DE102013007999A1

DE102013007999A1 - Schaummaterial sowie Verfahren zu dessen Herstellung

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Publication number: DE102013007999A1
Application number: DE201310007999
Authority: DE
Inventors: Stefan Forero
Original assignee: Futurecarbon GmbH
Current assignee: Futurecarbon GmbH
Priority date: 2012-05-08
Filing date: 2013-05-08
Publication date: 2013-11-14

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schaummaterial, insbesondere ein syntaktisches Schaummaterial, aufweisend ein Matrixmaterial und darin eingebettete Hohlkörper, insbesondere Hohlkugeln. Um insbesondere gleichmäßige Eigenschaften eines solchen Schaummaterials beziehungsweise in einem solchen Schaummaterial realisieren zu können, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass an den Hohlkörpern die Eigenschaft des Schaummaterials beeinflussende Partikel, insbesondere Verstärkungspartikel, angeordnet und/oder ausgebildet sind. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Hohlkörpers für ein Schaummaterial, sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Schaummaterials.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst ein Schaummaterial gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1, wobei das Schaummaterial ein Matrixmaterial und darin eingebettete Hohlkörper aufweist. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Hohlkörpers für ein Schaummaterial gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 9. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Schaummaterials gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 12.
Schaummaterialien der genannten Art, die im weiteren Verlauf synonym verschiedentlich auch als Schäume bezeichnet werden, können auf sehr viele unterschiedliche Weisen hergestellt werden. Es existieren Schäume mit flüssigen Wänden und solche mit festen Wänden. Letztere eignen sich häufig für konstruktive Anwendungen in verschiedensten Bereichen. Vorteilhafte Eigenschaften können beispielsweise das geringe Gewicht und die gute thermische Isolierung sein. Ein natürlicher Schaum mit festen Wänden ist beispielsweise Bimsstein. Künstliche Schäume mit festen Wänden sind beispielsweise Metallschäume und aufgeschäumte Polymere wie Polystyrol.
So genannte syntaktische Schäume bestehen unter anderem aus Hohlkugeln und/oder Mikrohohlkugeln, die in eine Matrix eingebettet sind. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere auf solche syntaktischen Schäume gerichtet, ohne dass die Erfindung auf diese bestimmte Ausgestaltung der Schaummaterialien beschränkt wäre.
Stand der Technik ist es, diese Schäume mit Hohlkügelchen aus Glas, Keramik, Phenolharz oder anderen Materialien herzustellen. Um eine elektrische Leitfähigkeit zu erzielen, können beispielsweise Glashohlkugeln mit Silber beschichtet sein. Des Weiteren sind Versuche bekannt, die Schaummaterialien, insbesondere auch syntaktische Schäume, mechanisch mit Kohlenstoffmaterialien zu verstärken, indem man dem Matrixmaterial, beispielsweise der Bindermatrix, Kohlenstoffmaterialien, aber auch andere vielfältige Partikel hinzufügt. Eines der Hauptziele hierbei ist es, die Matrix mechanisch zu verstärken. Die Mikrohohlkugeln besitzen bereits eine gewisse Festigkeit. Ihre Wandungen werden durch die Zusätze allerdings nicht weiter direkt verstärkt. Die – durch die Hohlkugeln gebildete – innere Hohlräumfläche besteht nicht selten aus einem anderen Material als die – durch das Matrixmaterial gebildete – Hohlraumaußenfläche. Beispielsweise sind Kombinationen wie Glaskugeln in einer Polymermatrix oder in einer Betonmatrix bekannt.
Bestimmte Schäume, weitestgehend auf Basis von Harzen mit einem hohen Kohlenstoffgehalt – etwa Pech, Phenolharze, Cyanatester – lassen sich in Kohlenstoff-/Graphitschaum – im Folgenden allgemein Carbonschäume genannt – umwandeln. Hier besteht die Pore im Inneren und Äußeren aus Kohlenstoff. Die Festigkeit der Wandung wird von der Kohlenstoffstruktur bestimmt. Bei der Prozessierung ist daher größte Sorgfalt notwendig.
Eine solche Umwandlung kann beispielsweise durch Pyrolyse, Glühen, Carbonisierung oder Graphitierung realisiert werden. Unter Carbonisierung versteht man die Umwandlung von organischem Material in reinen oder nahezu reinen Kohlenstoff durch die Einwirkung von Druck und/oder Temperatur (z. B. 600–1200°C) in nicht oxidativer Atmosphäre. Bei der Carbonisierung entsteht Kohlenstoff mit geringer Kristallinität. Bei der Graphitierung werden bei noch höheren Temperaturen (z. B. 1800–3000°C) und wiederum in nicht oxidativer Atmosphäre die Kristallinität und die Reinheit weiter erhöht. Durch die Graphitierung verbessern sich im Vergleich zum carbonisierten Material elektrische und thermische Leitfähigkeit.
Zu syntaktischen Carbonschäumen gibt es bereits zahlreiche Lösungen, auch speziell zum Einsatz von auslösbaren Silikatkügelchen oder carbonisierbaren Phenolharz-Mikrohohlkugeln, die in Kohlenstoff umgewandelt werden können. Der Einsatz von zusätzlichen Partikeln hat bei Carbonschäumen unter anderem den Zweck der mechanischen Verstärkung der Wandung direkt zwischen den einzelnen Poren/Hohlräumen. Ein Nachteil bei der Prozessierung, also im Vorfeld der Carbonisierung oder Graphitierung, ergibt sich durch die ungleichmäßige Verteilung der Partikel in der Matrix, was dazu führen kann, dass sich die Verstärkungspartikel weitestgehend in den Zwickeln zwischen 3 oder 4 Silikatkügelchen/Mikrohohlkugeln/Poren sammeln und somit keine Verstärkung der Wandung ausüben können.
Ausgehend vom genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die verschiedenen, eingangs genannten Aspekte der vorliegenden Erfindung derart weiterzubilden, dass die hinsichtlich des Standes der Technik genannten Nachteile vermieden werden können. Insbesondere sollen Schaummaterialien mit gleichmäßigen Eigenschaften eines solchen Schaummaterials beziehungsweise in einem solchen Schaummaterial ermöglicht werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Schaummaterial mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1, das Verfahren zum Herstellen eines Hohlkörpers für ein Schaummaterial mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 9 sowie das Verfahren zum Herstellen eines Schaummaterials mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 12. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den Beispielen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit einem der drei Erfindungsaspekte beschrieben sind, hinsichtlich deren Offenbarung jeweils auch im Zusammenhang mit den jeweils beiden anderen Erfindungsaspekten, so dass das hinsichtlich eines Erfindungsaspekts Gesagte vollinhaltlich auch im Zusammenhang mit den beiden anderen Erfindungsaspekten gilt.
Der vorliegenden Erfindung basiert insbesondere auf dem Grundmerkmal, dass für das Schaummaterial beziehungsweise den Schaum besonders ausgebildete Hohlkörper zum Einsatz kommen.
Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Schaummaterial, insbesondere ein syntaktisches Schaummaterial, bereitgestellt, aufweisend ein Matrixmaterial und darin eingebettete Hohlkörper, insbesondere Hohlkugeln und/oder Mikrohohlkugeln.
Das Schaummaterial ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass an den Hohlkörpern die Eigenschaft des Schaummaterials beeinflussende Partikel, insbesondere Verstärkungspartikel, angeordnet und/oder ausgebildet sind.
Die vorliegende Erfindung ist gemäß diesem Aspekt auf ein Schaummaterial, beziehungsweise einen Schaum gerichtet. Dabei ist die Erfindung nicht auf bestimmte Schaummaterialien beschränkt. Wichtig ist lediglich, dass das Schaummaterial ein Matrixmaterial aufweist, in welchem Hohlkörper eingebettet sind. Dabei ist die Erfindung nicht auf bestimmte Typen von Matrixmaterialien beschränkt. Einige bevorzugte, jedoch nicht ausschließliche Beispiele hierzu werden im weiteren Verlauf der Beschreibung näher erläutert. Weiterhin ist die Erfindung nicht auf Hohlkörper mit bestimmten Materialien und/oder Formen und/oder Größen beschränkt. Auch hierzu werden im weiteren Verlauf der Beschreibung einige bevorzugte, jedoch nicht ausschließliche Beispiele erläutert.
Bevorzugt handelt es sich bei dem Schaummaterial um ein syntaktisches Schaummaterial. Ein syntaktisches Schaummaterial, beziehungsweise ein syntaktischer Schaum ist insbesondere ein Schaummaterial/Schaum, bei dem Hohlkügelchen, insbesondere mikroskopisch kleine Hohlkügelchen (wie Mikrohohlkugeln), in ein Matrixmaterial, beziehungsweise eine Matrix, beispielsweise ein Matrixpolymer, eingebettet sind oder werden.
Die Hohlkörper, insbesondere Hohlkugeln und/oder Mikrohohlkugeln, können eine durchschnittliche Größe (z. B. einen durchschnittlichen Durchmesser) im Bereich von wenigen Mikrometern bis zu einigen Millimetern (z. B. 5 μm bis 5 mm, 10 μm bis 4 mm, 20 μm bis 3 mm, 30 μm bis 2 mm, 40 μm bis 1 mm, 50 bis 900 μm, 60 bis 800 μm, 70 bis 800 μm, 80 bis 700 μm, 90 bis 600 μm, 100 bis 500 μm) haben. Hierbei soll unter der Größe die längste Ausdehnung eines Körpers und unter durchschnittlicher Größe das arithmetische Mittel der Größe verstanden werden. Erfindungsgemäß weisen Mikrohohlkugeln einen durchschnittlichen Durchmesser von höchstens 500 μm (wie höchstens 400 μm, höchstens 300 μm, höchstens 250 μm, höchstens 200 μm, höchstens 150 μm auf, höchstens 100 μm) auf. Die Erfindung ist nicht auf Hohlkörper (wie Hohlkugeln und/oder Mikrohohlkugeln) aus bestimmten Materialien beschränkt. Das Material, aus dem die Hohlkörper, insbesondere Hohlkugeln und/oder Mikrohohlkugeln, aufgebaut sind, kann beispielsweise ein Polymer, ein anorganisches Material und eine Kombination davon (z. B. ein mit einem anorganischen Material beschichtetes Polymer oder ein mit einem Polymer beschichtetes anorganisches Material) sein. Hierfür geeignete Polymere beinhalten in nicht begrenzender Weise Polyurethane, Amin-Aldehyd-Harze (z. B. Melamin-Formaldehyd-Harze), Epoxy-Harze, Polyester, Polycarbonate, Polyacrylate, Polymethacrylate, Polystyrol (z. B. expandiertes Polystyrol), Polyamide und Gemische davon. Für die Hohlkörper geeignete anorganische Materialien beinhalten in nicht begrenzender Weise Silikate (insbesondere Al-, Ca-, Mg und/oder Zr-Silikate), Oxide (z. B. Aluminiumoxid, Quartz, Magnesit, Mullit, Chromit, Zirkoniumoxid und/oder Titanoxid), Boride, Carbide und Nitride (z. B. Siliciumcarbid, Titancarbid, Titanborid, Bornitrid und/oder Borcarbid), Kohlenstoff, Metalle und/oder Glas). Im Falle einer späteren Carbonisierung und/oder Graphitierung werden allerdings solche Materialien bevorzugt, die entweder einen hohen Kohlenstoffanteil aufweisen oder später aus dem Matrixmaterial ausgelöst werden können (so genannte auslösbare Hohlkörper). Unter Auslösen soll ein Prozess verstanden werden, bei dem das Material der Hohlkörper (insbesondere Hohlkugeln und/oder Mikrohohlkugeln) aus der Matrix entfernt wird, wobei die Matrix selbst aber inklusive der von den Hohlkörpern (insbesondere Hohlkugeln und/oder Mikrohohlkugeln) zurückgelassenen Hohlräume bzw. Poren bestehen bleibt. Vorteilhafterweise sind auslösbare Hohlkörper aus einem Material aufgebaut, das sich leicht in einem Lösungsmittel löst, während das Materixmaterial in diesem Lösungsmittel kaum (d. h., weniger als 1%, wie weniger als 0,1%, weniger als 0,05% (Gewicht an Matrixmaterial/Volumen an Lösungsmittel)) oder nicht löslich ist. Beispielweise können die Hohlkörper aus Polystyrol aufgebaut sein, das sich leicht in Aceton löst.
Erfindungsgemäß ist nunmehr vorgesehen, dass die Hohlkörper in besonderer Weise ausgebildet oder ausgestaltet sind. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass an den Hohlkörpern Partikel angeordnet und/oder ausgebildet sind, die die Eigenschaft des Schaummaterials beeinflussen. Dabei ist die Erfindung nicht auf bestimmte Arten und Typen solcher Partikel beschränkt. Auch ist die Erfindung nicht auf bestimmte Eigenschaften des Schaummaterials, die beeinflusst werden sollen, beschränkt. Bevorzugte, jedoch nicht ausschließliche Beispiele hierzu werden im weiteren Verlauf der Beschreibung näher erläutert.
Bevorzugt können die Partikel als Verstärkungspartikel ausgebildet sein.
