organische Phenolsulfonsäure mit verwendet werden. Durch den Einsatz der Phenolsulfonsäure mit etwa 7,5 Gewichtsprozent kann die Aushärtungszeit nur wenige Minuten betragen. Experimente zeigten, dass ein Vernetzungsgrad bei Phenolschäumen von über 90% erreicht werden können.
Die gegenüber Mikrowellen empfindlichen Carbon Nanosphere Chains können lokal die Mischungen erwärmen und somit die kontrollierte Zellbildung fördern. Insbesondere Carbon Nanosphere Chains ergeben Zellstrukturen mit relativ stabilen Zellwänden, die mechanischen Belastungen und Zugkräften standhalten kann. Ferner haben Carbon Nanosphere Chains einen positiven Einfluss auf das Feuchteverhalten. Da die Carbon Nanosphere Chains hydrophob sind, nehmen diese Schaumstrukturen weniger Feuchte auf als Schäume, die diese Partikel nicht enthalten.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird eine Schaumstruktur von einer Dichte von weniger als 25 kg/m³ bereitgestellt vorzugsweise etwa 20 kg/m³.
Auf diese Weise kann das Leichtbaupotential der Schaumstruktur gesteigert werden. Insbesondere für den Einsatz im Flugzeugbau sind Gewichtsersparnisse aufgrund geringer Dichten von Baumaterialien von Bedeutung. Ferner können durch den Einsatz von Mikrowellentechniken die Herstellungszyklen verkürzt werden und kostengünstige Herstellung bereitgestellt werden.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird eine Schaumstruktur zur Verwendung als Material ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Kernmaterial für Sandwichstrukturen, Isolationsmaterial und flammenabweisende Strukturen.
Auf diese Weise ermöglicht die erfindungsgemäße Schaumstruktur bei vertretbarem Herstellungsaufwand eine ideale Kernstruktur für Sandwichstrukturen. Schaumstoffverbundkörper oder Sandwichkonstruktionen und Komposits werden insbesondere zur Isolation und Wärmedämmung verwendet. Sandwichstrukturen sind Formkörper, die aus einer außen liegenden Deckschicht und einem innen liegenden Kernwerkstoff aufgebaut sind, wobei der Kernwerkstoff den erfindungsgemäßen Schaumstoff umfasst. Als Kernwerkstoffe werden beispielsweise Materialien mit geringem Raumgewicht typischerweise im Bereich von unter 150 kg/m³ eingesetzt.
Die Verwendung von Hartschäumen für Schichtwerkstoffe wie beispielsweise Phenolschaum kann einen isotropen Schaum bereitstellen, der Schubkräfte in allen Raumrichtungen aufnehmen kann. Weiterhin können diese Schaumstrukturen leicht mit den beispielsweise für Holz üblichen Werkzeugen und Maschinen bearbeitet werden.
In einem Innenraum verwendete Phenolschäume als Kernmaterial für Sandwichstrukturen haben ein sehr gutes Verhalten gegenüber Feuer. Die flammenabweisenden Eigenschaften dieser Schaumprodukte lassen sich zudem durch den Zusatz von einem geeigneten Nukleierungsmittei, wie zum Beispiel Ruß, noch erhöhen. Ferner können neben dem Nukleierungsmittei noch zusätzliche flammenabweisende Zusatzstoffe hinzugegeben werden, um den hohen Brandschutzanforderungen beispielsweise im Flug- und Luftfahrtbereich zu genügen.
Gemäß einem beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Schaumstruktur für ein Luftfahrzeug verwendet.
