DE102009038531B4 - Process for the preparation of phenolic resin foams using a microwave-sensitive material, foam structure produced by this process and their use - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung von Phenolharz-Schäumen, umfassend folgende Schritte: Bereitstellen einer Mischung umfassend: – ein polymerisierbares System; und – gegenüber Mikrowellen empfindliche Partikel als Nukleierungsmittel, um eine homogene Porenbildung zu fördern, wobei die gegenüber Mikrowellen empfindlichen Partikel ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Carbon Nanosphere Chains, Carbon Nanotubes, Ruß, Graphit, Graphen und Siliciumcarbid 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 polymerisierbaren Systems mittels durch die initiierte Vernetzung des polymerisierbaren Systems freigesetzten Hydrolyseproduktes Wasser als Treibmittel.A process for producing phenolic resin foams comprising the steps of: providing a mixture comprising: a polymerizable system; and micron sensitive particles as nucleating agents to promote homogeneous pore formation, wherein the micron sensitive particles are selected from the group consisting of carbon nanosphere chains, carbon nanotubes, carbon black, graphite, graphene and silicon carbide activating the micron sensitive particles by means of Microwave irradiation wherein the particles sensitive to microwaves are locally heated and serve as nucleating agents for controlled and uniform pore formation; and foaming the polymerizable system by means of hydrolysis product released by the initiated crosslinking of the polymerizable system, water as blowing agent.

Description

Gebiet der ErfindungField of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von homogenen Phenolharz-Schäumen mit verbesserter Porenstruktur auf Basis eines polymerisierbaren Systemes und eines gegenüber Mikrowellen empfindlichen Materials als Nukleierungsmittel. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Schaumstruktur hergestellt nach dem Verfahren sowie die Verwendung der Schaumstruktur.The invention relates to a process for the preparation of homogeneous phenolic resin foams having improved pore structure based on a polymerizable system and a microwave-sensitive material as a nucleating agent. Furthermore, the invention relates to a foam structure produced by the method and the use of the foam structure.

Technologischer HintergrundTechnological background

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.Organic foams based on thermoplastics such as polyvinyls, polyolefins, elastomers such as polyurethane and thermosets such as phenolic resins are suitable for thermal and acoustic insulation. While thermoplastics are predominantly represented by polymers, the group of thermosets is characterized in particular by polycondensates, which can cure by heat or suitable catalysts.

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.The foams mentioned can be prepared by various methods. On the one hand, gas can be introduced into the basic composition or basic mixture by stirring, as in the production of the phenolformaldehyde rigid foam. On the other hand, suitable chemical blowing agents can be added during the preparation of the basic mixture, which become gaseous only during processing. If the mass is injected into a mold, then a structural foam can be produced which has an outer skin with a core structure that saves weight in the foam structure. An essential part of modern lightweight constructions are sandwich structures. For example, phenolic foams are often used for core materials in sandwich structures in commercial aircraft.

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.Out US 3,238,157 For example, a process for the production of foams based on an elastomer, which consists of mixing rubber-like high-viscosity silicone compositions initially with particulate cavity-forming solids. The mixture cures to a silicone elastomer, from which foam structure the lumpy material is subsequently dissolved out either by washing with water or by heating in such a way that pores are formed which correspond to the size of the solids removed.

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.It is also known to use microspheres for regulating the cell structure in foams, which are intended, for example, in a resin material to improve the foaming process. In WO 2006/051302 For example, a process for producing a composite foam using phenolic resin having a plurality of expandable thermoplastic microspheres is described. This mixture of phenolic resin and microspheres is exposed to microwave radiation to cure the composite material and cause expansion of the microspheres. Since the not yet expanded particles are much easier to mix to a processing matrix than already expanded microspheres, the processing in the production of the foam can be facilitated. In the described method, however, no uniformly distributed pore formation is achieved by the use of external blowing agents.

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.The microwave technique used in the latter method aids in the polymerization of resins because, for example, this heat source can cause faster cure by heating at a high water level of the base mixture. In the prior art, the microwave technique is used for example for the polymerization of vinyl monomers. It is also known that the microwave technology is suitable for faster drying of aqueous solutions.

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.Furthermore, cell structures of foams can be regulated by the addition of nucleating agents by promoting pore formation. As nuclei nuclei, for example, very fine particles so-called microparticles or nanoparticles can be made available, such as inorganic fillers. The use of known nucleating agents, such as. However, for example, clay or fumed silica may prove to be unsuitable for even expansion of the base mixture during the polymerization process, resulting in nonuniform pore structures and higher density foams than desired.

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.Nucleating agents considered by those skilled in the art include nanoparticles such as nanotubes of layered mineral silicates or other inorganic small particles such as fumed silica structures. These small particles may have a high surface area of between 50-400 m 2 / g. In particular, phyllosilicates have been used repeatedly for the production of foams, but have a disadvantageous effect on the viscosity of the base mixture and can be difficult to disperse, which makes it difficult to process the matrix or allows only small addition amounts of the nucleating agent. The nanoparticles mentioned are used in analogy to the widely used microparticle fillers and serve for a finer cell structure of the foam. However, the ability to produce cells evenly is not sufficient with these nanoparticles.