Ebenfalls bevorzugt können die Partikel eine Größe im Nano- oder Mikrometerbereich haben und/oder in wenigstens einer Dimension eine Größe haben, die um eine Größenordnung oder mehr unterhalb der Größe der Hohlkörper (insbesondere Hohlkugeln und/oder Mikrohohlkugeln) liegt. Beispielsweise können die Partikel in einer Dimension eine Größe aufweisen, die maximal 1/5 (wie maximal 1/10, maximal 1/15, maximal 1/20, maximal 1/25, maximal 1/30, maximal 1/35, maximal 1/40, maximal 1/45, maximal 1/50, maximal 1/60, maximal 1/70, maximal 1/80, maximal 1/90, maximal 1/100, maximal 1/150, maximal 1/200, maximal 1/250, maximal 1/300, maximal 1/350, maximal 1/400, maximal 1/450, maximal 1/500) der durchschnittlichen Größe der Hohlkörper entspricht. Vorzugsweise weisen die Partikel ein hohes Aspektverhältnis auf. Hierbei soll unter Aspektverhältnis das Verhältnis von der größten Ausdehnung einer Struktur (z. B. des die Eigenschaft des erfindungsgemäßen Schaummaterials beeinflussenden Partikels) zu der kleinsten Ausdehnung der Struktur (z. B. des Partikels) bedeuten, z. B. das Verhältnis von der Länge zu dem Durchmesser bei faserartigen Strukturen (wie faserförmigen Partikeln, die die Eigenschaft des erfindungsgemäßen Schaummaterials beeinflussen) oder das Verhältnis von der Dicke zu dem Durchmesser bei plättchenartigen Strukturen (wie plättchenförmigen Partikeln, die die Eigenschaft des erfindungsgemäßen Schaummaterials beeinflussen). Erfindungsgemäß kann ein hohes Aspektverhältnis mindestens 5 (wie mindestens 10, mindestens 15, mindestens 20, mindestens 25, mindestens 30, mindestens 35, mindestens 40, mindestens 45, mindestens 50, mindestens 60, mindestens 70, mindestens 80, mindestens 90, mindestens 100, mindestens 150, mindestens 200, mindestens 250, mindestens 300, mindestens 350, mindestens 400, mindestens 450, mindestens 500) sein. In einer Ausführungsform weisen die Partikel einen hohen Kohlenstoffgehalt auf und/oder sie sind organisch. Erfindungsgemäß kann ein hoher Kohlenstoffgehalt mindestens 50% (wie mindestens 55%, mindestens 60%, mindestens 65%, mindestens 70%, mindestens 80%, mindestens 85%, mindestens 90%) bedeuten. Beispiele für bevorzugte Partikel sind Graphite, Graphene, Kohlenstofffasern, Kohlenstoff-Nanofasern, Kohlenstoff-Nanotubes, Ruße und andere Materialien.
Das Mengenverhältnis (Gewicht/Gewicht) von Hohlkörpern zu daran angeordneten und/oder ausgebildeten Partikeln kann 1000:1 oder weniger (z. B. höchstens 900:1, höchstens 800:1, höchstens 700:1, höchstens 600:1, höchstens 500:1, höchstens 400:1, höchstens 300:1, höchstens 200:1, höchstens 100:1, höchstens 90:1, höchstens 80:1, höchstens 70:1, höchstens 60:1, höchstens 50:1, höchstens 45:1, höchstens 40:1, höchstens 35:1, höchstens 30:1, höchstens 25:1, höchstens 20:1, höchstens 15:1, höchstens 10:1, höchstens 9:1, höchstens 8:1, höchstens 7:1, höchstens 6:1, höchstens 5:1, höchstens 4:1, höchstens 3:1, höchstens 2:1, höchstens 1:1) und/oder 1:5 oder mehr (z. B. mindestens 1:4, mindestens 1:3, mindestens 1:2, mindestens 1:1) betragen. Beispielsweise beträgt das Mengenverhältnis von Hohlkörpern zu daran angeordneten und/oder ausgebildeten Partikeln 1:2 bis 100:1 (wie 1:1 bis 50:1).
Die im Zusammenhang mit dem Stand der Technik beschriebenen Nachteile können erfindungsgemäß eliminiert werden, indem man die die Eigenschaft des Schaummaterials beeinflussenden Partikel zunächst an die Oberfläche der Hohlkörper bringt. Das ist insbesondere bei syntaktischen Schäumen möglich, da man die die Eigenschaft des Schaummaterials beeinflussenden Partikel auf die Hohlkügelchen, Mikrohohlkugeln, und dergleichen aufbringen und dort fixieren kann. Dadurch lassen sich im Ergebnis die Eigenschaften des Schaummaterials verbessern. Einige bevorzugte, jedoch nicht ausschließliche Beispiele hierzu werden im weiteren Verlauf der Beschreibung näher erläutert.
Die Hohlkörper, die im Matrixmaterial eingebettet sind, stellen insbesondere die Poren des Schaummaterials dar. Das Schaummaterial kann geschlossenporig oder offenporig sein. Erfindungsgemäß sollen die Begriffe Schaum und Schammaterial beide Varianten (d. h. geschlossen- und offenporig) umfassen. In einer Ausführungsform kann ein geschlossenporiger Schaum in einen offenporigen umgewandelt werden, beispielweise durch Anwenden eines Carbonisierungs- und/oder Graphitierungsverfahrens auf den geschlossenporigen Schaum. In einer weiteren Ausführungsform kann ein offenporiger Schaum dadurch bereitgestellt werden, in dem Hohlkörper (insbesondere Hohlkugeln und/oder Mikrohohlkugeln) in dem erfindungsgemäßen Schaummaterial verwendet werden, die porös und/oder perforiert ausgebildet sind.
Der Einsatz solcher Hohlkörper (insbesondere Hohlkugeln und/oder Mikrohohlkugeln), die an ihrer Oberfläche die Eigenschaften des Schaummaterials beeinflussende Partikel tragen, ist im Stand der Technik bislang nicht bekannt.
Durch eine solche Ausgestaltung kann insbesondere eine gleichmäßige Verteilung der die Eigenschaft des Schaummaterials beeinflussenden Partikel im Schaummaterial erreicht werden, so dass die Eigenschaften über die Ausdehnung des Schaummaterials gleichmäßig und homogen vorliegen. Bei den im Stand der Technik bekannten Lösungen wurden zusätzliche Partikel in das Matrixmaterial eingebettet. Dadurch war es möglich, dass die Partikel in einzelnen Bereichen des Schaummaterials gar nicht vorlagen, etwa dort, wo Hohlkörper direkt aneinander angrenzten, ohne dass dazwischen weiteres Matrixmaterial vorhanden war. Oder aber es kam zu einer ungleichmäßigen Verteilung dieser Partikel im Matrixmaterial. Das führte dazu, dass das Schaummaterial an diesen Stellen Schwachstellen, beispielsweise mechanische Schwachstellen, aufwies, die aber von außen nicht erkennbar waren.
Erfindungsgemäß ist nunmehr vorgesehen, dass die entsprechenden Partikel nicht mehr in das Matrixmaterial eingebracht werden, sondern vielmehr direkt in Kontakt mit den Hohlkörpern gebracht werden. Die Kombination von Hohlkörper mit darin angeordneten und/oder ausgebildeten Partikeln wird dann als eine Art Einheit in das Matrixmaterial eingebettet. Damit kann auch im oben geschilderten Fall, indem zwei Hohlkörper direkt aneinander angrenzen, erreicht werden, dass die die Eigenschaft des Schaummaterials beeinflussenden Partikel auch zwischen den beiden Hohlkörpern vorhanden sind. Dadurch können die vorstehend beschriebenen, nachteiligen Schwachstellen im Schaummaterial vermieden werden.
