DE102014222973B4

DE102014222973B4 - Zusammensetzung einer Wärmeisolierbeschichtung und Wärmeisolierbeschichtungsschicht

Info

Publication number: DE102014222973B4
Application number: DE102014222973.1A
Authority: DE
Inventors: Jiyoun Seo; Bokyung Kim; Kwang Hoon Choi; Seung Woo Lee; Woong Pyo HONG; In Woong Lyo; Hong Kil Baek
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2013-12-31
Filing date: 2014-11-11
Publication date: 2022-01-13
Anticipated expiration: 2034-11-12
Also published as: CN104745073A; DE102014222973A1; KR101534715B1; US20150184588A1; US9988981B2; CN104745073B

Abstract

Zusammensetzung für die Wärmeisolierbeschichtung aufweisend:eine Menge von 15 bis 95 Gew.-% eines in einem wässrigen oder polaren Lösungsmittel dispergierten Polymerharzes;eine Menge von 1 bis 60 Gew.-% eines Aerogels; undeine Menge von 0,1 bis 30 Gew.-% einer amphiphilen Substanz, die 1) eine reaktive funktionelle Gruppe mit einer Carboxyl- oder Hydroxylgruppe an einem ersten Ende, eine funktionelle Phosphat- oder Phosphatestergruppe an einem zweiten Ende und eine Alkylengruppe mit 2 bis 30 Kohlenstoffatomen, die zwischen der reaktiven funktionellen Gruppe und der funktionellen Phosphat- oder Phosphatestergruppe positioniert ist, enthält und die 2) ein gewichtsmittleres Molekulargewicht von 200 bis 5000 g/mol hat, wobei das Aerogel eine spezifische Oberfläche von 100 bis 1000 cm2/g hat.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zusammensetzung einer Wärmeisolierbeschichtung und eine Wärmeisolierbeschichtungsschicht. Die Zusammensetzung der Wärmeisolierbeschichtung und die Wärmeisolierbeschichtungsschicht können die mechanischen Eigenschaften und die Wärmebeständigkeit der Beschichtung erheblich verbessern und eine geringere Wärmeleitfähigkeit sowie Dichte derselben bieten. Somit kann nach außen abgegebene Wärmeenergie verringert werden, so dass der Wirkungsgrad eines Motors mit innerer Verbrennung und die Kraftstoffeffizienz eines Fahrzeugs verbessert werden kann, wenn die Wärmeisolierbeschichtung auf den Motor mit innerer Verbrennung aufgebracht wird. Ferner kann eine verbesserte Haftfähigkeit der Beschichtung am Motor mit innerer Verbrennung und auf den Bauteilen des Motors mit innerer Verbrennung erzielt werden.
HINTERGRUND
Bei einem Motor mit innerer Verbrennung handelt es sich um einen Motor, bei dem ein durch die Verbrennung von Kraftstoff erzeugtes Verbrennungsgas direkt auf einen Kolben, eine Turbinenschaufel oder dgl. wirkt, so dass die Wärmeenergie des Kraftstoffs in mechanische Energie gewandelt wird. Bei dem Motor mit innerer Verbrennung kann es sich um einen Kolbenmotor handeln, bei dem Zündung und Explosion eines Gasgemischs aus Kraftstoff und Luft in einem Zylinder zur Bewegung des Kolbens stattfinden, wobei eine Gasturbine, ein Strahltriebwerk, ein Raketentriebwerk und dgl. ebenfalls als Motoren mit innerer Verbrennung einbezogen werden.
Motoren mit innerer Verbrennung können je nach Kraftstofftyp in Gasmotoren, Benzinmotoren, Petroleummotoren, Dieselmotor und dgl. eingeteilt werden. Die Petroleum-/Gas-/Benzinmotoren werden typischerweise durch einen elektrischen Funken von einer Zündkerze gezündet, und beim Dieselmotor wird der Kraftstoff mit erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck eingespritzt, wodurch er automatisch gezündet wird. Außerdem kann ja nach Hub und Betätigung des Kolbens der Motor mit innerer Verbrennung ein Viertakt- oder ein Zweitaktmotor sein.
Der Motor mit innerer Verbrennung eines Fahrzeugs hat im Allgemeinen einen Wärmewirkungsgrad von ca. 15 bis 35%, aber selbst beim maximalen Wirkungsgrad des Motors mit innerer Verbrennung werden ca. 60% oder mehr der erzeugten Wärmeenergie durch die Wand des Motors mit innerer Verbrennung durch Abgas und dgl. nach außen abgegeben.