Aus der EP 0 989 158 A2 ist ein aufgeschäumter Gegenstand aus agglomerierten, aufgeschäumten Partikeln bekannt, wobei die Partikel eine thermoplastische Stärke, ein thermoplastisches Polymer und Wasser umfassen. Mikrowellen können zum Aufschäumen der Partikel verwendet werden. From the EP 0 989 158 A2 For example, a foamed article of agglomerated, foamed particles is known, which particles comprise a thermoplastic starch, a thermoplastic polymer, and water. Microwaves can be used to foam the particles.

Ein Verfahren zum Aufschäumen von Silikonszusammensetzungen unter Verwendung von Mikrowellen wird in der US 4,026,844 offenbart.A method of frothing silicone compositions using microwaves is described in U.S. Pat US 4,026,844 disclosed.

In der WO 2009/155066 A2 wird ein Verfahren zur Herstellung geschäumter Polymere offenbart, wobei u. a. aktivierter Kohlenstoff als Schaumhilfsmittel verwendet werden kann. Der Einsatz von Mikrowellenstrahlung wird nicht offenbart.In the WO 2009/155066 A2 discloses a process for producing foamed polymers, wherein, among other things, activated carbon can be used as a foam aid. The use of microwave radiation is not disclosed.

Ein wasserabsorbierendes, schaumförmiges, vernetztes Polymerisat aus monoethylenisch ungesättigten Monomeren wird in der DE 195 40 951 A1 beschrieben.A water-absorbing, foam-like, crosslinked polymer of monoethylenically unsaturated monomers is described in US Pat DE 195 40 951 A1 described.

Metallpulver, Metallverbindungen oder Metalloxide werden gemäß der EP 1 900 767 A1 bei der Herstellung eines Mikrowellenschaums eingesetzt.Metal powders, metal compounds or metal oxides are used according to the EP 1 900 767 A1 used in the production of a microwave foam.

Die DE 602 23 228 T2 offenbart einen polymeren Verbundschaum aus einer kontinuierlichen Phase eines Furan- oder eines Phenol- und Furanpolymers und eine disperse Phase aus geschäumtem Polystyrolpolymer. Als Feuerretardiermittel kann beispielsweise expandierbarer Graphit verwendet werden.The DE 602 23 228 T2 discloses a polymeric composite foam of a continuous phase of a furan or a phenolic and furan polymer and a dispersed phase of foamed polystyrene polymer. For example, expandable graphite may be used as the fire retardant.

Schließlich betrifft die EP 0 010 432 B1 ein Kunststoffpolymermaterial, das auch zur Herstellung eines syntatkischen Schaumes verwendet werden kann, wenn beispielsweise hohle Flugaschekugeln eingebracht werden.Finally, the concerns EP 0 010 432 B1 a plastic polymer material which may also be used to make a syntactic foam when, for example, hollow flyash balls are introduced.

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.As conventional foam composite fabrication processes use complicated, multi-phase, and costly processes, there is a need to find more efficient and simpler ways of manufacturing. Furthermore, when using conventional nucleating agents such as mineral microparticles, only a slight improvement in the pore structure was observed.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

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.It is an object of the invention to provide a foamable mixture for the preparation of improved foams having a more homogeneous pore structure as well as a lower density, e.g. B. less than 100 kg / m 3 .

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Herstellungsverfahren für Schäume zu schaffen.It is another object of the present invention to provide an improved foaming process.

Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren zur Herstellung von Phenolharzschäumen, einer Schaumstruktur hergestellt nach dem Verfahren sowie der Verwendung der Schaumstruktur gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst, wobei Fortbildungen in entsprechenden abhängigen Ansprüchen verkörpert werden.These objects are achieved by a process for producing phenolic foams, a foam structure prepared by the process, and the use of the foam structure according to the independent claims, wherein further developments are embodied in corresponding dependent claims.

Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird eine Mischung zur Herstellung für Schäume umfassend ein polymerisierbares System und gegenüber Mikrowellen empfindliche Partikel als Nukleierungsmittel, um eine homogene Porenbildung zu fördern, bereitgestellt.According to an exemplary embodiment of the invention, a mixture for producing foams comprising a polymerizable system and micron-sensitive particles as nucleating agent to promote homogeneous pore formation is provided.

Auf diese Weise kann einem 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.In this way, microwave-sensitive particles can be added to a polymerizable system which can be locally heated and serve as suitable nucleating agents for controlled and uniform pore formation. In the context of nucleating agents, microwave technology is a technology option for improving the material properties of the foam products of polymeric materials. The microwaves used in the invention are known to be a form of electromagnetic radiation and are characterized, for example, by wavelengths in the range between 1 mm and 1 m, which corresponds to a frequency range of 300 MHz and 300 GHz.

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.Furthermore, the use of microwaves as a heat source over conventional heat processes offers the following advantages: Firstly, the process time can be shortened because not the entire microwave oven, but only the sample in the oven is heated. A local heat input, for example, in sandwich structures only heat the foam and not the already cured laminates. On the other hand, the rapid heating by microwave technology promotes nucleation. Shorter heating and cooling times, in turn, result in significant cost savings and lower energy consumption over conventional methods. This is also beneficial for the environmental audit.

