DE102014218931A1 - Sandwich structure with an airgel-containing core material - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kernwerkstoff aus einem Trägermaterial mit makroskopischen Hohlräumen, in welchem die Hohlräume mit einem Aerogel gefüllt sind sowie eine Sandwichstruktur, welche den Kernwerkstoff umfasst.The present invention relates to a core material comprising a carrier material with macroscopic cavities in which the cavities are filled with an airgel and a sandwich structure comprising the core material.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kernwerkstoff aus einem Trägermaterial mit makroskopischen Hohlräumen, in welchem die Hohlräume mit einem Aerogel gefüllt sind sowie eine Sandwichstruktur, welche den Kernwerkstoff umfasst.The present invention relates to a core material comprising a carrier material with macroscopic cavities in which the cavities are filled with an airgel and a sandwich structure comprising the core material.
Verbundwerkstoffe oder Faserverbundwerkstoffe werden aufgrund ihrer hohen Steifigkeit und Festigkeit und ihres vergleichsweise geringen Gewichts zunehmend im Fahrzeugbau, insbesondere im Flugzeugbau, verwendet. Sandwichstrukturen werden insbesondere auf Grund ihrer hohen Biegesteifigkeit in diesen Gebieten eingesetzt. Eine Sandwichstruktur besteht üblicherweise aus einem mäßig schubsteifen Kernwerkstoff, welcher mit zwei außenliegenden dehnsteifen Deckschichten schub- und zugfest verbunden ist. Als Kernwerkstoff wird üblicherweise ein leichtgewichtiges Material, das zu einer Vergrößerung des Abstands zwischen den beiden Deckschichten geeignet ist, eingesetzt. Dabei können die Deckschichten jeweils biegesteif sein. Aufgrund ihres Aufbaus sind Sandwichstrukturen sehr gut geeignet um Biegebelastungen zu ertragen. Die durch die Biegung auftretenden Zug- und Drucklasten sind in den Deckschichten maximal. Idealerweise sollten sie daher sehr steif und fest sein. Der Kernwerkstoff wird auf Schub und Druck belastet.Composite materials or fiber composite materials are increasingly being used in vehicle construction, in particular in aircraft construction, because of their high rigidity and strength and their comparatively low weight. Sandwich structures are used in particular because of their high flexural rigidity in these areas. A sandwich structure usually consists of a moderately shear-resistant core material, which is connected to two external, stretch-resistant cover layers in a shear-resistant and tension-resistant manner. As the core material is usually a lightweight material, which is suitable for increasing the distance between the two outer layers used. In this case, the cover layers can each be resistant to bending. Due to their structure sandwich structures are very well suited to endure bending loads. The tensile and compressive loads occurring due to the bending are maximal in the cover layers. Ideally, they should therefore be very stiff and firm. The core material is loaded on thrust and pressure.
Bekannte Kernwerkstoffe bestehen üblicherweise hauptsächlich aus Schäumen oder Aramid-, Aluminium-, Polypropylen-, Pappkarton-, Polyacryletherketon-, thermoplastischen Polymethacrylemid-, Polyvinylchlorid-, duroplastischem Polyurethanwaben oder Balsa-Stirnholz. Kernwerkstoffe aus Waben sind teilweise in der Lage gegenüber Kernwerkstoffen aus Schäumen höhere mechanische Kräfte aufnehmen ohne zu kriechen und haben eine bessere Dauerfestigkeit. Zudem sind Waben besonders leicht und haben dennoch gute mechanische Eigenschaften.Known core materials usually consist mainly of foams or aramid, aluminum, polypropylene, paperboard, polyacryletherketone, thermoplastic Polymethacrylemid-, polyvinyl chloride, thermoset polyurethane ware or balsa end grain. Honeycomb core materials are in part capable of absorbing higher mechanical forces compared to foam core materials without creeping and have better fatigue resistance. In addition, honeycombs are particularly light and yet have good mechanical properties.
Zur Erhaltung eines starren und maßhaltigen Kernwerkstoffs kann die Wabenstruktur mit kugeligen oder faserigen Füllstoffen gefüllt werden, wobei die Füllstoffe an ihren Berührungspunkten mit einem Bindemittel miteinander verbunden sind, wie dies beispielsweise in
Im Brandfall weisen bekannte Sandwichstrukturen jedoch schnell eine geringe Stabilität auf. Das Matrix-Material und oft auch das Bindemittel beginnen ab Temperaturen von etwa 200°C sich thermisch zu zersetzen, so dass die Struktur bereits nach kurzer Zeit keinerlei Stabilität mehr aufweist.In case of fire, however, known sandwich structures quickly have a low stability. The matrix material and often the binder begin to decompose thermally from temperatures of about 200 ° C, so that the structure has no stability after a short time.