Da eine Minderung der durch die Wand des Motors mit innerer Verbrennung nach außen abgegebenen Wärmeenergiemenge den Wirkungsgrad des Motor mit innerer Verbrennung erhöhen kann, werden Verfahren wie Anbringen von Wärmeisoliermaterial an einem Außenabschnitt des Motors mit innerer Verbrennung, teilweises Ändern von Material oder Struktur des Motors mit innerer Verbrennung oder Entwickeln eines Kühlsystems des Motors mit innerer Verbrennung angewendet.
Insbesondere bei einer minimierten Wärmeabgabe der vom Motor mit innerer Verbrennung erzeugten Wärme durch die Wand des Motors mit innerer Verbrennung nach außen können der Wirkungsgrad des Motors mit innerer Verbrennung und die Kraftstoffeffizienz des Fahrzeugs verbessert werden. Allerdings ist die Forschung auf dem Gebiet von Wärmeisoliermaterialien, Wärmeisolierstrukturen oder dgl., die längerer Zeit in einem Motor mit innerer Verbrennung, der wiederholt erhöhten Temperatur- und Druckbedingungen ausgesetzt ist, standhalten, noch nicht hinreichend vorangetrieben worden.
In der verwandten Technik sind Verfahren entwickelt worden, bei denen ein Aerogel als Wärmeisoliermaterial, Stoßdämpfer, Schalldämmungsmaterial oder dgl. verwendet wurde. Dieses Aerogel kann eine Struktur haben, bei der Mikrofilamente mit einer Dicke von ca. einem Zehntausendstel der Dicke eines menschlichen Haares ineinander verwickelt sind, und eine Porosität von ca. 90% oder darüber hat, wobei der Hauptbestandteil des Aerogels Siliziumoxid, Kohlenstoff oder ein organisches Polymer sein kann. Insbesondere kann das Aerogelmaterial eine deutlich reduzierte Dichte mit höherer Lichtdurchlässigkeit und deutlich reduzierter Wärmeleitfähigkeit aufgrund der oben beschriebenen strukturellen Merkmale haben.
Da jedoch die Festigkeit des Aerogels unzureichend sein kann, so dass es aufgrund der hohen Sprödigkeit selbst bei einer geringen Stoßbelastung leicht bricht, und weil aus Aerogel unterschiedliche Dicken und Formen nicht hergestellt werden können, kann die Verwendung von Aerogel als Wärmeisoliermaterial eingeschränkt sein, auch wenn das Aerogel gute Wärmeisolierungseigenschaften hat. Wenn ferner das Aerogel mit anderen Reaktanten gemischt wird, kann ein Lösungsmittel oder eine Lösung in das Aerogel eindringen und die Vikosität der Mischung zunehmen, so dass der Mischvorgang nicht ordnungsgemäß ausgeführt werden kann. Wenn also das Aerogel-Verbundmaterial mit anderen Materialien gebildet oder das Aerogel zusammen mit anderen Materialien verwendet wird, wird das poröse Aerogel keine geeigneten Eigenschaften aufweisen.
Die US 4 954 327 A offenbart die Herstellung von Silikagelen durch Schäumen und Reagieren einer Mischung einer oxidierten Siliziumverbindung, einer Salz bildenden Verbindung und eines Gases in einem wässrigen Medium.
Der WO 2011/ 066 209 A2 sind Verbundwerkstoffe, welche ein Aerogel enthalten, sowie Verfahren zu deren Herstellung zu entnehmen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt eine Zusammensetzung einer Wärmeisolierbeschichtung und eine Wärmeisolierbeschichtungsschicht bereit, die deutlich verbesserte mechanische Eigenschaften und eine deutlich verbesserte Wärmebeständigkeit sowie verringerte Wärmeleitfähigkeit und Dichte aufweisen können. Damit kann die nach außen abgegeben Wärmeenergie verringert und so der Wirkungsgrad eines Motors mit innerer Verbrennung und die Kraftstoffeffizienz eines Fahrzeugs verbessert werden, wenn die Wärmeisolierbeschichtung auf den Motor mit innerer Verbrennung aufgebracht wird. Ferner kann die Haftfähigkeit der Wärmeisolierbeschichtung am Motor mit innerer Verbrennung und den Bauteilen des Motors mit innerer Verbrennung verbessert werden. Bei einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Zusammensetzung einer Wärmeisolierbeschichtung bereit. Die Zusammensetzung der Wärmeisolierbeschichtung enthält: eine Menge von 15 bis 95 Gew.-% eines in einem wässrigen oder polaren Lösungsmittel dispergierten Polymerharzes; eine Menge von 1 bis 60 Gew.-% eines Aerogels; und eine Menge von 0,1 bis 30 Gew.-% einer amphiphilen Substanz, die 1) eine reaktive funktionelle Gruppe mit einer Carboxyl- oder Hydroxylgruppe an einem ersten Ende, eine funktionelle Phosphat- oder Phosphatestergruppe an einem zweiten Ende und eine Alkylengruppe mit 2 bis 30 Kohlenstoffatomen, die zwischen der reaktiven funktionellen Gruppe und der funktionellen Phosphat- oder Phosphatestergruppe positioniert ist, enthält und die 2) ein gewichtsmittleres Molekulargewicht von 200 bis 5000 g/mol hat, wobei das Aerogel eine spezifische Oberfläche von 100 bis 1000 cm²/g hat.