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.Furthermore, a homogeneous heating can be achieved by the microwave technique, which results in homogeneously uniform pore structures and enables the production of strong foams. Care must be taken in the case of microwaves initiated exothermic reactions that the temperature remains under control. This means that with known heat formation by chemical reactions a lower Microwave power can be used to obtain the desired process for optimal process control process temperature.

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.The microwave active nucleating agent is added to the base mix to aid in the formation of cell structures prior to the foaming process. In this way, the nucleation rate of the mixture in the production of the foam can be improved. These microwave-active nucleating agents promote a finer and more uniform cell structure of the foam. By means of the microwave activity, the nucleating agents, for example in a thermoplastic polymer, cause a local increase in the temperature, which takes place rapidly and forms ideal nuclei for bubble formation. Also, the microwave-active nucleating agents can assist in heating the material to be foamed. In this case, the large surface introduced by the nanoparticles seems to be of central importance for improved nucleation or nucleation. The nucleating agents may also improve mechanical properties such as the compression property.

Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Mischung ist das gegenüber Mikrowellen empfindliche Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Carbon Nanosphere Chains (CNSCs), Carbon Nanotubes, Ruß, Graphit, Graphene, und Siliziumcarbid (SiC).According to an exemplary embodiment of the mixture, the microwave-sensitive material is selected from the group consisting of carbon nanosphere chains (CNSCs), carbon nanotubes, carbon black, graphite, graphene, and silicon carbide (SiC).

Die genannten Materialien für Nukleierungsmittel sind kohlenstoffhaltig. 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.The mentioned materials for nucleating agents are carbonaceous. Carbonaceous nanostructures are made in the prior art from graphite structures. These graphite structures are a well-known carbon material that has important properties such as electrical conductivity and microwave activity. The carbon nanotubes include carbon nanofibers having average diameters of, for example, less than or about 2000 nanometers (nm).

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.In order to render the carbonaceous and, for example, nanotube fibrous nanomaterial more dispersible, the carbonaceous material may be treated to attach functional groups such as acid groups from the surface. For example, oxidized functional groups can be attached. Other treatment options of this nanomaterial to increase the dispersibility are possible, such as a heat treatment or a cleaning process.

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.It is also possible to use carbon nanosphere chains that are relatively similar in their properties to the carbon nanotubes. They can also be heated under microwave irradiation and can promote nucleation in the base mixture by the local heating. Furthermore, the use of carbonaceous nanostructures as an additive in polymer foams can improve the mechanical properties such as compressibility of the composite material.

Durch den Einsatz des 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.By using the nucleating agent, it is furthermore possible to bring about a positive influence on the burning behavior of the foam produced. Even the addition of small amounts of carbon black, for example, in an amount of 2 percent by weight, increases the flame retardant property of the foam product - especially in highly flammable polystyrenes or polyurethanes. Finally, moisture resistance of the foam products can also be promoted by the addition of hydrophobic nucleating agents such as the carbon nanosphere chains or carbon nanotubes.

Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Mischung kann das polymerisierbare Material ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus Thermoplasten, Elastomeren, Duromeren und Mischungen daraus.According to an exemplary embodiment of the mixture, the polymerizable material may be selected from the group consisting of thermoplastics, elastomers, thermosets and mixtures thereof.

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.As the polymeric base material, any polymer or polymerizable material compatible with the use of graphite nanostructures or iron oxide nanoparticles can be used. As thermoplastics, for example, the groups of polyolefins and polyvinyls for foam production are known. As exemplary resin systems, phenolic resins and epoxies may be mentioned. In addition to polyurethanes and silicones, it is also possible to use the combination of the stated polymers or derivatives of these or copolymers. The polymerizable material may be a polymer or a polymerizable material such as a monomer or oligomer or other polymerizable systems.

Wenn das Schaumgemisch neben der organischen Schaumbasis Zusatzmengen anorganischer Verarbeitungsmittel oder flammenabweisende Additive enthält, ist das Schaumprodukt weniger leicht entflammbar und daher für Brandschutzzwecke besonders geeignet.When the foam mixture contains addition amounts of inorganic processing agents or flame retardant additives in addition to the organic foam base, the foam product is less likely to be flammable and therefore particularly suitable for fire protection purposes.

Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Mischung, umfasst die Mischung einen Beschleuniger oder Katalysator zur Aushärtung des Harzsystems.According to an exemplary embodiment of the mixture, the mixture comprises an accelerator or catalyst for curing the resin system.

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.The catalysts or accelerators are suitable for making the liquid preparation of a polymer or monomer mixture faster to cure or polymerize. For this purpose, both organic acids and inorganic acids can be used as catalysts. Inorganic acids include sulfuric acid, phosphoric acid or hydrochloric acid. The organic acids include, for example, benzenesulfonic acid or phenolsulfonic acid.

Das polymerisierbare System basiert auf Phenolharz.The polymerizable system is based on phenolic resin.