Insbesondere für Isolationszwecke oder den Einsatz in Sandwichstrukturen für Innenraumausstattungen von Luftfahrzeugen können die genannten Schaumstrukturen geeignet sein. Die Mikrowellenbestrahlung bietet dabei eine Möglichkeit an, auch eine in situ Herstellung des Kompositmaterials zu bewerkstelligen. Auf diese Weise kann ein einfaches Herstellungsverfahren – das in situ Schäumen von Kompositmaterialien – bereitgestellt werden. Durch die Zugabe von geeigneten Nukleierungsmitteln kann erfindungsgemäß auch die Sprödigkeit des Materials herabgesetzt werden. Mit Hilfe von Einsatz geringer Dichten kann eine Leichtbaukonstruktion realisiert werden, die sich bei der Luftfahrt in Treibstoffersparnissen auswirkt.
Ferner sei darauf hingewiesen, dass die obigen Merkmale und Verfahrensschritte auch kombiniert werden können. Die Kombination der obigen Verfahrensschritte bzw. Merkmale kann zu wechselwirkenden Effekten und Wirkungen führen, die über die Einzelwirkungen der entsprechenden Merkmale hinausgeht, auch wenn dies nicht ausdrücklich im Detail beschrieben wird.
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden mit Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Ansicht des Herstellungsverfahrens für verbesserte Schäume mit Hilfe von gegenüber Mikrowellen empfindlichen Partikeln als Nukleierungsmittel.
2 ist ein schematisches Flussdiagramm des Verfahrens zur Herstellung von verbesserten Schäumen durch den Einsatz von Mikrowellen aktiven Partikeln als Nukleierungsmittel.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine schematische Ansicht des Herstellungsverfahrens für verbesserte Schäume mit gleichmäßig verteilten Poren. Das erfindungsgemäße Gemisch 100 ist durch ein Rechteck begrenzt und enthält die Nukleierungsmittel 140. Als Nukleierungsmittel eignen sich Nanopartikel von Durchmesser im Nanometerbereich. Besonders geeignet sind als Nukleierungsmittel Carbon Nanosphere Chains, die sich leicht in einer wässrigen Lösung von einem Harzsystem dispergieren lassen.
Carbon Nanosphere Chains werden beispielsweise von der Clean Technology International Corporation kommerziell zur Verfügung gestellt. Die Carbon Nanosphere Chains besitzen eine Kugelform, die meist hohl und in Ketten verbunden sind und aufgrund ihrer Form auch Nano Onions oder zwiebelförmige Nanostruktur genannt werden. Diese zwiebelartigen Kugeln haben Durchmesser beispielsweise im Bereich von 2 nm bis 250 nm, vorzugsweise etwa 60 nm. Die Carbon Nanosphere Chains lassen sich – möglicherweise aufgrund ihrerverketteten Struktur – gut in hydrophilen Systemen wie Phenolharz dispergieren. Experimente zeigten eine einfachere Verteilung bei der Zumischung von Carbon Nanosphere Chains in einem wässrigen Phenolharzsystem als im Vergleich zu Carbon Nanotubes, die faserartig ausbildet sein können.
Ferner ergaben Experimente, dass Nanopartikel, die gegenüber Mikrowellen empfindlich sind, eine signifikant höhere Aktivität zur homogenen Zellbildung aufweisen. Dabei wurden insbesondere Carbon Nanosphere Chains getestet. Um die erfindungsgemäße Wirkung einer besseren Porenbildung zu bewirken reichen bereits geringe Gewichtsanteile von Kohlenstoff-Nanopartikel bezogen auf die Grundmasse aus.
Als weitere mögliche Nukleierungsmittel können die den Carbon Nanospheres Chains ähnlichen Carbon Nanotubes oder Metalloxide wie Eisenoxide verwendet werden. Nanopartikel aus Ruß, Graphene und Graphite zeigen ebenso eine starke Mikrowellenaktivität und können als Nukleierungsmittel für das erfindungsgemäße Gemisch verwendet werden. Mindestens eines dieser Nukleierungsmittel kann als Additiv dem Grundgemisch zugeben werden, um beim Aufschäumen die Nukleierung von Gasblasen bzw. Schaumzellen zu begünstigen.