Die wässrige oder polare Lösungsmittel kann mindestens eine Verbindung enthalten, die aus der Gruppe bestehend aus Methylethylketon, Methylalkohol, Ethylalkohol, Propylalkohol, n-Butylalkohol, Isobutylalkohol, tert-Butylalkohol, Wasser und Ethylacetat gewählt wird.
Das Polymerharz kann mindestens eine Verbindung enthalten, die aus der Gruppe bestehend aus einem Polyimid, einem Polyimidamid, einem Siliconharz, einem Polyamid, Polytetrafluoralkylen, Polyethylennitril, Polyethersulfon und Poly(methyl)acrylat gewählt wird.
Das Polymerharz kann ein durchschnittliches Molekulargewicht von ca. 3000 bis ca. 300.000 g/mol haben.
Das Aerogel kann mindestens eine Verbindung enthalten, die aus der Gruppe bestehend aus einem Siliziumoxid, Kohlenstoff, einem Polyimid und einem Metallcarbid gewählt wird.
Außerdem kann bei der Wärmeisolierbeschichtung der vorliegenden Erfindung der Feststoffanteil des Polymerharzes im wässrigen Lösungsmittel zwischen ca. 5 und ca. 75 Gew.-% betragen.
Die Zusammensetzung der Wärmeisolierbeschichtung kann auf einer Innenfläche eines Motors mit innerer Verbrennung oder zur Beschichtung eines Bauteils des Motors mit innerer Verbrennung verwendet werden.
Bei einem anderen Aspekt wird eine Wärmeisolierbeschichtungsschicht bereitgestellt, hergestellt durch Auftragen der erfindungsgemäßen Zusammensetzung für die Wärmeisolierbeschichtung auf ein Zielobjekt, und natürliches Trocknen der Zusammensetzung bei Raumtemperatur oder darüber oder Erwärmen der Zusammensetzung auf 50°C oder darüber zum Trocknen der Zusammensetzung.
Die Wärmeisolierbeschichtungsschicht kann eine Schälfestigkeit von ca. 9,5 N oder darüber bezogen auf Metall haben. Außerdem kann die Wärmeisolierbeschichtungsschicht eine Wärmekapazität von ca. 1350 kJ/m3 Κ oder weniger haben. Weiterhin kann die Wärmeisolierbeschichtungsschicht eine Wärmeleitfähigkeit von ca. 0,50 W/m oder darunter haben. Die Wärmeisolierbeschichtungsschicht kann eine Dicke von ca. 50 µm bis ca. 500 µm haben.
Die Wärmeisolierbeschichtungsschicht kann auch auf der Innenfläche eines Motors mit innerer Verbrennung oder einem Bauteil des Motors mit innerer Verbrennung ausgebildet werden.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bei einem Aspekt wird eine Zusammensetzung für eine Wärmeisolierbeschichtung bereitgestellt, aufweisend:

eine Menge von 15 bis 95 Gew.-% eines in einem wässrigen oder polaren Lösungsmittel dispergierten Polymerharzes;
eine Menge von 1 bis 60 Gew.-% eines Aerogels; und
eine Menge von 0,1 bis 30 Gew.-% einer amphiphilen Substanz, die 1) eine reaktive funktionelle Gruppe mit einer Carboxyl- oder Hydroxylgruppe an einem ersten Ende, eine funktionelle Phosphat- oder Phosphatestergruppe an einem zweiten Ende und eine Alkylengruppe mit 2 bis 30 Kohlenstoffatomen, die zwischen der reaktiven funktionellen Gruppe und der funktionellen Phosphat- oder Phosphatestergruppe positioniert ist, enthält und die 2) ein gewichtsmittleres Molekulargewicht von 200 bis 5000 g/mol hat,
wobei das Aerogel eine spezifische Oberfläche von 100 bis 1000 cm²/g hat.