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.By using microwave-active nucleating agents, it is possible to achieve improved mechanical properties of the foam compared with the conventional phenolic foams, which may be partly brittle.

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.When using phenolic resin systems, external blowing agents can be dispensed with since phenolic systems form water during the polymerization which can be vaporized. In this way, the addition of external blowing agents can be circumvented, whereby a difficult to control gas formation and thus uneven pore formation can be avoided. With the aid of the nucleating agents, foaming can be controlled in phenol resin systems in order to improve the properties of the produced foam in terms of mechanical properties and density as well as uniform pores over conventional foams.

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.Unlike polystyrene, polyolefins or polyurethanes, which are relatively flammable, phenolic foams are relatively fire resistant. Since phenolic foams have low flammability, low smoke emission rate, and low toxicity of the flue gases produced, they are well suited for use in aircraft. In addition, phenolic foams have good thermal, thermal and sound insulating properties.

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.According to an exemplary embodiment of the invention, the accelerator or catalyst for curing the polymer or polymerizable system phenolsulfonic acid, which is added, for example, with a weight fraction based on the basic mass between 5 and 15 percent, in particular about 7.5 weight percent.

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.In this way, it is possible to achieve cell structures which have better mechanical properties than conventional foams, since they can be exposed to higher loads or obtain better pressure resistance values, for example. For example, the cells are smaller with a 7.5 percent addition than with an addition of about 5 percent phenolsulfonic acid.

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.An exemplary embodiment of the invention comprises a mixture, wherein the weight fraction of the nucleating agent is between 0.5 and 5 percent and in particular makes up about 2 percent.

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.The proportion of nucleating agents or nanoparticles of the nucleating agent can be adjusted so that the resulting mixture contains between 0.01 and 5 percent by weight. As nanoparticles in the form of carbon nanosphere chains, those with a weight fraction based on the basic mass of 2 percent can be used, wherein the average particle diameter of the nanoparticles of carbon nanosphere chains can be in a range of 10 and 200 nm, for example between 50 to 60 nm With these small amounts of use, based on the weight of the total mixture, significant changes, that is to say a multiple of the cell formation, can be achieved compared to conventional non-microwave-active nucleating agents.

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.In addition to the carbon nanosphere chains, the microwave-active carbon nanotubes can also be used. The cell structure produced from the mixture is essentially controlled by the amount of nucleating agent and the diameter of the nanoparticles in the nucleating agent.

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.Optionally, further additives can be added to the starting materials which are soluble in liquid or in one or more of the components used for foam production. Examples of additives are, for example, flameproofing agents, surface-active additives, foam stabilizers and other cell regulators or dyes. In particular, in the use of phenolic resins, the foam product may be brittle, additions of glass or aramid fibers are common. Foams reinforced with aramid fibers have less brittleness and a higher resistance to compressive stress. Glass fiber reinforced foams, on the other hand, have significantly stiffer and stronger properties. These reinforced phenolic foams are often used in sandwich structures because they can absorb high tensile and compressive forces.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung von Phenolharz-Schäumen geschaffen, welches folgende Verfahrensschritte umfasst: Mischen einer wässrigen Lösung basierend auf einem 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.According to one aspect of the invention, there is provided a process for the production of phenolic resin foams, comprising the steps of: mixing an aqueous solution based on a polymerizable system with microwaves sensitive particles, activating the microwaves sensitive particles by means of microwave irradiation Microwave-sensitive particles are locally heated and serve as nucleating agents for controlled and uniform pore formation and foaming the polymeric or polymerizable system by means of hydrolysis products released by the initiated crosslinking of the polymeric or polymerizable system.

Als Grundmasse für die Mischung dient ein 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.The matrix used for the mixture is a polymerizable system. For example, liquid or viscous prepolymerized molecular chains called resin are used. For example, if phenolic resin is used as a resin system, which are used in particular in aircraft because of their good fire protection behavior, an aqueous solution is present as a basic mixture. This aqueous resin solution with a water content of, for example, 20 to 30 percent is mixed with the particles sensitive to microwaves in such a way that a stable and uniform distribution of the microparticles or nanoparticles takes place. If nanoparticles are mixed in the form of carbon black, this leads to a discoloration of the foam.

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.A fine distribution of the particles in the mixture of solvent and resin system can be achieved by the introduction of shear energy. In this way, the nanoparticles can be predominantly deagglomerated distributed in the mixture. Agglomerates can reduce the activity of foaming. The introduction of shear energy can be easily realized by appropriate mixing devices. In the laboratory, a stepwise dispersion with different rotation rates per minute proved to be particularly efficient for a homogeneous distribution. Before the shearing action, other additives can be added in addition to the nucleating agents. If the addition of catalysts is desired, this is done shortly before foaming. Accelerators or catalysts can support the crosslinking, whereby sometimes the intrinsic moisture content can be sufficient.

