DE102014218931B4 - Sandwich structure with a core material containing airgel - Google Patents
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Abstract
Sandwichstruktur (3) umfassend einen Kernwerkstoff (1), wobei der Kernwerkstoff (1) zwischen zwei Deckschichten (2a, 2b) angeordnet ist, wobei die beiden Deckschichten (2a, 2b) gleich oder voneinander verschieden sind, wobei der Kernwerkstoff (1) aus einem Trägermaterial mit makroskopischen Hohlräumen ist, in welchem die Hohlräume mit einem Aerogel gefüllt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Kernwerkstoff (1) erhältlich ist mit einem Verfahren zur Herstellung eines Kernwerkstoffs (1), in welchem in die Hohlräume des Trägermaterials eine Aerogellösung eingebracht und anschließend die Aerogellösung schrumpfungsfrei zum Aerogel getrocknet wird.Sandwich structure (3) comprising a core material (1), the core material (1) being arranged between two cover layers (2a, 2b), the two cover layers (2a, 2b) being the same or different from each other, the core material (1). a carrier material with macroscopic cavities, in which the cavities are filled with an airgel, characterized in that the core material (1) is obtainable with a method for producing a core material (1), in which an airgel solution is introduced into the cavities of the carrier material and The airgel solution is then dried to form an airgel without shrinkage.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sandwichstruktur mit einem Kernwerkstoff aus einem Trägermaterial mit makroskopischen Hohlräumen, in welchem die Hohlräume mit einem Aerogel gefüllt sind.The present invention relates to a sandwich structure with a core material made of a carrier material with macroscopic cavities, in which the cavities are filled with an airgel.
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, especially in aircraft construction, due to their high stiffness and strength and their comparatively low weight. Sandwich structures are used in these areas in particular due to their high flexural rigidity. A sandwich structure usually consists of a moderately shear-resistant core material, which is connected to two external, expansion-resistant cover layers in a shear and tensile strength. A lightweight material that is suitable for increasing the distance between the two cover layers is usually used as the core material. The cover layers can each be rigid. Due to their construction, sandwich structures are very well suited to withstand bending loads. The tensile and compressive loads caused by the bending are maximum in the cover layers. Ideally they should therefore be very stiff and strong. The core material is subjected to shear and pressure.
Bekannte Kernwerkstoffe bestehen üblicherweise hauptsächlich aus Schäumen oder Aramid-, Aluminium-, Polypropylen-, Pappkarton-, Polyacryletherketon-, thermoplastischen Polymethacrylamid-, Polyvinylchlorid-, duroplastischem Polyurethanwaben oder Balsa-Stirnholz. Kernwerkstoffe aus Waben sind, gegenüber Kernwerkstoffen aus Schäumen, teilweise in der Lage, höhere mechanische Kräfte aufzunehmen, 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, cardboard, polyacryletherketone, thermoplastic polymethacrylamide, polyvinyl chloride, thermoset polyurethane honeycomb or balsa end wood. Compared to core materials made from foam, honeycomb core materials are able to absorb higher mechanical forces without creeping and have better fatigue strength. In addition, honeycombs are particularly light and still 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.However, in the event of a fire, known sandwich structures quickly exhibit poor stability. The matrix material and often also the binder begin to thermally decompose at temperatures of around 200 °C, so that the structure no longer has any stability after a short time.
Eine Möglichkeit, eine 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 the event of a fire is to select a flame-retardant matrix system. Phenol-formaldehyde resins are often used here. Although these have good fire behavior, they are significantly inferior to other systems in terms of their mechanical properties. Another option is to add various flame retardants to the matrix system. For example, materials are used here that release water in the event of a fire, thereby cooling the material and diluting the smoke gases. These additives often have to be added in very large proportions by weight and thus lead to an increase in weight and often to embrittlement of the material. Another option is to apply flame-retardant layers or varnishes. These can expand up to 200 times under the influence of heat and thus form a barrier layer that hinders heat conduction and mass transport.