Bei einem anderen Aspekt wird eine Wärmeisolierbeschichtungsschicht bereitgestellt, hergestellt durch Auftragen der erfindungsgemäßen Zusammensetzung für die Wärmeisolierbeschichtung auf ein Zielobjekt und Trocknen der Zusammensetzung. Im Folgenden werden die Zusammensetzung für die Wärmeisolierbeschichtung und die Wärmeisolierbeschichtungsschicht gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ausführlich beschrieben.
Eine erfindungsgemäße Wärmeisolierbeschichtung enthält: ein Polymerharz, das in einem wässrigen oder polaren Lösungsmittel geeignet oder optional dispergiert ist; ein Aerogel; und eine amphiphile Substanz, die mindestens eine Phosphat- oder eine funktionelle Phosphatestergruppe und mindestens eine reaktive funktionelle Gruppe enthält und ein durchschnittliches Molekulargewicht von 200 bis 5000 g/mol hat.
Wenn die amphiphile Substanz mindestens eine Phosphat- oder eine funktionelle Phosphatestergruppe und mindestens eine reaktive funktionelle Gruppe enthält und ein durchschnittliches Molekulargewicht von 200 bis 5000 g/mol hat, können die Kompatibilität und das Dispersionsvermögen des Polymerharzes und des Aerogels in der Zusammensetzung für die Wärmeisolierbeschichtung verbessert werden, so dass eine fertige Wärmeisoliermembran verbesserte gleichmäßige physikalische Eigenschaften haben kann. Da außerdem das Aerogel gleichmäßig im Polymerharz dispergiert werden kann, kann die Wärmeisoliermembran aus der Zusammensetzung für die Wärmeisolierbeschichtung eine verringerte Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität haben, so dass eine bessere Wärmeisolierung erzielt werden kann.
Ferner kann die aus der Zusammensetzung für die Wärmeisolierbeschichtung ausgebildete Wärmeisoliermembran aufgrund der funktionellen Gruppe in der amphiphilen Substanz physikalische Eigenschaften wie eine verbesserte mechanische Festigkeit und Wärmebeständigkeit und dgl. sowie eine verbesserte Haftfestigkeit oder Schälfestigkeit bezüglich einer Metalloberfläche an einer Innenwand eines Motors mit innerer Verbrennung, einer Außenfläche eines Bauteils des Motors mit innerer Verbrennung oder dgl. haben.
Die Zusammensetzung für die Wärmeisolierbeschichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel kann ein Wärmeisoliermaterial, eine Wärmeisolierstruktur oder dgl. bereitstellen, das über einen längeren Zeitraum in einem Motor mit innerer Verbrennung standhält, der wiederholt erhöhten Temperatur- und Druckbedingungen ausgesetzt ist. Insbesondere kann die Zusammensetzung für die Wärmeisolierbeschichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel auf einer Innenfläche des Motors mit innerer Verbrennung oder zur Beschichtung eines Bauteils des Motors mit innerer Verbrennung verwendet werden.
Das Polymerharz wie hierin verwendet ist in der Zusammensetzung für die Wärmeisolierbeschichtung enthalten. Das Polymerharz kann auf Basis der physikalischen Eigenschaften ausgewählt werden, die für eine fertige Wärmeisolierbeschichtungsschicht oder dgl. erforderlich sind. Das Polymerharz kann ein Polyimid, ein Polyimidamid, ein Siliconharz, ein Polyamid, Polytetrafluoralkylen, ein Polyethylennitril, Polyethersulfon, Poly(methyl)acrylat, ein Gemisch aus mindestens zwei dieser Verbindungen oder ein Copolymer aus mindestens zwei dieser Verbindungen sein, ist aber nicht darauf beschränkt.
Das Polymerharz kann ein durchschnittliches Molekulargewicht von ca. 3000 bis 300.000 g/mol haben.
Wenn das durchschnittliche Molekulargewicht des Polymerharzes den vorgegebenen Wert deutlich unterschreitet oder weniger als ca. 3.000 g/mol beträgt, können keine ausreichenden mechanischen Eigenschaften, Wärmebeständigkeit oder Wärmeisolierung von der Beschichtungsschicht erzielt werden, und damit können ein Beschichtungsfilm oder eine Beschichtungsmembran aus der Zusammensetzung für die Wärmeisolierbeschichtung und das Polymerharz leicht in das Aerogel eindringen. Wenn ferner das durchschnittliche Molekulargewicht des Polymerharzes deutlich höher ist als der vorgegebene Wert oder höher als ca.300.000 g/mol, können sich Gleichmäßigkeit oder Homogenität der Beschichtungsschicht, des Beschichtungsfilms oder der Beschichtungsmembran aus der Zusammensetzung für die Wärmeisolierbeschichtung verschlechtern und ferner die Dispersionsfähigkeit des Aerogels in der Zusammensetzung für die Wärmeisolierbeschichtung abnehmen. Wenn des Weiteren die Zusammensetzung für die Wärmeisolierbeschichtung aufgebracht wird, kann die Zusammensetzung eine Düse eines Auftraggeräts verstopfen. Außerdem kann die Dauer der Wärmebehandlung der Zusammensetzung für die Wärmeisolierbeschichtung länger sowie die Wärmebehandlungstemperatur höher werden.