Eine Möglichkeit einen Sandwichstruktur im Brandfall zu schützen ist die Auswahl eines flammwidrigen Matrix-Systems. Hier kommen häufig Phenol-Formaldehydharze zum Einsatz. Diese haben zwar ein gutes Brandverhalten, sind anderen Systemen hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften jedoch deutlich unterlegen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dem Matrix-System verschiedene Flammschutzmittel zuzusetzen. Hier werden beispielsweise Materialien verwendet, die im Brandfall Wasser abgeben und so den Werkstoff kühlen und die Rauchgase verdünnen. Diese Additive müssen häufig in sehr großen Gewichtsanteilen zugesetzt werden und führen so zu einer Erhöhung des Gewichts und häufig auch zu einer Versprödung des Werkstoffs. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Auftragung von flammschützenden Schichten oder Lacken. Diese können sich unter der Einwirkung von Hitze bis auf das 200fache aufblähen und bilden so eine Barriereschicht aus, die die Wärmeleitung und den Stofftransport behindert.One way to protect a sandwich structure in case of fire is to choose a flame retardant matrix system. Phenol-formaldehyde resins are often used here. Although these have good fire behavior, they are clearly inferior to other systems in terms of their mechanical properties. Another possibility is to add different flame retardants to the matrix system. Here, for example, materials are used, which release water in case of fire and so cool the material and dilute the flue gases. These additives must often be added in very large proportions by weight and thus lead to an increase in weight and often also to embrittlement of the material. Another possibility is the application of flame-retardant layers or paints. These can expand up to 200 times under the influence of heat and thus form a barrier layer, which impedes the heat conduction and the mass transfer.
Ein Verbundwerkstoff mit einem Kernwerkstoff, der ein geringes Gewicht aufweist und gleichzeitig für den Brandschutz geeignet ist, ist in
Mit aus dem Stand der Technik bekannten, brandgeschützten Verbundwerkstoffen werden üblicherweise die mechanische Eigenschaft der Sandwichstruktur verschlechtert. Häufig nimmt auch das Gewicht des Verbundes zu, so dass eine Verwendung insbesondere im Flugzeugbau nicht mehr möglich ist. Lacke, welche als Brandschutzmittel eingesetzt werden, können abplatzen, so dass keine Flammschutzwirkung mehr vorhanden ist.With known from the prior art, fire-resistant composites usually the mechanical property of the sandwich structure are deteriorated. Frequently, the weight of the composite also increases, so that use, in particular in aircraft construction, is no longer possible. Paints which are used as a fire retardant can flake off, so that no flame retardant effect is present.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Bereitstellung eines Kernwerkstoffs, der die oben genannten Nachteile beseitigt.The object of the present invention is therefore to provide a core material which overcomes the above-mentioned disadvantages.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird gelöst durch einen Kernwerkstoff
In einer weiteren Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung eine Sandwichstruktur
Ein erfindungsgemäßer Kernwerkstoff
Aerogele sind hochporöse Festkörper, deren Volumen zum größten Teil aus Poren besteht. Als Werkstoff sind sie seit Jahrzehnten bekannt. Sie zeichnen sich durch einzigartige Eigenschaften wie beispielsweise eine geringe Dichte, eine sehr hohe spezifische Oberfläche, niedrige Wärmeleitfähigkeit sowie eine hohe akustische Impedanz aus.Aerogels are highly porous solids, the bulk of which consists of pores. As a material they have been known for decades. They are characterized by unique properties such as low density, very high specific surface area, low thermal conductivity and high acoustic impedance.
Weitverbreitet sind Aerogele auf Silikatbasis, also anorganische Aerogele. Darüber hinaus sind auch organische Aerogele bekannt. Diese werden beispielsweise hergestellt auf Basis von Resorcin und Formaldehyd, Melamin und Formaldehyd, Phenol und Furfural, Kresol und Formaldehyd, polymerisierbaren Isocyanaten, Phenol und Melamin oder Polyvinylchloriden. Eine Besonderheit dieser rein organischen Aerogele ist, dass sie durch Pyrolyse in Kohlenstoffaerogele umwandeln lassen, wobei die Struktur der Aerogele erhalten bleibt.Silica-based aerogels are widely used, ie inorganic aerogels. In addition, organic aerogels are known. These are prepared, for example, based on resorcinol and formaldehyde, melamine and formaldehyde, phenol and furfural, cresol and formaldehyde, polymerizable isocyanates, phenol and melamine or polyvinyl chlorides. A peculiarity of these purely organic aerogels is that they can be converted by pyrolysis into carbon aerogels, whereby the structure of the aerogels is preserved.
Die Synthese von Aerogelen erfolgt typischerweise mittels eines Sol-Gel-Prozesses. Die Trocknung des erhaltenen Gels erfolgt je nach Herstellungsverfahren und Ausgangsmaterialien überkritisch oder unterkritisch.The synthesis of aerogels is typically done by a sol-gel process. The drying of the resulting gel is supercritical or subcritical, depending on the preparation process and starting materials.
Vor der Trocknung des erhaltenen Gels wird die Aerogellösung, also das kolloidale Sol, in die makroskopischen Hohlräume des Trägermaterials eingebracht. Erst vor Ort, also im Trägermaterial, wird die Aerogellösung zum Trocknen gebracht. Dabei erfolgt die Trocknung schrumpfungsfrei, so dass das erhaltene Aerogel fest an dem Trägermaterial haftet.Before the resulting gel is dried, the aerosol solution, ie the colloidal sol, is introduced into the macroscopic cavities of the carrier material. Only on site, so in the carrier material, the aerosol solution is brought to dry. The drying takes place without shrinkage, so that the airgel obtained adheres firmly to the substrate.