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 fire-protected composite materials known from the prior art, the mechanical properties of the sandwich structure are usually impaired. The weight of the composite often increases, meaning that it can no longer be used, particularly in aircraft construction. Paints that are used as fire retardants can flake off, meaning that they no longer have a flame retardant effect.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Bereitstellung einer Sandwichstruktur, welche die oben genannten Nachteile beseitigt.The object of the present invention is therefore to provide a sandwich structure which eliminates the disadvantages mentioned above.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird gelöst durch eine Sandwichstruktur gemäß Anspruch 1. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 10 beansprucht.The object on which the present invention is based is achieved by a sandwich structure according to
Die erfindungsgemäße Sandwichstruktur 3 umfasst einen Kernwerkstoff 1, welcher zwischen zwei Deckschichten 2a, 2b angeordnet ist. Eine entsprechende Struktur ist schematisch in
Ein Kernwerkstoff 1, welcher Bestandteil der erfindungsgemäßen Sandwichstruktur 3 ist, wird mittels eines Verfahrens hergestellt, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Trägermaterial makroskopische Hohlräume aufweist, in welche eine Aerogellösung als Füllstoff eingebracht wird und in welchen die Aerogellösung anschließend im Trägermaterial schrumpfungsfrei zu einem Aerogel getrocknet wird. Hierdurch erhält man den Kernwerkstoff 1 aus einem Trägermaterial mit makroskopischen Hohlräumen, in welchem die Hohlräume mit einem Aerogel gefüllt sind.A
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 whose volume consists largely of pores. They have been known as a material for decades. They are characterized by unique properties such as low density, a 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 sich durch Pyrolyse in Kohlenstoffaerogele umwandeln lassen, wobei die Struktur der Aerogele erhalten bleibt.Silicate-based aerogels, i.e. inorganic aerogels, are widely used. Organic aerogels are also known. These are produced, 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 special feature of these purely organic aerogels is that they can be converted into carbon aerogels by pyrolysis, while the structure of the aerogels is retained.
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.Aerogels are typically synthesized using a sol-gel process. Depending on the manufacturing process and starting materials, the resulting gel is dried supercritically or subcritically.
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 gel obtained is dried, the airgel solution, i.e. the colloidal sol, is introduced into the macroscopic cavities of the carrier material. The airgel solution is only allowed to dry on site, i.e. in the carrier material. The drying takes place without shrinkage, so that the airgel obtained adheres firmly to the carrier material.
Erfindungsgemäß können aus dem Stand der Technik bekannte organische oder anorganische Aerogellösungen eingesetzt werden. Der Kernwerkstoff 1 umfasst somit organische oder anorganische Aerogele in den Hohlräumen des Trägermaterials. Vorzugsweise besteht der Kernwerkstoff 1 aus einem organischen oder anorganischen Aerogel und dem Trägermaterial.According to the invention, organic or inorganic airgel solutions known from the prior art can be used. The
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
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 airgel solutions enable the production of an insulating core material. This enables both acoustic insulation (sound insulation) and thermal insulation (heat insulation, cold insulation).
Dabei weist der Kernwerkstoff 1 überraschenderweise eine hohe Biegefestigkeit auf. Die Biegefestigkeit des Kernwerkstoffs 1 ist etwa 1,7 fach höher als die Biegefestigkeit des reinen Aerogels. Der Kernwerkstoff 1 ermöglicht somit nicht nur eine Dämmung, sondern erhöht auch die Stabilität in einer Struktur, in der er verwendet wird.The
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 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.Known carrier materials such as open-pored/open-cell foams or a honeycomb structure can be used as the carrier material. A honeycomb structure is preferably used. The honeycomb structure can be paper honeycomb, cardboard honeycomb, aluminum honeycomb, aramid honeycomb or polymer honeycomb. The advantage of the honeycomb structure is that they are widespread and therefore inexpensive and can also be made 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 that arise from the airgel as a filler in 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 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 carrier materials with macroscopic cavities, usually has two open sides through which a liquid can flow. For example, if you put a liquid on the first open side of the carrier material, it flows out of the second open side. To ensure that this does not happen when the airgel solution is introduced, a first layer of material is preferably applied to the first open side of the carrier material before the airgel solution is introduced. If the support structure is placed on a surface that prevents the airgel solution from flowing through, but from which the airgel solution or the later hardened airgel can be easily removed, it is not necessary to apply a layer of material before introducing the airgel solution. Such a material layer is not necessary even if the support structure is immersed in the airgel solution, whereby the airgel solution is also introduced into the cavities of the support structure. Due to their manufacturing process, support structures, in particular honeycomb structures, often already have a layer of material on one side, whereby an open side is already closed. In this case, there is no need to apply another layer of material.