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.The resulting mixture is then exposed to a source of microwaves to produce the foam. The micelles sensitive particles contain carbon structures such as graphite or iron nanoparticles and can cause local heating. These local heat sources promote a particularly uniform gas bubble formation and thus a foam with low density. The controlled cell formation rate allows the microwave-active nucleating agents to produce a controlled and uniformly shaped foam. The microwave-sensitive material is so stable in the mixture that there is no premature inhibition of foaming. As materials suitable for microwaves, for example, carbon-containing organic compounds in the size range of nanometers can be used, or even metal oxides such as iron oxide.

Wird ein geeignetes polymerisierbares System verwendet, kann die Wärmeeinwirkung durch Mikrowellenbestrahlung einen 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.If a suitable polymerizable system is used, the microwave irradiation heat action can initiate a reaction process in which water is released. In this way, the hydrolysis product of the resin system can be used as a blowing agent and no additional blowing agents need to be added before foaming. In this way can be dispensed with environmentally harmful chemical blowing agents. For example, the crosslinking reaction in phenolic resins causes the formation of water which evaporates upon heating, whereby the steam can be used as the blowing agent.

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.According to an exemplary embodiment of the production method according to the invention, the mixing comprises the introduction of an accelerator or catalyst, and further the mixture is introduced into a mold before foaming.

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.The crosslinking of the polymeric resin can be accelerated with hardeners or catalysts as a further component. In the process of the present invention, the acidic curing agent may be any acidic compound conventionally used in curing foams, such as hydrochloric, sulfuric, nitric, phosphoric, or phenolic sulfonic acids. All of these acids are suitable for use in an aqueous solution. A particularly acidic curing agent is the phenolic sulfonic acid or the phosphoric acid, which are inorganic and are used in weight percentages, in particular 5 to 10 percent and about 15 percent, respectively.

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.In order to obtain a suitable foamed structure, these hardening agents should, according to an exemplary embodiment, be incorporated shortly before foaming. Depending on the amount of the curing agent added, the reaction rate can be controlled. This means that the more catalyst added, the shorter the reaction time. After addition of the accelerator phenolsulfonic acid at less than 10 percent by weight resulted in a microwave irradiation time of a few minutes in the range between 4 and 10 minutes.

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.According to an exemplary embodiment of the invention, a foam structure based on a polymer or polymerizable system is provided, wherein the foam structure comprises microwave-sensitive particles as nucleating agent.

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. Due to the incorporation and use of microwave active nucleating agents, homogeneous foams having a high pore density can be obtained. Suitable nucleants substances may, for example, be carbonaceous organic nucleating agents such as carbon nanosphere chains or carbon nanotubes and carbon black, graphite, graphene, silicon carbide or metal oxides such as iron oxide. Using these nucleating agents, low densities of the foam structure can be achieved.

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.In an exemplary embodiment of the invention, the foam structure is based on a phenolic resin and a phenol-sulfonic acid based accelerator and includes the microwave-sensitive 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.An advantage of the phenolic foam structures is that they are flame retardant and thermally dimensionally stable. For this reason, they are used in particular for the isolation of rooms in which the fire protection takes a high priority. Furthermore, the phenolic resin can produce foams which have good heat and sound insulation. The material can be made in various forms by placing it in suitable molds.

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.The use of phenolic foams in microwave assisted manufacture allows the hydrolysis product to be used as a blowing agent while avoiding flammable and environmentally harmful chemicals. Due to their high water content, phenolic foams are particularly suitable for a production process by means of microwave irradiation.

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.To accelerate the curing, the organic phenolsulfonic acid can be used with. By using the phenolsulfonic acid at about 7.5% by weight, the curing time can be only a few minutes. Experiments showed that a degree of crosslinking of phenolic foams of over 90% can be achieved.

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.The microwave-sensitive carbon nanosphere chains can locally heat the mixtures and thus promote controlled cell formation. In particular, carbon nanosphere chains yield cell structures with relatively stable cell walls, which can withstand mechanical loads and tensile forces. Furthermore, carbon nanosphere chains have a positive influence on the moisture behavior. Because the carbon nanosphere chains are hydrophobic, these foam structures absorb less moisture than foams that do not contain these particles.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird eine Schaumstruktur von einer Dichte von weniger als 25 kg/m3 bereitgestellt vorzugsweise etwa 20 kg/m3.In a further embodiment of the invention, a foam structure of a density of less than 25 kg / m 3 is provided, preferably about 20 kg / m 3 .

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.In this way, the lightweight potential of the foam structure can be increased. In particular, for use in aircraft weight savings are due to low densities of building materials of importance. Further, by the use of microwave techniques, the manufacturing cycles can be shortened and cost-effective production can be provided.

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.According to an exemplary embodiment of the invention, a foam structure for use as a material is selected from a group comprising core material for sandwich structures, insulation material and flame-retardant structures.

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.In this way, the foam structure according to the invention allows an ideal core structure for sandwich structures at a reasonable production cost. Foamed composite bodies or sandwich constructions and composites are used in particular for insulation and thermal insulation. Sandwich structures are shaped bodies which are constructed from an outer cover layer and an inner core material, wherein the core material comprises the foam according to the invention. As core materials, for example, materials with a low density are typically used in the range of less than 150 kg / m 3 .