Erfindungsgemäß können aus dem Stand der Technik bekannte organische oder anorganische Aerogellösungen eingesetzt werden. Der Kernwerkstoff
Anorganische Aerogellösungen müssen unter überkritischen Bedingungen getrocknet werden, um ein schrumpfungsfreies Trocknen zu ermöglichen. Im Gegensatz hierzu können organische Aerogellösungen, insbesondere Resorcin-Formaldehyd-Aerogellösungen auch bei unterkritischen Bedingungen getrocknet werden. Insbesondere die Herstellung und Trocknung organischer Aerogellösungen ist im Stand der Technik ausführlich beschrieben, wie beispielsweise in der noch nicht veröffentlichten
Sowohl anorganische als auch organische Aerogellösungen ermöglichen die Herstellung eines dämmenden Kernwerkstoffes. Dabei wird sowohl eine akustische Dämmung (Schalldämmung) als auch eine thermische Dämmung (Wärmedämmung, Kältedämmung) ermöglicht.Both inorganic and organic aerogell solutions enable the production of an insulating core material. In this case, both an acoustic insulation (sound insulation) and a thermal insulation (thermal insulation, cold insulation) is possible.
Dabei weist der erfindungsgemäße Kernwerkstoff
Als Trägermaterial können bekannte Trägermaterialen, wie offenporige/offenzellige Schäume oder eine Wabenstruktur Anwendung finden. Bevorzugt wird eine Wabenstruktur eingesetzt. Bei der Wabenstruktur kann es sich erfindungsgemäß um Papierwaben, Pappwaben, Aluminiumwaben, Aramidwaben oder Polymerwaben handeln. Der Vorteil der Wabenstruktur besteht darin, dass diese weit verbreitet sind und somit kostengünstig und auch aus unterschiedlichen Materialien zu erhalten sind. Nachteilig ist, dass durch die Stege der Wabenstruktur eine Wärmebrücke vorhanden ist. Dieser Nachteil wird jedoch durch die Vorteile, welche sich durch das Aerogel als Füllstoff der Hohlräume des Trägermaterials ergeben, wie geringes Gewicht und gute Dämmung, überwogen.As carrier material, known carrier materials, such as open-cell / open-cell foams or a honeycomb structure can be used. Preferably, a honeycomb structure is used. According to the invention, the honeycomb structure can be paper honeycomb, honeycomb cardboard, aluminum honeycomb, aramid honeycomb or Act polymer honeycombs. The advantage of the honeycomb structure is that they are widespread and therefore cost-effective and can be obtained from different materials. The disadvantage is that a thermal bridge is present through the webs of the honeycomb structure. However, this disadvantage is outweighed by the advantages which result from the airgel as a filler of the cavities of the carrier material, such as low weight and good insulation.
Eine Wabenstruktur hat, wie auch andere Trägermaterialien mit makroskopischen Hohlräumen, üblicherweise zwei offene Seiten, durch welche eine Flüssigkeit durchfließen kann. Gibt man beispielsweise eine Flüssigkeit auf die erste offene Seite des Trägermaterials, so fließt diese aus der zweiten offenen Seite heraus. Damit dies beim Einbringen der Aerogellösung erfindungsgemäß nicht geschieht, wird bevorzugt vor dem Einbringen der Aerogellösung auf der ersten offenen Seite des Trägermaterials eine erste Materialschicht aufgebracht. Wird die Trägerstruktur auf eine Oberfläche gestellt, die das Durchfließen der Aerogellösung verhindert, von der jedoch die Aerogellösung beziehungsweise das später ausgehärtete Aerogel leicht entfernt werden kann, ist das Aufbringen einer Materialschicht vor dem Einbringen der Aerogellösung nicht notwendig. Eine solche Materialschicht ist auch dann nicht notwendig, wenn die Trägerstruktur in die Aerogellösung eingetaucht wird, wodurch die Aerogellösung ebenfalls in die Hohlräume der Trägerstruktur eingebracht wird. Häufig weisen Trägerstrukturen, insbesondere Wabenstrukturen, auf Grund Ihres Herstellungsverfahrens bereits auf einer Seite eine Materialschicht auf, wodurch eine offene Seite bereits verschlossen ist. In diesem Fall erübrigt sich das Aufbringen einer weiteren Materialschicht.A honeycomb structure, like other support materials with macroscopic cavities, usually has two open sides through which a liquid can flow. If, for example, a liquid is applied to the first open side of the carrier material, it flows out of the second open side. So that this does not occur according to the invention when introducing the aerosol solution, a first material layer is preferably applied to the first open side of the carrier material prior to the introduction of the aerosol solution. If the carrier structure is placed on a surface which prevents the aerosol solution from flowing through, but from which the aerosol solution or the subsequently cured airgel can be easily removed, it is not necessary to apply a layer of material prior to introducing the aerosol solution. Such a material layer is not necessary even if the support structure is immersed in the aerosol solution, whereby the aerosol solution is also introduced into the cavities of the support structure. Frequently, carrier structures, in particular honeycomb structures, already have a material layer on one side due to their production method, as a result of which an open side is already closed. In this case, the application of a further layer of material is unnecessary.