Beispielsweise können die die Eigenschaft des Schaummaterials beeinflussenden Partikel außerhalb und/oder innerhalb der Hohlkörper angeordnet und/oder ausgebildet sind. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Partikel außerhalb, das heißt an der äußeren Oberfläche der Hohlkörper ausgebildet und/oder angeordnet sind oder werden.
Wie oben schon ausgeführt wurde, ist die vorliegende Erfindung nicht auf bestimmte Matrixmaterialien beschränkt. Bevorzugt, jedoch nicht ausschließlich kann das Matrixmaterial als Bindermaterial und/oder als Kunststoffmaterial und/oder Harz, insbesondere Phenolharz, und/oder Beton ausgebildet sein. Beispiele für Matrixmaterialien beinhalten in nicht begrenzender Weise Aminoharze, Polyvinylalkohol (PVA), Epoxyharze, Polyesterharze, Polyurethanharze, Phenolharze, Polyvinylidenchlorid, Polyvinylidenfluorid, Harnstoffharze, Melaminharze, Vinylharze, Styrolharze, Acrylharze, Polyethylenharze, Polycarbonatharze, Acetalharze, Fluorkohlenwasserstoffharze und Copolymerisate aus zwei oder mehreren der vorstehenden. In einer Ausführungsform ist das Matrixmaterial derart ausgebildet, dass das erfindungsgemäße Schaummaterial an einem Substrat klebfähig ist oder sich von der Oberfläche eines Substrats ablösbar ist.
Das Mengenverhältnis (Gewicht/Gewicht) von Matrixmaterial zu Hohlkörpern kann 20:1 oder weniger (z. B. höchstens 19:1, höchstens 18:1, höchstens 17:1, höchstens 16:1, höchstens 15:1, höchstens 14:1, höchstens 13:1, höchstens 12:1, höchstens 10:1, höchstens 9:1, höchstens 8:1, höchstens 7:1, höchstens 6:1, höchstens 5:1, höchstens 4:1, höchstens 3:1, höchstens 2:1, höchstens 1:1) und/oder 1:2 oder mehr (z. B. mindestens 1:1) betragen. Beispielsweise beträgt in einer Ausführungsform das Mengenverhältnis von Matrixmaterial zu Hohlkörpern 1:2 bis 5:1 (wie 1:1 bis 2:1).
Je nach Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass das Matrixmaterial und die Hohlkörper aus dem gleichen Material bestehen oder gebildet sind. Beispielsweise, jedoch nicht ausschließlich kann vorgesehen sein, dass das Matrixmaterial aus Phenolharz besteht und dass die Hohlkörper als Phenolhohlkörper (das heißt Phenolharzhohlkörper) ausgebildet sind. In anderer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass das Matrixmaterial und die Hohlkörper aus unterschiedlichen Materialien bestehen oder gebildet sind.
Wie weiter oben schon ausgeführt wurde, ist die Erfindung nicht auf bestimmte Materialien für die die Eigenschaft des Schaummaterials beeinflussenden Partikel beschränkt. Beispielsweise, jedoch nicht ausschließlich können die die Eigenschaft des Schaummaterials beeinflussenden Partikel als Kohlenstoffmaterial und/oder als ein auf Kohlenstoff basierendes Material ausgebildet sein. In einem solchen Fall können die Partikel insbesondere als Kohlenstoff-Nanomaterial und/oder Kohlenstoff-Mikromaterial und/oder als Kohlenstoff-Nanotubes (CNT) und/oder Kohlenstoff-Nanofasern (CNF) und/oder Ruß und/oder Graphit und/oder Graphen, ausgebildet sein oder solche Materialien aufweisen. Bevorzugt können die die Eigenschaft des Schaummaterials beeinflussenden Partikel als Kohlenstoff-Nanomaterial und/oder Kohlenstoff-Mikromaterial und/oder als Kohlenstoff-Nanotubes (CNT) und/oder Kohlenstoff-Nanofasern (CNF), insbesondere als CNT und/oder CNF ausgebildet sein. In anderer Ausgestaltung können die die Eigenschaft des Schaummaterials beeinflussenden Partikel als funktionalisiertes Material und/oder als Nicht-Kohlenstoff-Material, insbesondere als Silikate und/oder als Keramik, ausgebildet sein. In anderer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die die Eigenschaft des Schaummaterials beeinflussenden Partikel als Material zur Beeinflussung der mechanischen Eigenschaften und/oder der thermischen Eigenschaften und/oder der leitfähigen Eigenschaften des Schaummaterials ausgebildet sind. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist möglich, dass verschiedenartige Partikel in jeder beliebigen Kombination zum Einsatz kommen.
Bevorzugt werden die mechanischen Eigenschaften des Schaumes beeinflußt. Dabei können alle Arten von mechanischen Eigenschaften von Interesse sein, insbesondere jedoch Druckfestigkeit, Biegefestigkeit und Scherfestigkeit sowie das Rückstellvermögen, also die Fähigkeit, nach Verformung wieder von selbst in die Ausgangsform zurückzukehren. Bevorzugt kommen hierfür Partikel zum Einsatz, die selbst bereits über entsprechende gute mechanische Eigenschaften verfügen oder die Strukturen bilden, die über entsprechende gute mechanische Eigenschaften verfügen.
Im Bereich der Carbonschäume ist bevorzugt vorgesehen, dass die die Eigenschaften des Schaummaterials beeinflussenden Partikel, insbesondere die Verstärkungspartikel, als Kohlenstoff-Nanotubes (CNT) und/oder Kohlenstoff-Nanofasern (CNF) ausgebildet sind, oder solche Materialien aufweisen.
Kohlenstoff-Nanotubes (CNT) sind aus geschlossenen Graphen-Schichten aufgebaut, die zu einem Zylinder aufgerollt sind. CNT können in ”Single Wall Carbon Nanotubes” (SWCNT), die typischerweise einen Durchmesser von 0,5 nm bis 4 nm aufweisen, und ”Multiwall Carbon Nanotubes” (MWCNT) aus konzentrisch gestapelten Röhren eingeteilt werden, wobei die MWCNT typischerweise einen Durchmesser zwischen 6 nm und 100 nm aufweisen. Die CNT können eine Länge von bis zu einigen Millimetern aufweisen.
CNT können in an sich bekannter Weise hergestellt werden, z. B. mit Hilfe des Lichtbogenprozesses, des Laserablationsverfahrens oder der katalytisch unterstützten Gasphasenabscheidung (CCVD). Die CCVD, das zur großtechnischen Produktion von CNT verwendbar ist, nutzt gasförmige Kohlenstofflieferanten (Kohlenwasserstoffe, Alkohole, CO, CO₂) auf metallischen, katalytisch aktiven Substraten.