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 Kernwerkstoff 1 kann somit an den einander gegenüberliegenden offenen Seiten eine Materialschicht aufweisen.If the first open side of the carrier material is not covered with a layer of material before introducing the airgel solution, this can also be done after the airgel solution has dried. Furthermore, after the airgel solution has dried, a layer of material can also be applied to the second open side, which lies opposite the first open side of the carrier material. This material layer on the second open side of the carrier material can be the same as the first material layer. However, different material layers can also be applied. A
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 that are applied as a material layer to the open sides of the support structure can 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 process enables the cavities of the carrier material to be completely filled 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 introduce the airgel solution into the carrier structure under the influence of ultrasound. Any gas bubbles that may be present are removed from the carrier material or the airgel solution using ultrasound.
Um einen stabilen und kompakten Kernwerkstoff 1 zu erhalten, kann es ebenfalls notwendig sein, die Hydrophobie beziehungsweise Hydrophilie des Trägermaterials mit der des Aerogels beziehungsweise der Aerogellösung abzustimmen. Dabei kann die Materialhaftung des Aerogels beispielsweise auf einer Folie getestet werden, welche aus dem gleichen Material wie das Trägermaterial besteht. Insbesondere durch Variation des pH-Werts der Aerogellösung kann die Haftung des Aerogels mit dem Trägermaterial eingestellt und verbessert werden.In order to obtain a stable and
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 1 dann eine beschichtete Trägerstruktur sowie ein Aerogel.It is also possible to provide the support structure with a coating before introducing the airgel solution. This coating is tailored to the hydrophobicity or hydrophilicity of the airgel solution and thereby enables improved adhesion between the airgel and the carrier structure. Here the
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 has a contact angle of more than 90° compared to water at room temperature (25 ° C). Hydrophilic materials show a corresponding contact angle of less than 90° with water.
Mit Hilfe des beschriebenen Verfahrens erhält man einen Kernwerkstoff 1 aus einem Trägermaterial mit makroskopischen Hohlräumen, in welchem die Hohlräume vollständig mit einem Aerogel gefüllt sind.With the help of the method described, a
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 Kernwerkstoff 1 insbesondere im Brandschutz eingesetzt werden, so ist es bevorzugt, dass es sich bei dem Aerogel um ein anorganisches Aerogel handelt, da dies auch bei höheren Temperaturen noch stabil ist.The carrier material preferably comprises a honeycomb structure, in particular a paper honeycomb, cardboard honeycomb, aluminum honeycomb, aramid honeycomb or polymer honeycomb structure. The cavities of the carrier material can be filled with an organic or inorganic airgel known from the prior art. Organic aerogels, particularly preferably resorcinol-formaldehyde aerogels, are present as fillers in the cavities since they can also be dried under subcritical conditions, which enables good adhesion to the carrier material. If the
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 with a size of less than 5 μm, in particular less than 3 μm, particularly preferably the particle size is in the range from 100 nm to 3 μm. Small particles enable the cavities of the support structure to be filled particularly well and as completely as possible. The size of the particles is determined using scanning electron microscope (SEM) images.
Der Kernwerkstoff 1 weist bevorzugt eine Dichte im Bereich von 0,1 bis 0,3 g/cm3 und/oder eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 0,04 bis 0,06 W/(m·K) auf. Die geringe Dichte und die geringe Wärmeleitfähigkeit ermöglichen eine Anwendung als Brandschutzmaterial, welches auch in solchen Bereichen eingesetzt werden kann, in welchen ein geringes Gewicht von Nöten ist.The
Ein Kernwerkstoff 1 wie zuvor beschrieben ist Bestandteil einer erfindungsgemäßen Sandwichstruktur 3. In diesem Fall ist der Kernwerkstoff 1 zwischen zwei Deckschichten 2a, 2b angeordnet.