Wird vor dem Einbringen der Aerogellösung die erste offene Seite des Trägermaterials nicht mit einer Materialschicht abgedeckt, so kann dies auch nach dem Trocknen der Aerogellösung erfolgen. Weiterhin kann nach dem Trocknen der Aerogellösung auch auf die zweite offene Seite, welche der ersten offenen Seite des Trägermaterials gegenüber liegt, eine Materialschicht aufgebracht werden. Diese Materialschicht auf der zweiten offenen Seite des Trägermaterials kann mit der ersten Materialschicht gleich sein. Es können jedoch auch voneinander verschiedene Materialschichten aufgebracht werden. Ein erfindungsgemäßer Kernwerkstoff
Bei den Materialien, die als Materialschicht auf die offenen Seiten der Trägerstruktur aufgebracht werden, kann es sich beispielsweise um Filter aus Vlies oder Papier handeln.The materials which are applied as a material layer to the open sides of the carrier structure may be, for example, filters made of fleece or paper.
Das Verfahren ermöglicht ein vollständiges Auffüllen der Hohlräume des Trägermaterials mit einem nach der Trocknung erhaltenen Aerogel. Damit das Trägermaterial mit dem Aerogel vollständig bedeckt ist und keine Hohlräume bestehen, ist es möglich, dass man das Einbringen der Aerogellösung in die Trägerstruktur unter Einwirkung von Ultraschall ausführt. Durch Ultraschall werden eventuell vorhandene Gasblasen aus dem Trägermaterial beziehungsweise der Aerogellösung herausgetragen.The method allows a complete filling of the cavities of the carrier material with an airgel obtained after drying. So that the carrier material is completely covered with the airgel and there are no cavities, it is possible to carry out the introduction of the aerosol solution into the carrier structure under the influence of ultrasound. Ultrasonically, any gas bubbles present are carried out of the carrier material or the aerosol solution.
Um einen stabilen und kompakten Kernwerkstoff
Weiterhin ist es möglich, die Trägerstruktur vor dem Einbringen der Aerogellösung mit einer Beschichtung zu versehen. Diese Beschichtung ist auf die Hydrophobie beziehungsweise Hydrophilie der Aerogellösung abgestimmt und ermöglicht dadurch eine verbesserte Haftung zwischen Aerogel und Trägerstruktur. Hier umfasst der Kernwerkstoff
Hydrophob im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet, dass das Material gegenüber Wasser bei Raumtemperatur (25°C) einen Kontaktwinkel von mehr als 90° zeigt. Hydrophile Materialien zeigen gegenüber Wasser einen entsprechenden Kontaktwinkel von weniger als 90°.Hydrophobic in the sense of the present invention means that the material shows a contact angle of more than 90 ° with respect to water at room temperature (25 ° C.). Hydrophilic materials exhibit a corresponding contact angle of less than 90 ° with respect to water.
Mit Hilfe des beschriebenen Verfahrens erhält man einen Kernwerkstoff
Das Trägermaterial umfasst bevorzugt eine Wabenstruktur, insbesondere eine Papierwaben-, Pappwaben-, Aluminiumwaben-, Aramidwaben- oder Polymerwabenstruktur. Die Hohlräume des Trägermaterials können mit einem aus dem Stand der Technik bekannten organischen oder anorganischen Aerogel gefüllt sein. Organische Aerogele, besonders bevorzugt Resorcin-Formaldehyd-Aerogele befinden sich als Füllstoff in den Hohlräumen, da diese auch bei unterkritischen Bedingungen getrocknet werden können, was eine gute Haftung mit dem Trägermaterial ermöglicht. Soll der erfindungsgemäße Kernwerkstoff
Die dreidimensionale Netzwerkstruktur des getrockneten Aerogels besteht vorzugsweise aus Teilchen einer Größe von weniger als 5 μm, insbesondere von weniger als 3 μm, besonders bevorzugt liegt die Teilchengröße im Bereich von 100 nm bis 3 μm. Kleine Teilchen ermöglichen eine besonders gute, möglichst vollständige Füllung der Hohlräume der Trägerstruktur. Die Größe der Teilchen wird anhand Rasterelektronenmikroskopischer (REM) Aufnahmen bestimmt.The three-dimensional network structure of the dried airgel preferably consists of particles of a size of less than 5 μm, in particular of less than 3 μm, particularly preferably the particle size is in the range of 100 nm to 3 μm. Small particles allow a particularly good, as complete as possible filling of the cavities of the support structure. The size of the particles is determined by scanning electron micrographs (SEM).
Der erfindungsgemäße Kernwerkstoff
Ein erfindungsgemäßer Kernwerkstoff
Die beiden Deckschichten
Ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Sandwichstruktur
Bereitstellen des Kernwerkstoffes
Kaschieren des Kernwerkstoffes
Providing the
Laminating the
Die Kaschierung des Kernwerkstoffes
Die Deckschichten
Erfindungsgemäß ist es möglich, dass die Sandwichstruktur
In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die erfindungsgemäße Sandwichstruktur
Ist auf dem Kernwerkstoff
Aufgrund des Aerogels als Bestandteil des Kernwerkstoffs
Ausführungsbeispiele:EXAMPLES
Ausführungsbeispiel 1:
• Ansetzen der Lösung:• Preparing the solution:
Zunächst wurden 127,4 g entionisiertes Wasser (W) in einem Becher eingewogen. Danach wurden 50,0 g Resorcin (R) zugegeben, die Lösung wurde bei Raumtemperatur solange gerührt bis sich das Resorcin vollständig gelöst hatte (5 bis 7 Min). Danach wurden 76,8 g Formaldehyd (F) (24 wt-%-Lösung) dazugegeben und weitere 5 Min gerührt. Als nächstes kamen 0,032 g Na2CO3 © (Feststoff) in die Lösung. Nach weiteren 5 Min Rühren wurde der pH-Wert mit verdünnter Salpetersäure eingestellt. Der pH-Wert der Lösung wurde auf 5,7 eingestellt. Die Lösung wurde weitere 20 Min bei Raumtemperatur gerührt.First, 127.4 g of deionized water (W) was weighed in a beaker. Thereafter, 50.0 g of resorcinol (R) were added, the solution was stirred at room temperature until the resorcinol had completely dissolved (5 to 7 min). Thereafter, 76.8 g of formaldehyde (F) (24 wt% solution) were added thereto and stirred for a further 5 min. Next, 0.032 g of Na 2 CO 3 © (solid) was added to the solution. After stirring for a further 5 minutes, the pH was adjusted with dilute nitric acid. The pH of the solution was adjusted to 5.7. The solution was stirred for another 20 min at room temperature.