Des Weiteren sind in die Mischung weitere Additive einbringbar, insbesondere Zusatzstoffe wie oberflächenaktive Substanzen, die ebenfalls benutzt werden können, um die Porengröße und Struktur zu kontrollieren. Häufig werden bei herkömmlichen Herstellungsverfahren dem Grundgemisch Treibmittel zugesetzt, worauf die Schaumbildung beruht. Treibmittel können dagegen auch systemintern beispielsweise durch eine chemische Reaktion oder aufgrund von physikalischen Prozessen erzeugt werden, nämlich durch beispielsweise Verdampfung bei erhöhten Temperaturen. Alle Treibmittel bewirken, dass Gas freigesetzt wird, wodurch eine Zellstruktur hergestellt werden kann.
Bei dem erfindungsgemäßen Gemisch kann auf eine Treibmittelzugabe verzichtet werden, wenn als Grundbasis Phenolharz verwendet wird, da durch die Polykondensation im Schäumungsprozess Wasser hergestellt wird, welches bei der Verdampfung als Treibmittel dienen kann.
Phenolharze entstehen durch Polykondensation von Phenol oder ähnlichen zyklischen Verbindungen mit Formaldehyd unter Abspaltung von Wasser. Phenole können in zwei verschiedene Klassen eingeteilt werden, den Novolaken und den Resolen. Die sogenannten Novolake sind thermoplastische Harze. Die Gruppe der Resole eignet sich für die Herstellung von Schäumen und enthalten eine Mischung von Mono-, Di- oder Trimethylphenolen, Kondensationsprodukte verschiedener Art und von verschiedenem Molekulargewicht, sowie auch monomerische Formaldehyde und Phenol.
Zur Schaumherstellung können flüssige oder zähflüssige vorpolymerisierte Molekülketten verwendet werden, die sich in dem Verschäumungsschritt vernetzen. Als Beispiel für ein übliches Phenol ist das kommerziell erhältliche Bakelite zu nennen. Die Vorkondensate sind feste pulverförmige oder zähflüssige Harze, die löslich sind und durch Wärmeeinwirkung oder mit bestimmten Katalysatoren kalt aushärten können. Unter der Verwendung eines geeigneten sauren Katalysators können die Phenolschäume leicht hergestellt werden und es ist zu beachten, dass bei der Aushärtereaktion der Resole als Produkt Wasser entsteht. Dieses Hydrolyseprodukt kann wie oben beschrieben als Treibmittel verwendet werden, wobei auf ein externes Treibmittel verzichtet werden kann.
Das Lösungsgemisch, bestehend aus Grundmasse und Nukleiierungsmitteln und möglichen weiteren Additiven, wird in eine Form, die nicht dargestellt ist, initiiert und in einen Ofen gebracht. Die Mikrowellenerzeugung kann in modularen Mikrowellen-Systeme wie Öfen der Serie HEPHAISTOS (High Electromagnetic Power Heating Automated Injected STructures Oven System) erfolgen, welche im Forschungszentrum Karlsruhe entwickelt wurden. Diese sechseckigen Mikrowellenöfen, dessen Geometrie eine gleichmäßige Verteilung der Mikrowellen ermöglicht, können beispielsweise Mikrowellenstrahlung von etwa 2,45 GHz erzeugen. Ferner können diese Öfen vom Labormaßstab bis zur Großanlage der Luftfahrtindustrie realisiert werden. Die Verwendung dieser Produktlinie der Mikrowellenöfen ergibt somit den Vorteil, dass in situ Synthesen von Kompositschaumstrukturen ermöglicht werden.