Die CNT können an ihrer Oberfläche chemisch modifiziert sein, um Eigenschaften (z. B. Dispergierbarkeit, Anbindung an einen wie im erfindungsgemäßen Schaummaterial verwendeten Hohlkörper) der CNT zu verbessern. Z. B. können CNT (insbesondere MWCNT) eine oder mehrere funktionelle Gruppen an ihrer Seitenwand aufweisen, die vorzugsweise kovalent an die Seitenwand gebunden sind. Nicht begrenzende Beispiele für solche funktionelle Gruppen beinhalten:

(1) Carbonsäuregruppen (wie -COOH oder -Alkylen-(COOH)_n, worin Alkylen eine bivalente geradkettige oder verzweigte Kohlenwasserstoffgruppe bedeutet, die 1 bis 20 C-Atome (wie 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 C-Atome) aufweist, und n 0, 1, 2 oder 3 ist) und deren Salze (wie Salze mit anorganischen Basen (z. B. Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid, Magnesiumhydroxid, Calciumhydroxid) oder organischen Basen (z. B. Mono-, Di- oder Trialkylamine, worin Alkyl eine monovalente geradkettige oder verzweigte Kohlenwasserstoffgruppe bedeutet, die 1 bis 20 C-Atome (wie 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 C-Atome) aufweist, wie Mono-, Di- oder Trimethylamin, Mono-, Di- oder Triethylamin);
(2) Aminogruppen (wie -NH₂ oder -Alkylen-(NH₂)_n, worin Alkylen und n wie vorstehend definiert sind) und deren Salze (wie Salze mit anorganischen Säuren (z. B. Salzsäure, Schwefelsäure, Salpetersäure, Phosphorsäure, Carbonsäure, Borsäure) oder organischen Säuren (z. B. Essigsäure, Propionsäure, Toluolsulfonsäure);
(3) Carbonsäureestergruppen (wie -COOR oder -Alkylen-(COOR)_n, worin Alkylen und n wie vorstehend definiert sind und R ein organischer Rest ist (z. B. Alkyl (wie vorstehend definiert) oder Aryl (d. h., eine aromatische Kohlenwasserstoffgruppe mit 3 bis 14 Kohlenstoffatomen (wie 6 bis 10 Kohlenstoffatomen));
(4) Carbonsäureamidgruppen (wie -CONR₁R₂ oder -Alkylen-(CONR₁R₂)_n, worin Alkylen und n wie vorstehend definiert sind und R₁ und R₂ unabhängig voneinander organische Reste sind (z. B. Alkyl (wie vorstehend definiert) oder Aryl (wie vorstehend definiert)).

WO 00/17101

WO 2011/033037

WO 2011/051223

Vorteilhafterweise weisen die modifizierten CNT funktionelle Gruppen auf, die mit funktionellen Gruppen der Hohlkörper derart interagieren, so dass sich die modifizierten CNT an den Hohlkörper anordnen und/oder ausbilden, z. B. die modifizierten CNT an den Hohlkörper fixiert, wie kovalent gebunden, werden. Beispielsweise können die modifizierten CNT erste reaktive Gruppen aufweisen und die Hohlkörper zweite reaktive Gruppen aufweisen, die zu den ersten reaktiven Gruppen komplementär sind und derart ausgebildet sind, dass sie kovalente Verknüpfungen zwischen den ersten und zweiten reaktiven Gruppen, geeigneterweise unter einer Vielzahl von unterschiedlichen Bedingungen, ausbilden können. In einer Ausführungsform können die ersten und/oder zweiten reaktiven Gruppen photoaktivierbar sein. Erfindungsgemäß soll eine photoaktivierbare Gruppe lediglich nach Bestrahlung mit Licht einer geeigneten Wellenlänge chemisch reaktiv werden. Wenn sowohl die ersten als auch die zweiten reaktiven Gruppen photoaktivierbar sind, kann es vorteilhaft sein, dass die die ersten Gruppen mit Licht einer ersten Wellenlänge aktivierbar sind, während die zweiten Gruppen mit Licht einer zweiten Wellenlänge, die sich von der ersten Wellenlänge unterscheidet, aktivierbar sind. In einer alternativen Ausführungsform können die ersten und zweiten photoaktivierbaren Gruppen bei der gleichen Wellenlänge aktivierbar sein. Eine Vielzahl von zueinander komplementären ersten und zweiten reaktiven Gruppen ist bekannt. Die Auswahl eines spezifischen Paars von zueinander komplementären ersten und zweiten reaktiven Gruppen hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab, die dem Fachmann bekannt sind. Beispiele solcher Paare beinhalten in nicht begrenzender Weise (wobei in Klammer hinter dem jeweiligen Paar die daraus resultierende kovalente Verknüpfung angegeben ist): Acylazide-Amine (Carbonsäureamide); Acylhalogenide-Alkohole (Ester); Acylhalogenide-Amine (Carbonsäureamide); Acylhalogenide-Thiole (Thioester); Acylnitrile-Alkohole (Ester); Acylnitrile-Amine (Carbonsäureamide); aktivierter Ester-Amine (Carbonsäureamide); Aldehyde-Amine (Imine); Aldehyde/Ketone-Hydrazine (Hydrazone); Aldehyde/Ketone-Hydroxylamine (Oxime); Alkylhalogenide-Thiole (Thioether); Alkylsulfonylhalogenide-Alkohole (Alkylsulfonate); Alkylsulfonylhalogenide-Amines (Alkylsulfonamide); Anhydride-Amine (Carbonsäureamide); Arylhalogenide-Amine (Arylamine); Arylhalogenide-Thiole (Arylthioether); Aziridine-Thiole (Thioether); Boronate-Glykole (Boronatester); Cabodiimide-Carbonsäuren (N-Acylharnstoffe oder -anhydride); Carbonsäuren-Alkohole (Ester); Carbonsäuren-Amine (Carbonsäureamide); Carbonsäuren-Hydrazine (Hydrazide); Diazoalkane-Carbonsäuren (Ester); Epoxide-Thiole (Thioether); Halogenacetamide-Thiole (Thioether); Halogentriazine-Alkohole (Triazinylether); Halogentriazine-Amine (Aminotriazine); Imidoester-Amine (Amidine); Isocyanate-Alkohole (Urethane); Isothiocyanate-Amine (Thioharnstoffe); Maleimide-Thiole (Thioether); Phosphoramidite-Alkohole (Phosphitester); Silylhalogenide-Alkohole (Silylether); Sulfonatester-Alkohole (Ether); Sulfonatester-Amine (Alkylamine); Sulfonatester-Carbonsäuren (Ester); Sulfonatester-Thiole (Thioether); Sulfonylhalogenide-Alkohole (Sulfonatester) Sulfonylhalogenide-Amine (Sulfonamide). Dem Fachmann sind die Bedingungen, unter denen die ersten und zweiten reaktiven Gruppen miteinander zu kovalenten Verknüpfungen reagieren können, bekannt.