Nach dem Ansetzen wurde jeweils ein Stück HexWeb® der Firma Hexcel, Welkenraedt, Belgien mit einer Größe von 3,0 × 3,0 cm in ca. 13 mL Resorcin-Formaldehyd-Lösung gelegt. HexWeb® ist eine mit einem Phenolharz beschichtete Aramid-Wabenstruktur.After preparation in each case a piece HexWeb ® Hexcel, Welkenraedt, Belgium was added with a size of 3.0 × 3.0 cm in approximately 13 mL resorcinol-formaldehyde solution. HexWeb ® is a phenolic resin coated aramid honeycomb.
• Zusammensetzung der Aerogellösung (Verhältnisse der Bestandteile):Composition of the aerosol solution (ratios of constituents):
- R/C 1500; R/F 0,74; R/W 0,044R / C 1500; R / F 0.74; R / W 0.044
• Gelation:• Gelation:
Die Lösungen mit der Aramid-Wabenstruktur wurden in dicht verschließbare Behälter aus Polypropylen gefüllt und in Ofen bei 80°C zwei Tage lang gelieren gelassen.The aramid honeycomb solutions were packed in sealed polypropylene containers and allowed to gel in oven at 80 ° C for two days.
• Trocknen:• Dry:
Das Gel wurde 24 Stunden bei 80°C getrocknet. Das Resultat sind Waben, die vollständig mit RF-Aerogel ausgefüllt sind. Das Wabenmaterial wird nahezu perfekt benetzt, was aus der Rasterelektronenmikroskopaufnahme in
Ausführungsbeispiel 2:Embodiment 2:
Beschichtung von Pappe mit RF-AerogelCoating of cardboard with RF airgel
Es wurde eine Aerogellösung wie in Ausführungsbeispiel 1 angesetzt, mit der folgenden Zusammensetzung: R/F = 0,74; R/C = 1500; R/W = 0,044. Der pH-Wert der Lösung wurde auf 5,62 eingestellt. Die Lösung wurde 20 Min gerührt. Danach wurde Pappe zu unterschiedlichen Zeitpunkten für unterschiedliche Eintauchdauern in diese RF-Lösung eingetaucht. Die Größe der Pappproben betrug etwa 4 cm × 4 cm.
- – Reihe 1: Pappe wurde direkt nach
dem Rühren für 30 bis 300 Sekunden (s) eingetaucht; - – Reihe 2: RF-Lösung wurde bei 80°C für 30 Min in Ofen gehalten, dann wurde Pappe für 30 bis 300 s eingetaucht;
- – Reihe 3: RF-Lösung wurde bei 80°C für 60 Min in Ofen gehalten, dann wurde Pappe für 30 bis 300 s eingetaucht.
- - Row 1: Cardboard was dipped immediately after stirring for 30 to 300 seconds (s);
- Row 2: RF solution was kept in oven at 80 ° C for 30 minutes, then cardboard was immersed for 30 to 300 seconds;
- Row 3: RF solution was kept in oven at 80 ° C for 60 min, then cardboard was immersed for 30 to 300 sec.
Die Proben wurden in verschlossenen Behältern 1 Tag bei 80°C gehalten und danach 1 Tag bei 80°C getrocknet. Die fertigen Proben waren hart und dunkelbraun. The samples were kept in sealed containers for 1 day at 80 ° C and then dried at 80 ° C for 1 day. The finished samples were hard and dark brown.
In den
Im REM sieht man in den Figuren, dass das Aerogel Partikelgrößen im Bereich von 2 μm hat und das Aerogel, welches direkt auf der Pappe aufliegt, kleiner 500 nm ist. Ausnahme ist die Probe ”Reihe 3, 300 s” (
Um die Materialeigenschaften der Wabenstruktur selbst nicht zu beeinflussen, ist es wichtig, dass die Aerogellösung nicht in das Material, aus der die Wabenstruktur besteht, eindringt. Das Material, also die Wabenstruktur, soll an der Oberfläche beschichtet werden. Dies soll jedoch vollständig und mit guter Haftung erfolgen.In order not to influence the material properties of the honeycomb structure itself, it is important that the aerosol solution does not penetrate into the material constituting the honeycomb structure. The material, ie the honeycomb structure, should be coated on the surface. However, this should be done completely and with good adhesion.