In dem genannten Mikrowellenofen kann dem Gemisch die gewünschte Wärme durch Mikrowellenstrahlung zugeführt werden. Nach der Mikrowelleneinstrahlung sind die Partikel aktiviert und es stellt sich ein Gemisch 110 ein, das lokal erwärmte Nukleierungsmittel 144 enthält. Durch die lokale Aufwärmung der Nukleierungsmittel, dargestellt durch die Kreise um die Nukleierungsmittel 144, kann eine homogene Porenbildung initiiert werden. Im Vergleich zu Schichtsilikaten als Nukleierungsmittel konnte bei dem Einsatz von Mikrowellenaktiven Carbon Nanosphere Chains experimentell eine höhere Reaktivität des Harzes in Bezug auf die Zellbildung gezeigt werden. Laborexperimente zeigten weiterhin, dass beispielsweise Carbon Nanosphere Chains bereits bei geringen Zugaben von 5 Gewichtsprozent die Temperatur des Harzes signifikant erhöht. Geringere Gewichtsanteile erzeugen erwartungsgemäß geringere Temperaturanstiege.
Ein Temperaturanstieg kann einerseits die Viskosität und Oberflächenspannung des Gemisches herabsetzen und die Blasenwände im Vergleich zu niedrigeren Temperaturen dünner werden lassen. Diese dünnwandigen Strukturen können leichter einreißen. Dies führt zu größeren Zellen. Andererseits kann ein Anstieg in der Temperatur auch die Nukleationsrate und Keimbildungsrate erhöhen, was die Bildung von mehr Zellen beinhaltet. Experimente zeigten jedoch, dass die Wände, die als Nukleierungsmittel Carbon Nanosphere Chains beinhalten, höheren Temperaturen standhalten konnten und im Vergleich zum Einsatz von herkömmlichen Nukleierungsmitteln nicht einreißen. Auf diese Weise konnte ein kontrolliertes und homogenes Zellwachstum durch die Erhöhung der Temperatur erreicht werden.
Durch die Mikrowellenbestrahlung wird weiterhin die Vernetzung des verwendeten Harzes initiiert und die Aushärtung beginnt in einem Zeitraum von wenigen Minuten. Nach der Aushärtung kann das Gemisch ein größeres Volumen einnehmen, dargestellt durch das rechte Bild, das ein größeres Volumen 160 der Schaumstruktur darstellt. Die Nukleierungsmittel sind nun als Keime 145 der Schaumblasen 150 zu sehen. Als Treibmittel kann vorzugsweise das Hydrolyseprodukt des Harzes insbesondere des Phenolharzes verwendet werden, wobei durch die Erwärmung Wasserdampf entsteht. Das aktivierte und ausgehärtete Gemisch 160 stellt eine höhere Zelldichte und gleichmäßigere Porenstruktur dar als bei Schäumen, die mit herkömmlichen nicht Mikrowellen-aktiven Nukleierungsmitteln hergestellt wurden. Ferner kann die hydrophobe Eigenschaft beispielsweise der Carbon Nanosphere Chains genutzt werden, welche eine Wasseraufnahme der Schäume verringert, was günstig ist, da Feuchtigkeit die mechanischen Eigenschaften des Materials verringert oder verschlechtert.
Um gute Schaumprodukte zu erhalten, ist eine Form notwendig, die jedoch in 1 nicht dargestellt ist. Die Verwendung von Formen ermöglicht eine Vielfalt von verschiedenen Schaumkörpern. Des Weiteren unterstützt eine Form die Homogenität der Schäume und kontrolliert gleichzeitig die Dichte. Beispielsweise kann die Form geschlossen werden, um die Dichte der Mischung zu kontrollieren, während die Mikrowellenstrahlung appliziert wird. Da Gase durch die Erhitzung entstehen, sollte die Form auch Löcher enthalten, dass Dampf aus der Form entweichen kann. Dabei kann mit Hilfe von nur gegenüber Gasen durchlässigen Membranen ein Austritt der Schaummasse verhindert werden. Um entstandenen Dampf schnell abzuleiten, ist es auch möglich, eine zusätzliche Entlüftungsvorrichtung vorzusehen.