In weiterer Ausgestaltung kann das Schaummaterial, insbesondere dessen Matrixmaterial, weitere Additive aufweisen. Hierbei kann es sich insbesondere um weitere die Eigenschaft des Schaummaterials beeinflussende Materialien, insbesondere Verstärkungsmaterialien, handeln. Beispielsweise kann ein als Bindemittel ausgebildetes und/oder als Bindemittel fungierendes Matrixmaterial weitere Verstärkungsmaterialien enthalten. Auf diese Weise ist es insbesondere möglich, syntaktische Schäume, insbesondere Carbonschäume herzustellen, deren Porenwände direkt mit Partikeln verstärkt sind. Weitere Beispiele für Additive umfassen in nicht begrenzender Weise Flammschutzmittel, Dispergiermittel, Weichmacher, Emulgatoren und Filmbildner.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Schaummaterial carbonisiert beziehungsweise karbonisiert und/oder graphitiert ist. Unter Carbonisierung versteht man die Umwandlung von organischem Material in reinen oder nahezu reinen Kohlenstoff durch die Einwirkung von Druck und/oder Temperatur (z. B. 600–1200°C) in nicht oxidativer Atmosphäre. Bei der Carbonisierung entsteht Kohlenstoff mit geringer Kristallinität. Bei der Graphitierung werden bei noch höheren Temperaturen (z. B. 1800–3000°C) und wiederum in nicht oxidativer Atmosphäre die Kristallinität und die Reinheit weiter erhöht. Durch die Graphitierung verbessern sich im Vergleich zum carbonisierten Material elektrische und thermische Leitfähigkeit. Über die beim Carbonisierungs- und/oder Graphitierungsprozess verwendeten Parameter wie beispielsweise Druck und Temperatur, sowie durch die geeignete Auswahl der Materialien ist es insbesondere möglich, auf die Struktur der Hohlkörper, und damit auf die Porenstruktur des Schaummaterials, Einfluss zu nehmen, beispielsweise auf Größe und/oder Volumen der Hohlkörper beziehungsweise der Poren, oder auf die Offen- oder Geschlossenporigkeit des Schaummaterials. Auch andere Eigenschaften können auf diese Art beeinflusst werden, beispielsweise die Kristallinität, welche sich wiederum insbesondere auf elektrische und thermische Leitfähigkeit auswirkt.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Hohlkörpers für ein Schaummaterial, der in ein Matrixmaterial des Schaummaterials einbettbar ist, bereitgestellt. Insbesondere ist dieses Verfahren zum Herstellen eines Hohlkörpers für ein wie vorstehend beschriebenes erfindungsgemäßes Schaummaterial ausgebildet. Aus diesem Grund wird hinsichtlich der Offenbarung des Verfahrens sowie dessen Funktionsbeschreibung auf die vorstehenden Ausführungen zum erfindungsgemäßen Schaummaterial vollinhaltlich Bezug genommen und verwiesen. Das Verfahren gemäß dieses zweiten Erfindungsaspekts ist dadurch gekennzeichnet, dass an der Oberfläche des Hohlkörpers, insbesondere an dessen äußerer Oberfläche und/oder an dessen innerer Oberfläche wenigstens ein die Eigenschaft des Schaummaterials beeinflussender Partikel, insbesondere ein Verstärkungspartikel, angeordnet oder ausgebildet wird.
Dabei ist es grundsätzlich möglich, dass die Partikel an der äußeren Oberfläche und/oder an der inneren Oberfläche der Hohlkörper angeordnet oder ausgebildet werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass die die Eigenschaft des Schaummaterials beeinflussenden Partikel an den äußeren Oberflächen der Hohlkörper angebracht oder ausgebildet und dort fixiert werden.
Beispielsweise können die die Eigenschaft des Schaummaterials beeinflussenden Partikel, beispielsweise die Verstärkungspartikel, beispielsweise CNT, Ruß, Graphit, Graphen, Keramik und dergleichen, zunächst an die Oberfläche der Hohlkörper, etwa an die Porenwand gebracht werde. Das ist insbesondere bei syntaktischen Schäumen möglich, da man die Partikel auf die Kügelchen, Mikrohohlkugeln, und dergleichen aufbringen und dort fixieren kann. Auf diese Weise lassen sich insbesondere die im Zusammenhang mit dem Stand der Technik beschriebenen Nachteile umgehen.
Die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt, wie die die Eigenschaft des Schaummaterials beeinflussenden Partikel auf den Hohlkörpern aufgebracht oder an diesen ausgebildet werden können. Nachfolgend werden hierzu einige bevorzugte Methoden genannt, ohne dass die Erfindung auf diese genannten Beispiele beschränkt wäre. Beispielsweise können die die Eigenschaft des Schaummaterials beeinflussenden Partikel mittels eines Pulvermischverfahrens, oder unter Verwendung eines Pelletiertellers oder einer Walzmühle oder einer Mischtrommel oder eines Trogmischers oder eines Hybridizers oder eines Doppelkonusmischers oder eines Wirbelschichtmischers oder mittels Aufschleudern an dem Hohlkörper angeordnet oder ausgebildet werden. Dabei können auch beliebige Kombinationen unterschiedlicher Verfahren zum Einsatz kommen. Zum Anordnen/Ausbilden der Partikel an den Hohlkörpern eignen sich somit insbesondere Pulvermischverfahren, etwa trockene, feuchte, nasse Verfahren, aber auch andere. Beispielhaft seien Pelletierteller, Walzenmühlen, Mischtrommeln, Trogmischer, Aufschleudern, Hybridizer, Doppelkonusmischer und Wirbelschichtmischer genannt, ohne dass die Erfindung hierauf beschränkt wäre.