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.The use of rigid foams for coating materials such as phenolic foam can provide an isotropic foam that can absorb shear forces in all spatial directions. Furthermore, these foam structures can be easily edited with the usual for example for wood tools and machines.

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 Nukleierungsmittel, wie zum Beispiel Ruß, noch erhöhen. Ferner können neben dem Nukleierungsmittel noch zusätzliche flammenabweisende Zusatzstoffe hinzugegeben werden, um den hohen Brandschutzanforderungen beispielsweise im Flug- und Luftfahrtbereich zu genügen.Phenol foams used in an interior as a core material for sandwich structures have a very good fire behavior. The flame retardant properties of these foam products can be further increased by the addition of a suitable nucleating agent, such as carbon black. Furthermore, in addition to the nucleating agent additional flame-retardant additives can be added to meet the high fire protection requirements, for example in the aviation and aviation sector.

Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Schaumstruktur für ein Luftfahrzeug verwendet.According to an exemplary embodiment of the invention, the foam structure is used for an aircraft.

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.In particular for isolation purposes or for use in sandwich structures for Interior equipment of aircraft may be suitable for said foam structures. The microwave irradiation offers a possibility to accomplish an in situ production of the composite material. In this way, a simple manufacturing process - the in-situ foaming of composite materials - can be provided. By adding suitable nucleating agents, the brittleness of the material can also be reduced according to the invention. By using low densities, a lightweight construction can be realized, which in aviation in fuel savings.

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.It should also be noted that the above features and method steps can also be combined. The combination of the above process steps or features may result in interactive effects and effects that go beyond the individual effects of the respective features, although not explicitly described in detail.

Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden mit Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen beschrieben.Exemplary embodiments of the invention will be described below with reference to the following drawings.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

1 ist eine schematische Ansicht des Herstellungsverfahrens für verbesserte Schäume mit Hilfe von gegenüber Mikrowellen empfindlichen Partikeln als Nukleierungsmittel. 1 Figure 3 is a schematic view of the process of producing improved foams using micelle sensitive particles as nucleating agents.

2 ist ein schematisches Flussdiagramm des Verfahrens zur Herstellung von verbesserten Schäumen durch den Einsatz von Mikrowellen aktiven Partikeln als Nukleierungsmittel. 2 FIG. 10 is a schematic flow diagram of the process for producing improved foams through the use of microwave active particles as a nucleating agent. FIG.

Detaillierte Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings

1 zeigt eine schematische Ansicht des Herstellungsverfahrens für verbesserte Schäume mit gleichmäßig verteilten Poren. Das 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. 1 shows a schematic view of the manufacturing process for improved foams with evenly distributed pores. The mixture 100 is bounded by a rectangle and contains the nucleating agents 140 , Suitable nucleating agents are nanoparticles of diameter in the nanometer range. Particularly suitable as nucleating carbon nanosphere chains, which can be easily dispersed in an aqueous solution of a resin system.

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.Carbon nanosphere chains, for example, are commercially available from Clean Technology International Corporation. The carbon nanosphere chains have a spherical shape, which are mostly hollow and connected in chains and due to their shape also called nano onions or onion-shaped nanostructure. For example, these onion-like spheres have diameters in the range of 2 nm to 250 nm, preferably about 60 nm. The carbon nanosphere chains, possibly due to their chained structure, are readily dispersed in hydrophilic systems such as phenolic resin. Experiments showed a simpler distribution of carbon nanosphere chains in an aqueous phenolic resin system compared to carbon nanotubes, which may be fibrous.

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 Wirkung einer besseren Porenbildung zu bewirken reichen bereits geringe Gewichtsanteile von Kohlenstoff-Nanopartikel bezogen auf die Grundmasse aus.Furthermore, experiments have shown that nanoparticles sensitive to microwaves have a significantly higher activity for homogeneous cell formation. In particular, Carbon Nanosphere Chains were tested. In order to bring about the effect of better pore formation, even small proportions by weight of carbon nanoparticles based on the basic composition are sufficient.

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 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.As further possible nucleating agents, the carbon nanotubes similar to the carbon nanospheres chains or metal oxides such as iron oxides can be used. Carbon black, graphene and graphite nanoparticles also show strong microwave activity and can be used as nucleating agents for the mixture. At least one of these nucleating agents may be added as an additive to the base mixture in order to favor the nucleation of gas bubbles or foam cells during foaming.

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.Furthermore, further additives can be introduced into the mixture, in particular additives such as surface-active substances, which can also be used to control the pore size and structure. Frequently, in conventional manufacturing processes, blowing agents are added to the base mixture, whereupon foaming is based. By contrast, propellants can also be produced system-internally, for example by a chemical reaction or due to physical processes, namely by, for example, evaporation at elevated temperatures. All propellants cause gas to be released, allowing a cell structure to be made.

Bei dem 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.In the mixture can be dispensed with a blowing agent addition, if phenolic resin is used as a base, since the polycondensation in the foaming process water is produced, which can serve as a blowing agent in the evaporation.