Die beiden Deckschichten 2a, 2b können dabei gleich oder voneinander verschieden sein. Sind die beiden Deckschichten 2a, 2b voneinander verschieden, so kann die Sandwichstruktur 3 eine tragende Haut als eine der beiden Deckschichten 2a, 2b und eine Außenhaut als die andere Deckschicht 2a, 2b umfassen. Zwischen der tragenden Haut und der Außenhaut ist ein flammschützender Kern angeordnet. Bei diesem Kern handelt es sich um den Kernwerkstoff 1. Dabei dient der Kernwerkstoff 1 als Abstandhalter zwischen den beiden Deckschichten 2a, 2b. Auf Grund seines geringen Gewichtes wird das Gewicht der erfindungsgemäßen Sandwichstruktur 3 insgesamt gering gehalten. Auf Grund der geringen Wärmeleitfähigkeit des Kernwerkstoffs 1 wird, bei Einstrahlung von Wärme auf eine der Deckschichten, die zweite Deckschicht thermisch nicht beansprucht. Im Brandfall wird somit die Deckschicht, die nicht dem Feuer direkt ausgesetzt ist, durch den Kernwerkstoff 1 geschützt.The two
Ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Sandwichstruktur 3 umfasst die folgenden Schritte:
Bereitstellen des Kernwerkstoffes 1, welcher ein Trägermaterial und ein Aerogel umfasst, und- Kaschieren des Kernwerkstoffes 1
2a, 2b derart, dass dermit den Deckschichten Kernwerkstoff 1 zwischen 2a, 2b angeordnet ist.den Deckschichten
- Providing the
core material 1, which comprises a carrier material and an airgel, and - Laminating the
core material 1 with the cover layers 2a, 2b in such a way that thecore material 1 is arranged between the cover layers 2a, 2b.
Die Kaschierung des Kernwerkstoffes 1 mit den Deckschichten 2a, 2b kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass zunächst eine Klebeschicht auf den Kernwerkstoff 1 aufgebracht wird, auf welche dann das eigentliche Material der Deckschichten 2a, 2b aufgebracht wird. Bevorzugt ist es jedoch, dass ein Prepreg-Material, welches sowohl eine Klebeschicht als auch die eigentliche Deckschicht 2a, 2b umfasst, direkt auf den Kernwerkstoff 1 aufgebracht wird.The lamination of the
Die Deckschichten 2a, 2b sind dabei bevorzugt ausgewählt aus faserverstärkten Kunststoffen, wie CFK (Kohlenstofffaser-verstärkter Kunststoff), GFK (Glasfaser-verstärkter Kunststoff), AFK (Aramidfaserverstärkter Kunststoff) oder NFK (Naturfaser-verstärkter Kunststoff), oder Metallen, wie Aluminium oder Titan.The cover layers 2a, 2b are preferably selected from fiber-reinforced plastics, such as CFK (carbon fiber-reinforced plastic), GFK (glass fiber-reinforced plastic), AFK (aramid fiber-reinforced plastic) or NFK (natural fiber-reinforced plastic), or metals such as aluminum or Titanium.
Die Sandwichstruktur 3 kann nicht nur einen Kernwerkstoff 1 umfassen, welcher sich zwischen zwei Deckschichten 2a, 2b befindet. Es ist bevorzugt auch möglich, dass sich an eine der beiden Deckschichten 2a, 2b ein weiterer Kernwerkstoff 1 anschließt, welcher wiederum mit einer weiteren Deckschicht 2a, 2b versehen ist. Es ergibt sich hier ein Schichtaufbau, in welchem sich der Kernwerkstoff 1 und jeweils eine Deckschicht 2a, 2b miteinander abwechseln. Der so erhaltene Verbundwerkstoff schließt an den äußeren Schichten jeweils mit einer Deckschicht 2a, 2b ab.The
In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die erfindungsgemäße Sandwichstruktur 3 aus einem Kernwerkstoff 1 sowie zwei Deckschichten 2a, 2b, wobei der Kernwerkstoff 1 zwischen den Deckschichten 2a, 2b angeordnet ist.In a preferred embodiment, the
Ist auf dem Kernwerkstoff 1 eine Materialschicht aufgetragen, so ergibt sich ein Schichtaufbau von erster Deckschicht 2a, Materialschicht, Kernwerkstoff 1, Materialschicht, zweite Deckschicht 2b. Die beiden Materialschichten können dabei, ebenso wie die Deckschichten, gleich oder voneinander verschieden sein.If a layer of material is applied to the
Aufgrund des Aerogels als Bestandteil des Kernwerkstoffs 1 beziehungsweise der Sandwichstruktur 3 weist das Material thermisch isolierende Eigenschaften auf. Zudem ist das Gewicht gering. Dies ermöglicht die Verwendung der Sandwichstruktur 3 als Bauteil in Land-, Wasser- und/oder Luftfahrzeugen, wie beispielsweise Autos, Flugzeugen und/oder Zügen. Beispielsweise kann die Sandwichstruktur 3 als Außenhaut in einem Flugzeug eingesetzt werden. Durch die dann erhöhte Wärmeisolierung der Außenhaut könnte Dämmmaterial eingespart werden und Flugzeuge könnten somit leichter und damit energiesparender werden. Gleiches gilt auch für andere Fahrzeuge, in welchen die erfindungsgemäße Sandwichstruktur 3 Einsatz findet.Due to the airgel as a component of the
Ausführungsbeispiel 1:Example 1:
-
• Ansetzen der Lösung:
- 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 (C) (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 into a beaker. 50.0 g of resorcinol (R) were then added and the solution was stirred at room temperature until the resorcinol had completely dissolved (5 to 7 minutes). 76.8 g of formaldehyde (F) (24 wt% solution) were then added and the mixture was stirred for a further 5 minutes. Next, 0.032 g of Na 2 CO 3 (C) (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 a further 20 minutes at room temperature.