Wie aus den REM-Aufnahmen im Ausführungsbeispiel 2 (
Ausführungsbeispiel 3:
Aramid-Wabenstruktur mit super-flexiblen Silica-AerogelAramid honeycomb structure with super-flexible silica airgel
1. Ansetzen der Aerogellösung (Silca-Lösung):1. Preparation of Aerogell Solution (Silca Solution):
Die Ausgangschemikalien Methyltrimethoxisiloxan (MTMS), Methanol, H3O+ (zum Beispiel verdünnte HCl) und Cetyltrimethylammoniumchlorid (CTAC) wurden in einem Molmassenverhältnis von MTMS:Methanol 35:1, MTMS:H3O+ von 4:1 und MTMS:Cetyltrimethylammoniumchlorid (CTAC) von ebenfalls 4:1 angesetzt und 180 Minuten unter ständigem Rühren bei Raumtemperatur zur Hydrolyse gebracht, anschließend erfolgte die Zugabe von Ammoniumhydroxid, durch welche die Gelation initiiert wurde. Typischerweise wurden 12,2 g MTMS in 100,24 g Methanol in einem Reagenzglas gelöst, danach wurden 2,034 g CTAC und 6,445 g einer 0,0001 M HCl-Lösung zugegeben. Das Reagenzglas wurde mit Aluminiumfolie abgedeckt, die Lösung 3 Stunden gerührt. Die Kondensationsreaktion wurde durch Zugabe von 12,533 g NH4OH (28–30%) initiiert.The starting chemicals methyltrimethoxysiloxane (MTMS), methanol, H 3 O + (for example, dilute HCl) and cetyltrimethylammonium chloride (CTAC) were used in a molar mass ratio of MTMS: methanol 35: 1, MTMS: H 3 O + of 4: 1 and MTMS: cetyltrimethylammonium chloride (CTAC) was also prepared 4: 1 and 180 minutes with constant stirring at room temperature for hydrolysis, followed by the addition of ammonium hydroxide, through which the gelation was initiated. Typically, 12.2 g of MTMS was dissolved in 100.24 g of methanol in a test tube, after which 2.034 g of CTAC and 6.445 g of 0.0001 M HCl solution were added. The test tube was covered with aluminum foil, the solution was stirred for 3 hours. The condensation reaction was initiated by the addition of 12.533 g of NH 4 OH (28-30%).
2. Befüllung der Wabenstruktur:2. Filling the honeycomb structure:
Nach dem Ansetzen wurde jeweils ein Stück HexWeb® (Firma Hexcel, Belgien) (C1-6,4-24; C1-3,2-29) mit einer Größe von 3 × 3 cm in ca. 13 mL Silica-Lösung gelegt.After attaching a piece HexWeb ® was respectively (Hexcel, Belgium) (C1-6,4-24; C1-3,2-29) set with a size of 3 × 3 cm in about 13 mL silica solution.
3. Gelation des Aerogels in der Wabenstruktur: 3. Gelation of the airgel in the honeycomb structure:
Die mit Aerogel-Lösungen gefüllten Aramid-Wabenstrukturen (HexWeb®) wurden in dicht verschließbare Behälter aus Polypropylen (PP) gefüllt und gelierten in einem Ofen bei 50°C über fünf Tage.The filled with airgel solutions aramid honeycomb structures (HexWeb ®) was filled into sealable containers made of polypropylene (PP) and gelled in an oven at 50 ° C for five days.
4. Waschen des Verbundmaterials:4. Washing the composite material:
Nach fünf Tagen wurden die Behälter über weitere 5 Tage hinweg zum Waschen und zum Lösungsmittelaustausch geöffnet. Dazu wurde zweimal täglich die über den Aerogelen stehende Lösung entfernt und durch Ethanol ersetzt. Auf diese Weise wurden Methanol, Wasser und nicht abreagierte Ausgangsstoffe sowie alle Zusatzstoffe aus dem Gelkörper entfernt.After five days, the containers were opened for an additional 5 days for washing and solvent exchange. For this purpose, the solution standing over the aerogels was removed twice daily and replaced by ethanol. In this way, methanol, water and unreacted starting materials and all additives were removed from the gel body.
5. Trocknen des Verbundmaterials:5. Drying of the composite material:
Anschließend wurden die Gele in einer Extraktionsanlage in Durchfluss mittels überkritischen CO2 bei 90–100 bar getrocknet.Subsequently, the gels were dried in an extraction plant in flow by means of supercritical CO 2 at 90-100 bar.
6. Resultate6. Results
Das Wabenmaterial ist nahezu perfekt benetzt. Eine Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der mit super-flexiblem Silica-Aerogel gefüllten Aramid-Wabenstruktur zeigt
Ausführungsbeispiel 4:Embodiment 4
Aramid-Wabenstruktur mit semi-flexiblen Silica-AerogelAramid honeycomb structure with semi-flexible silica airgel
1. Ansetzen der Aerogellösung:1. Preparation of the Aerogell Solution:
Die Ausgangschemikalien Methyltrimethoxisiloxan (MTMS) und (3-Glycidoxypropyl)-methyldiethoxysilan (GPTMS) wurden im Molmassenverhältnis MTMS:GPTMS = 0,25 vorgelegt. Das Verhältnis von MTMS:Methanol betrug 30:1, das von MTMS:H3O+ 30:1 und das von MTMS:Cetyltrimethylammoniumchlorid (CTAC) = 0,071. Es wurde eine entsprechende Lösung angesetzt und 180 Minuten unter ständigem Rühren bei Raumtemperatur zur Hydrolyse gebracht, anschließend erfolgte die Zugabe von Diethylentriamin (DETA) im Verhältnis MTMS:DETA = 0,125, durch welche die Gelation initiiert wurde.The starting chemicals methyltrimethoxysiloxane (MTMS) and (3-glycidoxypropyl) -methyldiethoxysilane (GPTMS) were introduced in the molar mass ratio MTMS: GPTMS = 0.25. The ratio of MTMS: methanol was 30: 1, that of MTMS: H 3 O + 30: 1 and that of MTMS: cetyltrimethylammonium chloride (CTAC) = 0.071. An appropriate solution was prepared and brought to hydrolysis for 180 minutes with constant stirring at room temperature, followed by the addition of diethylenetriamine (DETA) in the ratio MTMS: DETA = 0.125, through which the gelation was initiated.