Die Wechselwirkung zwischen Partikeln und Hohlkörpern (insbesondere Hohlkugeln und/oder Mikrohohlkugeln) kann im Prinzip auf beliebige Weise ausgebildet sein. Beispielsweise können van-der-Waals-Kräfte wirken und/oder kovalente Bindungen bestehen. Es können auch zusätzliche Stoffe eingesetzt werden, die zu einer stärkeren Bindung führen. Beispielsweise kann die Oberfläche der Hohlkörper (insbesondere der Hohlkugeln und/oder Mikrohohlkugeln) mit einem Lösungsmittel angelöst werden, wobei die Partikel beim Abdampfen des Lösungsmittels besonders gut an die Oberfläche gebunden werden. Es kann auch eine kleine Menge eines Bindermaterials und/oder eines Matrixmaterials zugeführt werden, die ausreichend für eine Fixierung der Partikel auf der Oberfläche, nicht jedoch für eine Verklebung der Hohlkörper (insbesondere der Hohlkugeln und/oder Mikrohohlkugeln) untereinander ist. Bevorzugt werden Formen der Wechselwirkung, die ausreichend stark sind, um eine Fixierung der Partikel auf der Oberfläche der Hohlkörper (insbesondere der Hohlkugeln und/oder Mikrohohlkugeln) auch bei der Vermischung mit der Matrix zu gewährleisten. Selbstverständlich können die Partikel und/oder Hohlkörper vorbehandelt, beispielsweise funktionalisiert, sein, um dies zu erreichen. Zum Beispiel können die Partikel und/oder Hohlkörper funktionelle Gruppen aufweisen, insbesondere solche funktionellen Gruppen, wie sie vorstehend am Beispiel der modifizierten CNT beschrieben wurden.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Schaummaterials, insbesondere eines wie vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Schaummaterials bereitgestellt, bei dem Hohlkörper in ein Materixmaterial eingebettet werden. Aus diesem Grund wird hinsichtlich der Offenbarung des Verfahrens sowie dessen Funktionsbeschreibung auf die vorstehenden Ausführungen zum erfindungsgemäßen Schaummaterial vollinhaltlich Bezug genommen und verwiesen. Das Verfahren gemäß diesem dritten Erfindungsaspekt ist dadurch gekennzeichnet, dass in das Matrixmaterial solche Hohlkörper eingebettet werden, an denen die Eigenschaft des Schaummaterials beeinflussende Partikel, insbesondere Verstärkungspartikel angeordnet oder ausgebildet sind.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Schaummaterial, nachdem die Hohlkörper in das Matrixmaterial eingebettet worden sind, carbonisiert und/oder graphitiert wird. Über die beim Carbonisierungs- und/oder Graphitierungsprozess verwendeten Parameter wie beispielsweise Druck und Temperatur, sowie durch die geeignete Auswahl der Materialien ist es insbesondere möglich, auf die Struktur der Hohlkörper, und damit auf die Porenstruktur des Schaummaterials, Einfluss zu nehmen, beispielsweise auf Größe und/oder Volumen der Hohlkörper beziehungsweise der Poren, oder auf die Offen- oder Geschlossenporigkeit des Schaummaterials. Auch andere Eigenschaften können auf diese Art beeinflusst werden, beispielsweise die Kristallinität, welche sich wiederum insbesondere auf elektrische und thermische Leitfähigkeit auswirkt.
In weiterer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass zunächst die Hohlkörper für das Schaummaterial, die in das Matrixmaterial einbettbar sind, hergestellt werden. Dies kann insbesondere mittels eines wie vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Hohlkörpers für ein Schaummaterial realisiert werden. Aus diesem Grund wird hinsichtlich der Offenbarung dieses Verfahrens sowie dessen Funktionsbeschreibung auf die vorstehenden Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Hohlkörpers für ein Schaummaterial vollinhaltlich Bezug genommen und verwiesen.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung werden die Hohlkörper (insbesondere die Hohlkugeln und/oder Mikrohohlkugeln), an die die die Eigenschaft des erfindungsgemäßen Schaummaterials beeinflussenden Partikel angeordnet und/oder ausgebildet sind, zusammen mit einem Granulat des als Matrix vorgesehenen Materials als Pulvermischung für einen 3D-Drucker verwendet. Für den 3D-Druck werden nacheinander dünne Schichten des Pulvermaterials in einem definierten Bereich aufgebracht. Nach dem Aufbringen jeder Schicht schmilzt ein Laser das Matrixmaterial an den gewünschten Stellen auf. Beim Abkühlen dieser Stellen konsolidiert das Material dort oder es wird vernetzt oder teilvernetzt, wobei die Hohlkörper eingebettet werden. Das nicht aufgeschmolzene Material bleibt pulverförmig und wird am Ende des Prozesses entfernt. Der entstandene Formkörper kann selbstverständlich auch carbonisiert und/oder graphitiert werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung bringt man ein Gemisch aus Matrixmaterial und Hohlkörpern (insbesondere Hohlkugeln und/oder Mikrohohlkugeln) auf ein Substrat auf. Dabei ist es unerheblich, ob es sich um eine Pulvermischung handelt oder das Matrixmaterial in flüssiger Form vorliegt. Durch Teilvernetzung überführt man das Gemisch in einen Zustand, in dem es wie eine Folie als dünne, flexible, zusammenhängende Schicht vorliegt. Dieses folienartige Gebilde kann man dann beispielsweise auf ein anderes Substrat aufbringen oder einlaminieren und in diesem Zustand vollständig vernetzen oder aushärten. Dadurch ist es beispielsweise möglich, auch auf gekrümmten Substraten gleichmäßige Schichten des Schaummaterials aufzubringen und eine gute Haftung zum Substrat zu erzielen. Für diese Ausführungsform kann vorteilhafterweise das Matrixmaterial derart ausgebildet sein, dass es klebfähig und/oder, falls auf ein Substrat aufgebracht, von diesem Substrat ablösbar ist.
Bevorzugt ist ein wie vorstehend beschriebenes erfindungsgemäßes Schaummaterial, oder ein wie vorstehend beschriebenes erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines Hohlkörpers für ein Schaummaterial, oder ein wie vorstehend beschriebenes erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines Schaummaterials, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines oder mehrere in den Ansprüchen, der Beschreibung, sowie den Beispielen genannte(s) Merkmal(e) vorgesehen ist.
Der Einsatz von die Eigenschaft des Schaummaterials beeinflussenden Partikeln, beispielsweise von funktionalisierten Partikeln, Kohlenstoffpartikeln, beispielsweise CNT oder Graphit, oder Nicht-Kohlenstoff-Partikeln kann über eine verbesserte Anbindung weitere Verbesserungen der mechanischen Eigenschaften des Schaummaterials bringen.
Die derart hergestellten Schäume zeichnen sich durch erhöhte Festigkeiten im Vergleich zu anderen Carbonschäumen aus. Zudem können sie höchste thermische und elektrische Leitfähigkeiten aufweisen und sind chemisch relativ inert.
Die Schaummaterialien können beispielsweise zu Platten verarbeitet werden, die als leichte, hochleitfähige Trägerstruktur für Elektrodenpasten in der Batterieherstellung verwendet werden können. Im Leichtbaubereich, beispielsweise in der Raumfahrt, können sie bekannte Systeme, beispielsweise auf Aluminiumbasis, ersetzen, weil sie bei vergleichbarer Stabilität eine noch geringere Dichte aufweisen können. Weitere Einsatzbereiche finden sich im Thermomanagement als Wärmesenke – etwa wenn die thermische Leitfähigkeit hoch eingestellt ist – oder auch als thermische Isolierung – etwa wenn die thermische Leitfähigkeit niedrig eingestellt ist –, als Schallabsorber, als Ofenauskleidung, als Hitzeschild, im EMV-Bereich, in Brennstoffzellen, in Radiatoren und dergleichen.