Das Material, das für eine Form verwendet werden soll, soll für Mikrowellenstrahlung durchdringbar sein wie beispielsweise Teflon, Polyetheretherketone (PEEK) oder Silikon. Es können auch offene Formen verwendet werden. Jedoch zeigten Experimente, dass geschlossene Formen eine homogenere Schaumherstellung begünstigen. Die Form kann auch aus mehreren Teilen bestehen wie beispielsweise einem Basisteil, einem zentralen Wandteil und einer mit den anderen Teilen verbindbare Abdeckung. Mehrteilige Formen können mit geeigneten Vorrichtungen wie Schrauben oder anderen Fixierungsmitteln geschlossen werden.
In der Form sind Temperatursensoren von Vorteil, da eine Kontrolle der Temperatur notwendig sein kann, wenn exotherme chemischen Reaktionen beim Aushärtungsprozess beteiligt sind. Durch Experimente zum Temperaturverlauf kann die optimale Aktivierungsbestrahlung herausgefunden werden.
2 zeigt den zeitlichen Verlauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von verbesserten Schäumen. Der erste Schritt 200 zeigt das Mischen einer wässrigen Lösung basierend auf einem Harzsystem mit von gegenüber Mikrowellen empfindlichen Partikeln. Bei diesem Schritt können auch weitere gewünschte Zusatzstoffe hinzugefügt werden, wie beispielsweise Sphärolite oder Mikrosphären, die expandieren können sowie Tenside, Dispergierungsmittel, Flammenschutzmittel, Wärmestabilisatoren, Pigmente, Farbstoffe, Füllstoffe, Zusätze zur Kompressionsverbesserung oder Ähnliches. Kurz vor Injektion in die Form, das heißt vor dem nächsten Verfahrensschritt 201, kann auch ein Härtungsmittel bzw. Beschleuniger hinzugegeben werden. Im nächsten Schritt 201 wird die Mischung in eine Form eingeführt bzw. eingespritzt. Die Form sollte geeignet sein, um die später zu erzeugende Volumen herstellen zu können und kann Öffnungen aufweisen, die zur Entweichung von entstehenden Gasen dient.
Im Schritt 202 werden die Nukleierungsmittel durch Mikrowellenstrahlung aktiviert, so dass eine lokale Erwärmung um die Nukleierungsmittel erzeugt wird. Die Dauer der Mikrowellenbestrahlung und Aussetzungszeit hängt von jeweils der zugesetzten Menge des gegenüber Mikrowellen empfindlichen Materials ab und der Intensität der Mikrowellendosis. Die Erzeugung von Mikrowellen kann in üblicher Weise erfolgen durch geeignete Vorrichtungen vorzugsweise durch Mikrowellenöfen der HEPHAISTOS-Serie. In diesen Öfen kann das Gemisch gleichförmig und rasch homogen erwärmt werden, was beim Einsatz von Schäumen insbesondere hinsichtlich einer gleichmäßigen Porenbildung erwünscht ist. Dabei lässt sich die Wärmequelle sofort an- und abstellen, was mit Energieeinsparungen verbunden ist.
Durch die Erhitzung des Gemisches wird die Vernetzung des Harzsystems initiiert und bei der Verwendung von Phenolharz gleichzeitig das Hydrolyseprodukt Wasser erzeugt. Infolge der Erwärmung kann das Wasser verdampfen und mit den entstehenden Gasblasen kann das Harzsystem aufgeschäumt werden. Der Aufschäumungsschritt 202 beinhaltet die Schaumbildung, wobei ein Treibmittel, welches unter den Schäumbedingungen gasförmig wird, zur Bildung der Poren genutzt wird. Dabei bilden sich die Zellen an den Nukleierungsmitteln bzw. aktiven Nanopartikeln.
In dem letzten Schritt 203 wird die Schaumstruktur ausgehärtet und es hat sich eine feste Schaumstruktur in der Form gebildet. Nach Abkühlung kann der Schaum aus der Form entnommen werden. Die Schaumstruktur weist eine homogene Porenbildung und eine geringe Dichte auf. Durch das erfindungsgemäße Verfahren können Schäume sehr geringer Dichten von etwa 20 kg/m³ oder weniger hergestellt werden.