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.Phenolic resins are formed by polycondensation of phenol or similar cyclic compounds with formaldehyde with elimination of water. Phenols can be divided into two different classes, the novolacs and the resoles. The so-called novolacs are thermoplastic resins. The group of resoles is suitable for the production of foams and contain a mixture of mono-, di- or trimethylphenols, condensation products of various types and of different molecular weight, as well as monomeric formaldehydes and 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.For foam production, liquid or viscous prepolymerized molecular chains can be used which crosslink in the foaming step. An example of a common phenol is the commercially available Bakelite. The precondensates are solid powdery or viscous resins which are soluble and can cure by heat or with certain catalysts cold. Using a suitable acidic catalyst, the phenolic foams can be easily prepared, and it should be noted that in the curing reaction of the resole product, water is formed. This hydrolysis product can be used as a blowing agent as described above, wherein an external blowing agent can be dispensed with.

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.The mixed solution, consisting of matrix and nucleating agents and possible other additives, is initiated in a mold, not shown, and placed in an oven. Microwave production can be carried out in modular microwave systems such as HEPHAISTOS (High Electromagnetic Power Heating Automated Injected Structures Oven System) ovens developed at Forschungszentrum Karlsruhe. These hexagonal microwave ovens, whose geometry enables uniform distribution of the microwaves, can generate, for example, microwave radiation of about 2.45 GHz. Furthermore, these ovens can be realized from the laboratory scale to the large-scale facility of the aviation industry. The use of this product line of microwave ovens thus provides the advantage that in situ syntheses of composite foam structures are made possible.

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.In the said microwave oven, the desired heat can be supplied to the mixture by microwave radiation. After microwave irradiation, the particles are activated and a mixture is formed 110 a, the locally heated nucleating agent 144 contains. By the local heating of the nucleating agent, represented by the circles around the nucleating agent 144 , Homogeneous pore formation can be initiated. In comparison to phyllosilicates as nucleating agents, the use of microwave-active carbon nanosphere chains has experimentally demonstrated a higher reactivity of the resin with respect to cell formation. Laboratory experiments also showed that, for example, carbon nanosphere chains significantly increase the temperature of the resin even at low additions of 5 percent by weight. Lower weight fractions are expected to produce lower temperature increases.

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.On the one hand, a rise in temperature can reduce the viscosity and surface tension of the mixture and make the walls of the bubble thinner compared to lower temperatures. These thin-walled structures are easier to tear. This leads to larger cells. On the other hand, an increase in temperature can also increase the nucleation rate and nucleation rate, which involves the formation of more cells. Experiments showed, however, that the walls, which contain carbon nanosphere chains as nucleating agents, were able to withstand higher temperatures and did not break down compared to conventional nucleating agents. In this way, a controlled and homogeneous cell growth could be achieved by increasing the temperature.

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.The microwave irradiation further initiates the crosslinking of the resin used and the curing begins in a period of a few minutes. After curing, the mixture may occupy a larger volume, represented by the right image, which has a larger volume 160 represents the foam structure. The nucleating agents are now as germs 145 the foam bubbles 150 to see. The propellant used may preferably be the hydrolysis product of the resin, in particular of the phenolic resin, water vapor being produced by the heating. The activated and cured mixture 160 represents a higher cell density and more uniform pore structure than foams made with conventional non-microwave active nucleating agents. Further, the hydrophobic property of, for example, the carbon nanosphere chains can be utilized, which reduces water absorption of the foams, which is beneficial because moisture reduces or degrades the mechanical properties of the material.

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.In order to obtain good foam products, a shape is necessary, however, in 1 not shown. The use of molds allows for a variety of different foam bodies. Furthermore, a mold supports the homogeneity of the foams and at the same time controls the density. For example, the mold may be closed to control the density of the mixture while the microwave radiation is being applied. As gases are generated by heating, the mold should also contain holes so that steam can escape from the mold. It can be prevented with the help of only permeable to gases membranes an exit of the foam mass. To quickly dissipate the resulting vapor, it is also possible to provide an additional venting device.

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.The material to be used for a mold should be permeable to microwave radiation such as Teflon, polyetheretherketone (PEEK) or silicone. Open forms can also be used. However, experiments showed that closed molds favor more homogeneous foam production. The mold can also consist of several parts such as a base part, a central wall part and a connectable to the other parts cover. Multi-part molds can be closed with suitable devices such as screws or other fixing means.

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.In the form, temperature sensors are advantageous because temperature control may be necessary if exothermic chemical reactions are involved in the curing process. Through experiments on the temperature curve, the optimal activation irradiation can be found out.

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. 2 shows the time course of the inventive method for producing improved foams. The first step 200 Figure 3 shows the mixing of an aqueous solution based on a micropellin sensitive particle resin system. In this step, other desired additives may also be added, such as spherulites or microspheres capable of expansion, as well as surfactants, dispersants, flame retardants, thermal stabilizers, pigments, dyes, fillers, compression enhancement additives or the like. Just before injection into the mold, that is before the next process step 201 Also, a curing agent or accelerator may be added. In the next step 201 the mixture is introduced or injected into a mold. The mold should be suitable for producing the volumes to be produced later and may have openings which serve to escape the gases produced.