Nach dem Ansetzen wurde jeweils ein Stück HexWeb® der Firma Hexcel, Welkenraedt, Belgien mit einer Größe von 3,0x3,0 cm in ca. 13 mL Resorcin-Formaldehyd-Lösung (RF-Lösung) gelegt. HexWeb® ist eine mit einem Phenolharz beschichtete Aramid-Wabenstruktur.
- • Zusammensetzung der Aerogellösung (Verhältnisse der Bestandteile):
- R/C 1500; R/
F 0,74; R/W 0,044
- R/C 1500; R/
- • 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.
- • Trocknen:
- 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
2 zu erkennen ist.
- • Composition of the airgel solution (ratios of the components):
- R/C 1500; R/F 0.74; R/W 0.044
- • Gelation:
- The solutions with the aramid honeycomb structure were filled into tightly sealable containers made of polypropylene and allowed to gel in an oven at 80 ° C for two days.
- • Dry:
- The gel was dried at 80°C for 24 hours.
- The result is honeycombs that are completely filled with RF airgel. The honeycomb material is wetted almost perfectly, as can be seen from the scanning electron microscope image in
2 can be recognized.
Ausführungsbeispiel 2:Example 2:
Beschichtung von Pappe mit RF-AerogelCoating 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.
- 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 x 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 im Ofen gehalten, dann wurde Pappe für 30 bis 300 s eingetaucht;
- > Reihe 3: RF-Lösung wurde bei 80°C für 60 Min im Ofen gehalten, dann wurde Pappe für 30 bis 300 s eingetaucht.
- > Row 1: Cardboard was immersed immediately after stirring for 30 to 300 seconds (s);
- > Row 2: RF solution was kept in the oven at 80°C for 30 min, then cardboard was immersed for 30 to 300 s;
- > Row 3: RF solution was kept in the oven at 80°C for 60 min, then cardboard was immersed for 30 to 300 s.
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 at 80°C for 1 day 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 airgel solution does not penetrate into the material from which the honeycomb structure is made. The material, i.e. 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:Example 3:
Aramid-Wabenstruktur mit super-flexiblem Silica-Aerogel
- 1. Ansetzen der Aerogellösung (Silica-Lösung): 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, dieLösung 3 Stunden gerührt. Die Kondensationsreaktion wurde durch Zugabe von 12,533 g NH4OH (28-30%) initiiert. - 2. Befüllung der Wabenstruktur:
- Nach dem Ansetzen wurde jeweils ein Stück HexWeb® (Firma Hexcel, Belgien) (C1-6,4-24; C1-3,2-29) mit einer Größe von 3x3 cm in ca. 13 mL Silica-Lösung gelegt.
- 3. Gelation des Aerogels in der Wabenstruktur:
- 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.
- 4. Waschen des Verbundmaterials:
- 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.
- 5. Trocknen des Verbundmaterials:
- Anschließend wurden die Gele in einer Extraktionsanlage im Durchfluss mittels überkritischem CO2 bei 90-100 bar getrocknet.