Es sei angemerkt, dass der Begriff „umfassend” weitere Elemente oder Verfahrensschritte nicht ausschließt, ebenso wie der Begriff „ein” und „eine” mehrere Elemente und Schritte nicht ausschließt. Die verwendeten Bezugszeichen dienen lediglich zur Erhöhung der Verständlichkeit und sollen keinesfalls als einschränkend betrachtet werden, wobei der Schutzbereich der Erfindung durch die Ansprüche wiedergegeben wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 3238157 [0004]
WO 2006/051302 [0005]

Claims

Eine Mischung zur Herstellung für Schäume, umfassend ein polymeres oder polymerisierbares System; und gegenüber Mikrowellen empfindliche Partikel als Nukleierungsmittel, um eine homogene Porenbildung zu fördern.
Eine Mischung nach Anspruch 1, wobei das gegenüber Mikrowellen empfindliche Material ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Carbon Nanosphere Chains; Carbon Nanotubes; Ruß; Graphit; Graphene; Siliciumcarbid und Eisenoxid.
Mischung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das polymere und polymerisierbare System ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Thermoplaste; Elastomere; Duromere und Mischungen daraus.
Mischung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, wobei die Mischung einen Beschleuniger oder Katalysator zur Aushärtung der Polymere umfasst.
Mischung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, wobei das polymere System auf Phenolharz basiert.
Mischung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, wobei der Beschleuniger oder Katalysator ein saures Härtungsmittel umfasst dessen Anteil zwischen 5 und 15 Gew.-%, insbesondere etwa 7,5 Gew.-% liegt.
Mischung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, wobei der Beschleuniger oder Katalysator eine Phenolsulfonsäure umfasst.
Mischung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, wobei der Anteil der Partikel des Nukleierungsmittels zwischen 0,1 Gew.-%, und 5 Gew.-%, insbesondere etwa 2 Gew.-% liegt.
Herstellungsverfahren für Schäume, umfassend folgende Schritte: Mischen einer wässrigen Lösung basierend auf einem polymeren oder polymerisierbaren System mit von gegenüber Mikrowellen empfindlichen Partikeln; Aktivieren der gegenüber Mikrowellen empfindlichen Partikel mittels Bestrahlung durch Mikrowellen, wobei die gegenüber Mikrowellen empfindlichen Partikel lokal erwärmt werden und als Nukleierungsmittel für eine kontrollierte und gleichmäßige Porenbildung dienen; und Aufschäumen des polymeren oder polymerisierbaren Systemes mittels durch die initiierte Vernetzung des polymeren oder polymerisierbaren Systemes freigesetzter Hydrolyseprodukte.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei das Mischen das Einbringen eines Beschleunigers oder Katalysators umfasst; und wobei vor dem Aktivieren die Mischung in eine Form eingefüllt wird.
Schaumstruktur auf Basis eines polymeren oder polymerisierbaren Systemes, wobei die Schaumstruktur gegenüber Mikrowellen empfindliche Partikel als Nukleierungmittel umfasst.
Schaumstruktur basierend auf einem Phenolharz nach einem der vorhergehenden Ansprüchen 1 bis 5; basierend auf Phenolsulfonsäure als Beschleuniger nach einem der vorhergehenden Ansprüchen 6 bis 7; und umfassend eines der gegenüber Mikrowellen empfindlichen Nukleierungsmittel nach einem der vorhergehenden Ansprüchen 1, 2 und 8.
Schaumstruktur nach einem der Ansprüche 11 und 12, wobei der Schaum eine Dichte von weniger als 25 kg/m³ aufweist.
Schaumstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 13, wobei die Schaumstruktur aus einem Material ausgewählt ist, aus der Gruppe bestehend aus: Kernmaterial für Sandwichstrukturen; Isolationsmaterial; und flammabweisende Struktur.
Schaumstruktur für ein Luftfahrzeug nach einem der Ansprüche 11 bis 14.