Beispielsweise wurden 14,64 g MTMS und 6,36 g GPTMS in 103,32 g Methanol gelöst. Danach erfolgte die Zugabe von 2,43 g CTAC und 58,11 g HCl. Im verschlossenen Reagenzglas wurde die Lösung 3 Stunden gerührt. Im letzten Schritt wurden 1,38 g DETA zur Lösung zugegeben.For example, 14.64 g of MTMS and 6.36 g of GPTMS were dissolved in 103.32 g of methanol. This was followed by the addition of 2.43 g of CTAC and 58.11 g of HCl. In the sealed test tube, the solution was stirred for 3 hours. In the last step, 1.38 g of DETA was added to the solution.
2. Befüllung der Wabenstruktur:2. Filling the honeycomb structure:
Nach dem Ansetzen wurde jeweils ein Stück HexWeb® (Firma Hexcel, Belgien) (C1-6,4-24; C1-3,2-29) in einer Größe von 3 × 3 cm in ca. 13 mL Silica-Lösung gelegt.After attaching a piece HexWeb ® was respectively (Hexcel, Belgium) (C1-6,4-24; C1-3,2-29) placed in a size of 3 × 3 cm in about 13 mL silica solution.
3. Gelation des Aerogels in der Wabenstruktur: 3. Gelation of the airgel in the honeycomb structure:
Die mit Lösungen gefüllten Aramid-Wabenstrukturen wurden in dicht verschließbare Behälter aus Polypropylen (PP) gefüllt und gelierten in einem Ofen bei 50°C über drei Tage.The solution-filled aramid honeycomb structures were filled into tightly sealed polypropylene (PP) containers and gelled in an oven at 50 ° C for three days.
4. Waschen des Verbundmaterials:4. Washing the composite material:
Nach fünf Tagen wurden die Behälterüber weitere 5 Tage hinweg zum Waschen und zum Lösungsmittelaustausch geöffnet. Dazu wurde zweimal täglich die über den Gelen stehende Lösung entfernt und durch Ethanol ersetzt. Auf diese Weise wurden Methanol, Wasser und nicht abreagierte Ausgangsstoffe sowie alle Zusatzstoffe aus dem Gelkörper entfernt.After five days, the containers were opened for an additional 5 days for washing and solvent exchange. To do so, the solution above the gels was removed twice a day and replaced with ethanol. In this way, methanol, water and unreacted starting materials and all additives were removed from the gel body.
5. Trocknen des Verbundmaterials:5. Drying of the composite material:
Anschließend wurden die Gele in einer Extraktionsanlage in Durchfluss mittels überkritischen CO2 getrocknet.Subsequently, the gels were dried in an extraction plant in the flow by means of supercritical CO 2 .
6. Resultat:6. Result:
Die Wabenstruktur ist vollständig mit Silica-Aerogel ausgefüllt. Das Wabenmaterial wird nahezu perfekt benetzt.
Ausführungsbeispiel 5:Embodiment 5:
Gemäß Ausführungsbeispiel 1 hergestellte Waben wurden mittels thermogravimetrischen Analysen, welche mit Infrarotspektroskopie gekoppelt waren, zur Bestimmung des thermischen Zersetzungsverhaltens durchgeführt.Honeycombs prepared according to Example 1 were subjected to thermal decomposition behavior by means of thermogravimetric analyzes coupled with infrared spectroscopy.
Die thermogravimetrische Analyse (TGA), auch Thermogravimetrie genannt, ist eine analytische Methode bzw. Methode der thermischen Analyse oder Thermoanalytik, bei der die Masseänderung einer Probe in Abhängigkeit von der Temperatur und Zeit gemessen wird. Die Proben wurden in einem Ofen in einem Temperaturbereich von 26°C bis 1000°C erhitzt. Dabei wurde der Masseverlust bestimmt. Gleichzeitig wurde von den während des Erhitzens entstandenen Gasen eine Analyse mittels Infrarotspektroskopie durchgeführt.Thermogravimetric analysis (TGA), also known as thermogravimetry, is an analytical method or method of thermal analysis or thermoanalytics in which the mass change of a sample is measured as a function of temperature and time. The samples were heated in an oven in a temperature range of 26 ° C to 1000 ° C. The mass loss was determined. At the same time, an analysis by means of infrared spectroscopy was carried out on the gases formed during the heating.