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.In step 202 The nucleating agents are activated by microwave radiation, so that a local heating is generated around the nucleating agent. The duration of the microwave irradiation and exposure time depends on the amount of microwave-sensitive material added and the intensity of the microwave dose. The generation of microwaves can be carried out in the usual way by suitable devices, preferably by microwave ovens of the HEPHAISTOS series. In these furnaces, the mixture can be uniformly and rapidly heated homogeneously, which is desirable when using foams, in particular with regard to a uniform pore formation. The heat source can be switched on and off immediately, which is associated with energy savings.

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.By heating the mixture, the crosslinking of the resin system is initiated and, when using phenolic resin, the hydrolysis product water is simultaneously produced. As a result of the heating, the water can evaporate and with the resulting gas bubbles, the resin system can be foamed. The foaming step 202 involves foaming, whereby a blowing agent, which becomes gaseous under the foaming conditions, is used to form the pores. The cells form on the nucleating agents or active nanoparticles.

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.In the last step 203 the foam structure is cured and a solid foam structure has formed in the mold. After cooling, the foam can be removed from the mold. The foam structure has a homogeneous pore formation and a low density. By the method according to the invention foams of very low densities of about 20 kg / m 3 or less can be produced.

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.It should be noted that the term "comprising" does not exclude other elements or method steps, just as the term "a" and "an" does not exclude multiple elements and steps. The reference numerals used are for convenience of reference only and are not to be considered as limiting, the scope of the invention being indicated by the claims.

Claims (10)

Verfahren zur Herstellung von Phenolharz-Schäumen, umfassend folgende Schritte: Bereitstellen einer Mischung umfassend: – ein polymerisierbares System; und – gegenüber Mikrowellen empfindliche Partikel als Nukleierungsmittel, um eine homogene Porenbildung zu fördern, wobei die gegenüber Mikrowellen empfindlichen Partikel ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Carbon Nanosphere Chains, Carbon Nanotubes, Ruß, Graphit, Graphen und Siliciumcarbid 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 polymerisierbaren Systems mittels durch die initiierte Vernetzung des polymerisierbaren Systems freigesetzten Hydrolyseproduktes Wasser als Treibmittel.Process for the preparation of phenolic resin foams, comprising the following steps: Providing a mixture comprising: A polymerizable system; and Micron sensitive particles as nucleating agents to promote homogeneous pore formation, the micelles sensitive particles being selected from the group consisting of carbon nanosphere chains, carbon nanotubes, carbon black, graphite, graphene and silicon carbide Activating the micron-sensitive particles by means of microwave radiation, wherein the micellesensitive particles are locally heated and serve as nucleating agents for controlled and uniform pore formation; and Foaming the polymerizable system by means of hydrolysis product released by the initiated crosslinking of the polymerizable system, water as blowing agent. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Mischung einen Beschleuniger oder Katalysator zur Aushärtung der Polymere umfasst.The method of claim 1, wherein the mixture comprises an accelerator or catalyst for curing the polymers. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Beschleuniger oder Katalysator ein saures Härtungsmittel umfasst, dessen Anteil zwischen 5 und 15 Gew.-%, insbesondere bei etwa 7,5 Gew.-% liegt. The method of claim 2, wherein the accelerator or catalyst comprises an acidic curing agent, the proportion of which is between 5 and 15% by weight, in particular about 7.5% by weight. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 oder 3, wobei der Beschleuniger oder Katalysator eine Phenolsulfonsäure umfasst.A process according to any one of claims 2 or 3, wherein the accelerator or catalyst comprises a phenolsulfonic acid. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, wobei der Anteil der Partikel des Nukleierungsmittels zwischen 0,1 Gew.-% und 5 Gew.-%, und insbesondere bei etwa 2 Gew.-% liegt.Method according to one of the preceding claims 1 to 4, wherein the proportion of the particles of the nucleating agent between 0.1 wt .-% and 5 wt .-%, and in particular about 2 wt .-% is. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüch 1 bis 5, wobei das Bereitstellen das Einbringen eines Beschleunigers oder Katalysators umfasst; und wobei vor dem Aktivieren die Mischung in eine Form eingefüllt wird.The method of any one of preceding claims 1 to 5, wherein said providing comprises introducing an accelerator or catalyst; and wherein prior to activating the mixture is poured into a mold. Schaumstruktur hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6.Foam structure produced by a process according to one of claims 1 to 6. Schaumstruktur nach Anspruch 7, wobei der Schaum eine Dichte von weniger als 25 kg/m3 aufweist.A foam structure according to claim 7, wherein the foam has a density of less than 25 kg / m 3 . Schaumstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 oder 8, wobei die Schaumstruktur als Kernmaterial für Sandwichstrukturen, als Isolationsmaterial oder als flammabweisende Struktur verwendet wird.Foam structure according to one of the preceding claims 7 or 8, wherein the foam structure is used as core material for sandwich structures, as insulation material or as a flame-retardant structure. Verwendung einer Schaumstruktur nach einem der Ansprüche 7 bis 9 für ein Luftfahrzeug.Use of a foam structure according to any one of claims 7 to 9 for an aircraft.
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