- 6. Resultate Das Wabenmaterial ist nahezu perfekt benetzt. Eine Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der mit super-flexiblem Silica-Aerogel gefüllten Aramid-Wabenstruktur zeigt
12 . Die gute Haftung des Aerogels auf dem Trägermaterial ist hier deutlich zu erkennen. Die mittlere Dichte des Verbundmaterials betrug 0,037 g/ccm und die Wärmeleitfähigkeit 0,034 W/(m·K). Die Ergebnisse der Kompressionstests (13 ) zeigen, dass der Verbundwerkstoff im Vergleich zu reinen Stoffen einen deutlich höheren elastischen Modul aufweist. Der Kompressionstest von super-flexiblen Silica-Aerogelen, Aramid-Wabenstrukturen und Verbundwerkstoffen in der Ebene (13a) und senkrecht zur Ebene (13b) ist in13 gezeigt. In der nachfolgenden Tabelle 2 sind die Ergebnisse zusammengefasst:
- 1. Preparation of the airgel solution (silica solution): The starting chemicals methyltrimethoxysiloxane (MTMS), methanol, H 3 O + (for example diluted HCl) and cetyltrimethylammonium chloride (CTAC) were in a molar mass ratio of MTMS: methanol 35:1, MTMS:H 3 O + of 4:1 and MTMS: cetyltrimethylammonium chloride (CTAC) of also 4:1 were prepared and hydrolyzed for 180 minutes with constant stirring at room temperature, followed by the addition of ammonium hydroxide, which initiated the gelation. Typically, 12.2 g of MTMS was dissolved in 100.24 g of methanol in a test tube, followed by 2.034 g of CTAC and 6.445 g of 0.0001 M HCl. Solution added. The test tube was covered with aluminum foil and the solution was stirred for 3 hours. The condensation reaction was initiated by adding 12.533 g of NH 4 OH (28-30%).
- 2. Filling the honeycomb structure:
- After preparation, a piece of HexWeb ® (Hexcel, Belgium) (C1-6.4-24; C1-3.2-29) with a size of 3x3 cm was placed in approx. 13 mL of silica solution.
- 3. Gelation of the airgel in the honeycomb structure:
- The aramid honeycomb structures (HexWeb ® ) filled with airgel solutions were placed in tightly sealable containers made of polypropylene (PP) and gelled in an oven at 50 °C for five days.
- 4. Washing the composite material:
- After five days, the containers were opened for washing and solvent exchange for an additional 5 days. For this purpose, the solution above the aerogels was removed twice daily and replaced with ethanol. In this way, methanol, water and unreacted starting materials as well as all additives were removed from the gel body.
- 5. Drying the composite material:
- The gels were then dried in a flow-through extraction system using supercritical CO 2 at 90-100 bar.
- 6. Results The honeycomb material is almost perfectly wetted. A scanning electron microscope image of the aramid honeycomb structure filled with super-flexible silica airgel shows
12 . The good adhesion of the airgel to the carrier material can be clearly seen here. The average density of the composite material was 0.037 g/ccm and the thermal conductivity was 0.034 W/(m K). The results of the compression tests (13 ) show that the composite material has a significantly higher elastic modulus compared to pure materials. The in-plane compression test of super-flexible silica aerogels, aramid honeycomb structures and composites (13a) and perpendicular to the plane (13b) is in13 shown. The results are summarized in Table 2 below:
Ausführungsbeispiel 4:Example 4:
Aramid-Wabenstruktur mit semi-flexiblem Silica-Aerogel
- 1. Ansetzen der Aerogellösung:
- 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. 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.
- 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. 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
- 2. Befüllung der Wabenstruktur:
- Nach dem Ansetzen wurde jeweils ein Stück HexWeb® (Firma Hexcel, Belgien) (C1-6,4-24; C1-3,2-29) in einer Größe von 3x3 cm in ca. 13 mL Silica-Lösung gelegt.
- 3. Gelation des Aerogels in der Wabenstruktur:
- 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.
- 4. Waschen des Verbundmaterials:
- 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.
- 5. Trocknen des Verbundmaterials:
- Anschließend wurden die Gele in einer Extraktionsanlage im Durchfluss mittels überkritischem CO2 getrocknet.
- 6. Resultat:
- Die Wabenstruktur ist vollständig mit Silica-Aerogel ausgefüllt. Das Wabenmaterial wird nahezu perfekt benetzt.
14 zeigt eine Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der mit semi-flexiblem Silica-Aerogel gefüllten Aramid-Wabenstruktur. Die gute Haftung des semi-flexiblen Aerogels auf dem Trägermaterial ist deutlich zu erkennen.
- Die Wabenstruktur ist vollständig mit Silica-Aerogel ausgefüllt. Das Wabenmaterial wird nahezu perfekt benetzt.