Die TGA-Kurve von Aramidwaben (beschichtet mit Phenolharz) ohne Aerogel zeigte im gemessenen Temperaturbereich von 26 bis 1000°C einen Massenverlust von ca. 50%, wobei man 2 Stufen bei 100°C und 450°C erkennen konnte. Obwohl sich Aramid bei 500–550°C zersetzt (
IR-Spektren, aufgenommen während der Pyrolyse bei der TGA, zeigten die Zersetzungsprodukte, die dabei entstanden. Der Massenverlust entspricht am Anfang der Menge an entweichendem CO2 und physikalisch absorbiertem Wasser (Peaks bei 2400 cm–1, 3500 und 1800 cm–1). In Tabelle 4 sind die Absorptionsbanden des Infrarotspektrums (IR-Absorptionsbanden) und die Zuordnung zu den chemischen Gruppen dargestellt, wie sie bei der Pyrolyse der Aramidwaben entstehen. Tabelle 5 zeigt die bei der Pyrolyse von mit RF-Aerogel gefüllten Aramidwaben zusätzlich auftretenden IR-Absorptionsbanden. Tabelle 4:
Ausführungsbeispiel 6:Embodiment 6:
Pappwaben wurden analog zu Ausführungsbeispiel 1 mit einem RF-Aerogel beschichtet. Es wurden die gleichen thermogravimetrischen Analysen wie in Ausführungsbeispiel 5 durchgeführt. In
Die TGA-Kurve von Papierwaben ohne Aerogel zeigte im gemessenen Temperaturbereich von 26°C bis 1000°C einen Massenverlust von 83%. Diese findet in 2 Stufen bei 100°C und 300–400°C statt. Bei mit Aerogel gefüllten Papierwaben betrug der Massenverlust 39,9%. Man erkennt im Spektrum (
IR-Spektren, aufgenommen während der Pyrolyse der TGA-Messung, zeigen die Zersetzungsprodukte, die dabei entstanden sind. Der Massenverlust am Anfang entspricht CO2 und physikalisch absorbiertem Wasser (Peaks im IR-Spektrum bei 2400 cm–1 und bei 1800 cm–1) (
Die Ergebnisse der Ausführungsbeispiele 5 und 6 zeigen, dass sich weniger Wabenmaterial zersetzt, wenn es mit Aerogel beschichtet ist.The results of Embodiments 5 and 6 show that less honeycomb material decomposes when coated with airgel.
Dabei ist zu beachten, dass die Proben für die Messungen nach der Füllung mit Aerogel geschnitten wurden, sodass an den Schnittstellen Wabenmaterial frei wurde. Diese Stellen sind somit ungeschützt und fangen während der Pyrolyse schneller beziehungsweise früher an sich zu zersetzen.It should be noted that the samples were cut for the measurements after filling with airgel, so that at the interfaces honeycomb material was released. These sites are thus unprotected and begin to decompose faster or earlier during pyrolysis.
Ausführungsbeispiel 7:Embodiment 7:
Zur Bestimmung der Stabilität von mit Aerogel gefüllten Trägerstrukturen wurde eine Aramidwabe, wie sie auch ein Ausführungsbeispiel 1 eingesetzt wurde, in einem 3-Punkt-Biegeversuch auf ihre Biegefestigkeit untersucht. Ebenso wurde eine gemäß Ausführungsbeispiel 1 hergestellte mit RF-Aerogel gefüllte Aramidwabe im 3-Punkt-Biegeversuch auf ihre Biegefestigkeit hin untersucht.To determine the stability of airgel-filled carrier structures, an aramid honeycomb, as was also used in Example 1, was tested for bending strength in a 3-point bending test. Likewise, an aramid honeycomb filled with RF airgel and made in accordance with Example 1 was tested for its bending strength in a 3-point bending test.
Die Biegefestigkeit ist ein Wert für die Biegespannung in einem auf Biegung beanspruchten Bauteil. Wie die Biegefestigkeit überschritt, versagt das Bauteil in dem es bricht. Sie beschreibt somit den Widerstand eines Werkstücks, welcher seiner Durchbiegung oder seinem Bruch entgegengesetzt wird. Die Beigefestigkeit wird üblicherweise in einem Biegeversuch geprüft. Dabei wird häufig der 3-Punkt Biegeversuch eingesetzt. Beim 3-Punkt-Biegeversuch wird die Prüfprobe auf zwei Auflagen positioniert und in der Mitte mit einem Prüfstempel belastet.The bending strength is a value for the bending stress in a component subjected to bending. As the flexural strength exceeded, the component in which it breaks fails. It thus describes the resistance of a workpiece, which is opposite to its deflection or its breakage. The beige strength is usually tested in a bending test. Often the 3-point bending test is used. In the 3-point bending test, the test sample is positioned on two supports and loaded in the middle with a test stamp.
Im 3-Punkt-Biegeversuch zeigte die Aramidwabe eine Biegefestigkeit von 1,04 N/mm2. Die mit RF-Aerogel gefüllte Aramidwabe zeigte eine Biegefestigkeit von 1,78 N/mm2. Die Biegefestigkeit der gefüllten Aramidwabe ist somit etwa 1,7 fach größer als die der nicht-gefüllten Aramidwabe.In the 3-point bending test, the aramid honeycomb exhibited a flexural strength of 1.04 N / mm 2 . The RF airgel-filled aramid honeycomb exhibited a flexural strength of 1.78 N / mm 2 . The flexural strength of the filled aramid honeycomb is thus about 1.7 times greater than that of the unfilled aramid honeycomb.
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