Das Vorgenannte gilt insbesondere für syntaktische Schäume, die über auslösbare Kügelchen hergestellt werden, beziehungsweise bei denen Hohlkügelchen und Matrix aus demselben Material sind, etwa Phenolharz/Phenolmikrohohlkugeln. In einer Ausführungsform, in der das erfindungsgemäße Schaummaterial Hohlkörper (insbesondere Hohlkugeln und/oder Mikrohohlkugeln) umfasst, die auslösbar sind, ist es bevorzugt, dass sich das Matrixmaterial von dem Material, aus dem die Hohlkörper aufgebaut sind, unterscheidet, insbesondere dass das Materixmaterial gegenüber den Bedingungen (z. B. Art des Lösungsmittels, Temperatur, Druck), unter denen die Hohlkörper auslösbar sind, resistent ist. Folglich bleibt vorteilhafterweise die Matrix bestehen, d. h., es kommt zu keiner Entfernung der Matrix bzw. keiner Entbinderung.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schaummaterial, insbesondere ein syntaktisches Schaummaterial, aufweisend ein Matrixmaterial und darin eingebettete Hohlkörper, insbesondere Hohlkugeln. Um insbesondere gleichmäßige Eigenschaften eines solchen Schaummaterials beziehungsweise in einem solchen Schaummaterial realisieren zu können, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass an den Hohlkörpern die Eigenschaft des Schaummaterials beeinflussende Partikel, insbesondere Verstärkungspartikel, angeordnet und/oder ausgebildet sind. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Hohlkörpers für ein Schaummaterial, sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Schaummaterials.
Beispiel:
980 g Phenolharzhohlkugeln mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 50 μm und 20 g mehrwandige Carbon Nanotubes (CNT) mit durchschnittlichem Durchmesser von 15 nm und durchschnittlicher Länge von 5 μm werden in einer Mischtrommel miteinander vermischt. Dabei lagern sich die CNT auf der Oberfläche der Phenolharzhohlkugeln an. Das so entstandene Gemisch wird mit einem Flügelrührer in 2000 g flüssigem Phenolharz vermengt und in eine Form gegossen. Diese Form wird in einen Ofen gegeben, wo das Material bei 180°C für 30 Minuten ausgehärtet wird. Man erhält im Vergleich zu einem entsprechenden Gebilde aus reinem Phenolharz einen leichten Schaum mit guter elektrischer Leitfähigkeit sowie mit verbesserten mechanischen Eigenschaften.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 00/17101 [0034]
WO 2011/033037 [0034]
WO 2011/051223 [0034]

Claims

Schaummaterial, insbesondere syntaktisches Schaummaterial, aufweisend ein Matrixmaterial und darin eingebettete Hohlkörper, insbesondere Hohlkugeln, dadurch gekennzeichnet, dass an den Hohlkörpern die Eigenschaft des Schaummaterials beeinflussende Partikel, insbesondere Verstärkungspartikel, angeordnet und/oder ausgebildet sind.
Schaummaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die die Eigenschaft des Schaummaterials beeinflussenden Partikel außerhalb und/oder innerhalb der Hohlkörper angeordnet und/oder ausgebildet sind.
Schaummaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrixmaterial als Bindermaterial und/oder als Kunststoffmaterial und/oder Harz, insbesondere Phenolharz, und/oder Beton ausgebildet ist.
Schaummaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrixmaterial und die Hohlkörper aus gleichem Material bestehen oder gebildet sind, insbesondere dass das Matrixmaterial aus Phenolharz besteht und die Hohlkörper als Phenolhohlkörper ausgebildet sind, oder dass das Matrixmaterial und die Hohlkörper aus unterschiedlichen Materialien bestehen oder gebildet sind.
Schaummaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die die Eigenschaft des Schaummaterials beeinflussenden Partikel als Kohlenstoffmaterial und/oder als ein auf Kohlenstoff basierendes Material ausgebildet sind, insbesondere als Kohlenstoff-Nanomaterial und/oder Kohlenstoff-Mikromaterial und/oder als Kohlenstoff-Nanotubes (CNT) und/oder Kohlenstoff-Nanofasern (CNF) und/oder Ruß und/oder Graphit und/oder Graphen, und/oder dass die die Eigenschaft des Schaummaterials beeinflussenden Partikel als funktionalisiertes Material ausgebildet sind, und/oder dass die die Eigenschaft des Schaummaterials beeinflussenden Partikel als Nicht-Kohlenstoff-Material, insbesondere Keramik, ausgebildet sind, und/oder dass die die Eigenschaft des Schaummaterials beeinflussenden Partikel als Material zur Beeinflussung der mechanischen Eigenschaften und/oder der thermischen Eigenschaften und/oder der leitfähigen Eigenschaften des Schaummaterials ausgebildet sind.
Schaummaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkörper als Poren des Schaummaterials ausgebildet sind.
Schammaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaummaterial, insbesondere dessen Matrixmaterial weitere Additive aufweist, insbesondere weitere die Eigenschaft des Schaummaterial beeinflussende Materialien, insbesondere Verstärkungsmaterialien.
Schaummaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaummaterial carbonisiert ist.
Verfahren zum Herstellen eines Hohlkörpers für ein Schaummaterial, der in ein Matrixmaterial des Schaummaterials einbettbar ist, insbesondere zum Herstellen eines Hohlkörpers für ein Schaummaterial gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass an der Oberfläche des Hohlkörpers, insbesondere an dessen äußerer Oberfläche und/oder an dessen innerer Oberfläche wenigstens ein die Eigenschaft des Schaummaterials beeinflussender Partikel, insbesondere ein Verstärkungspartikel, angeordnet oder ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die die Eigenschaft des Schaummaterials beeinflussenden Partikel an den äußeren Oberflächen der Hohlkörper angebracht oder ausgebildet und dort fixiert werden.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die die Eigenschaft des Schaummaterials beeinflussenden Partikel mittels eines Pulvermischverfahrens, oder unter Verwendung eines Pelletiertellers oder einer Walzmühle oder einer Mischtrommel oder eines Trogmischers oder eines Hybridizers oder eines Doppelkonusmischers oder eines Wirbelschichtmischers oder mittels Aufschleudern an dem Hohlkörper angeordnet oder ausgebildet werden.
Verfahren zum Herstellen eines Schaummaterials, insbesondere eines Schaummaterials nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem Hohlkörper in ein Materixmaterial eingebettet werden, dadurch gekennzeichnet, dass in das Matrixmaterial solche Hohlkörper eingebettet werden, an denen die Eigenschaft des Schaummaterial beeinflussende Partikel, insbesondere Verstärkungspartikel angeordnet oder ausgebildet sind.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaummaterial, nachdem die Hohlkörper in das Matrixmaterial eingebettet worden sind, carbonisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst die Hohlkörper für das Schaummaterial, die in das Matrixmaterial einbettbar sind, hergestellt werden, insbesondere mittels eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11.
Schaummaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 8, oder Verfahren zum Herstellen eines Hohlkörpers für ein Schaummaterial nach einem der Ansprüche 9 bis 11, oder Verfahren zum Herstellen eines Schaummaterials nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines oder mehrere in den Ansprüchen, der Beschreibung, sowie den Beispielen genannte(s) Merkmal(e) vorgesehen ist.