- 1. Preparation of the airgel solution:
- The starting chemicals methyltrimethoxysiloxane (MTMS) and (3-glycidoxypropyl)-methyldiethoxysilane (GPTMS) were presented 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 hydrolyzed for 180 minutes at room temperature with constant stirring, followed by the addition of diethylenetriamine (DETA) in the ratio MTMS:DETA = 0.125, which initiated the gelation. For example, 14.64 g of MTMS and 6.36 g of GPTMS were dissolved in 103.32 g of methanol. 2.43 g of CTAC and 58.11 g of HCl were then added. The solution was stirred in a sealed test tube for 3 hours. In the last step, 1.38 g of DETA was added to the solution.
- 2. Filling the honeycomb structure:
- After preparation, a piece of HexWeb ® (Hexcel, Belgium) (C1-6.4-24; C1-3.2-29) measuring 3x3 cm was placed in approx. 13 mL of silica solution.
- 3. Gelation of the airgel in the honeycomb structure:
- The aramid honeycomb structures filled with solutions were placed in tightly sealable containers made of polypropylene (PP) and gelled in an oven at 50°C for three days.
- 4. Washing the composite material:
- After five days, the containers were opened for washing and solvent exchange for an additional 5 days. For this purpose, the solution above the gels was removed twice daily and replaced with ethanol. In this way, methanol, water and unreacted starting materials as well as all additives were removed from the gel body.
- 5. Drying the composite material:
- The gels were then dried in a flow-through extraction system using supercritical CO 2 .
- 6. Result:
- The honeycomb structure is completely filled with silica airgel. The honeycomb material is wetted almost perfectly.
14 shows a scanning electron micrograph of the aramid honeycomb structure filled with semi-flexible silica airgel. The good adhesion of the semi-flexible airgel to the carrier material can be clearly seen.
- The honeycomb structure is completely filled with silica airgel. The honeycomb material is wetted almost perfectly.
Die mittlere Dichte des Verbundmaterials betrug 0,092 g/ccm und die Wärmeleitfähigkeit 0,038 W/(m·K). Die Ergebnisse der Kompressionstests zeigen (
Ausführungsbeispiel 5:Example 5:
Gemäß Ausführungsbeispiel 1 hergestellte Waben wurden mittels thermogravimetrischen Analysen, welche mit Infrarotspektroskopie gekoppelt waren, zur Bestimmung des thermischen Zersetzungsverhaltens durchgeführt.Honeycombs produced according to
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 change in mass 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, the gases produced during heating were analyzed using infrared spectroscopy.
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 (
Bei mit Aerogel beschichteten Aramidwaben betrug der Massenverlust ca. 57%. Man erkennt einen leichten Abstieg im Bereich 100-400 °C und eine Stufe bei 450 °C.The TGA curve of aramid honeycombs (coated with phenolic resin) without airgel showed a mass loss of approx. 50% in the measured temperature range from 26 to 1000 °C, with 2 steps at 100 °C and 450 °C. Although aramid decomposes at 500-550 °C (
For aramid honeycombs coated with airgel, the mass loss was approximately 57%. You can see a slight decrease in the range 100-400 °C and a step at 450 °C.
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:Example 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 it is 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 for the measurements were cut after being filled with airgel, so that honeycomb material was exposed at the interfaces. These areas are therefore unprotected and begin to decompose more quickly or earlier during pyrolysis.
Ausführungsbeispiel 7:Example 7:
Zur Bestimmung der Stabilität von mit Aerogel gefüllten Trägerstrukturen wurde eine Aramidwabe, wie sie auch in 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 support structures filled with airgel, an aramid honeycomb, as was also used in
Die Biegefestigkeit ist ein Wert für die Biegespannung in einem auf Biegung beanspruchten Bauteil. Wird die Biegefestigkeit überschritten, versagt das Bauteil, indem es bricht. Sie beschreibt somit den Widerstand eines Werkstücks, welcher seiner Durchbiegung oder seinem Bruch entgegengesetzt wird. Die Biegefestigkeit 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 subject to bending stress. If the bending strength is exceeded, the component fails and breaks. It therefore describes the resistance of a workpiece, which is opposed to its deflection or breakage. The bending strength is usually tested in a bending test. The 3-point bending test is often 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 showed a bending strength of 1.04 N/mm 2 . The aramid honeycomb filled with RF airgel showed a flexural strength of 1.78 N/mm 2 . The bending strength of the filled aramid honeycomb is therefore approximately 1.7 times greater than that of the unfilled aramid honeycomb.
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