Das wässrige oder polare Lösungsmittel kann aus mindestens einer Verbindung bestehen, die aus der Gruppe bestehend aus Methylethylketon, Methylalkohol, Ethylalkohol, Propylalkohol, n-Butylalkohol, Isobutylalkohol, tert-Butylalkohol, Wasser und Ethylacetat gewählt wird, ist aber nicht darauf beschränkt.
Das hierin verwendete Aerogel kann ein typisches im Stand der Technik bekanntes Aerogel sein, das ohne Einschränkungen verwendet werden kann. Insbesondere kann das Aerogel aus Siliziumoxid, Kohlenstoff, einem Polyimid, einem Metallcarbid oder einem Gemisch aus mindestens zwei dieser Verbindungen bestehen.
Das Aerogel hat eine spezifische Oberfläche von 100 bis 1000 cm²/g oder kann insbesondere von ca. 300 bis ca. 900 cm²/g haben.
Die amphiphile Substanz enthält mindestens eine Phosphat- oder eine funktionelle Phosphatestergruppe und mindestens eine reaktive funktionelle Gruppe.
Ferner hat die amphiphile Substanz ein durchschnittliches Molekulargewicht von 200 bis 5000 g/mol.
Insbesondere kann die funktionellen Phosphatpruppe in der amphiphilen Substanz aufgrund der verbesserten Haftfestigkeit oder Schälfestigkeit bezüglich Metall eine verbesserte Zusammensetzung für die Wärmeisolierbeschichtung hergestellten Wärmeisolierbeschichtungsmembran bereitstellen.
Außerdem kann die reaktive funktionelle Gruppe in der amphiphilen Substanz vom Polymerharz gebunden werden, und die Wärmeisolierbeschichtungsmembran aus der Zusammensetzung für die Wärmeisolierbeschichtung kann durch die reaktive funktionelle Gruppe eine verbesserte Vernetzungsdichte oder dgl. haben, wodurch sich verbesserte mechanische Festigkeit und Wärmebeständigkeit ergeben.
Die hierin verwendete reaktive funktionelle Gruppe ist eine funktionelle Gruppe, die bei Einwirkung von Wärme oder Licht eine Polymerisierungs- oder Vernetzungsreaktion verursacht. Beschrieben als reaktive funktionelle Gruppe ist eine Ethylen- oder Alkengruppe mit Doppelbindung mit der Fähigkeit einer Radikalreaktion, eine Aminogruppe mit der Fähigkeit einer Polykondensationsreaktion, eine Hydroxylgruppe, eine Carboxylgruppe, eine Vinylgruppe, eine (Methyl)acrylatgruppe, eine Epoxigruppe oder eine Amidgruppe.
Die funktionelle Gruppe kann zunächst mit einem als Bindemittel verwendbaren Harz zur Erhöhung der Bindekraft copolymerisiert oder polykondensiert werden, so dass die funktionelle Gruppe zum Zeitpunkt der Mischung gleichmäßig mit dem Aerogel-Pulver gemischt werden kann, und zum Zeitpunkt der Wärmebehandlung zum Trocken die funktionelle Gruppe eine Phasentrennung des Aerogel-Pulvers und eines Tensids verhindern kann.
Die amphiphile Substanz enthält zusätzlich zur mindestens einen Phosphat- oder einen funktionellen Phosphatestergruppe und mindestens einer reaktiven funktionellen Gruppe ferner einen Längeneinstellteil, der das Molekulargewicht der Substanz beeinflussen kann.
Beschrieben als Längeneinstellteil der amphiphilen Substanz ist ein aliphatischer, alizyklischer oder aromatischer Kohlenwasserstoff oder eine zweiwertige funktionelle Gruppe, die aus einer Substanz aus der Gruppe bestehend aus Substanzen auf Esterbasis, Substanzen auf Etherbasis, Substanzen auf Urethanbasis, Substanzen auf Aminobasis, Substanzen auf (Methyl)acrylatbasis und Substanzen auf Carbonatbasis gewählt wird.
Die amphiphile Substanz enthält eine reaktive funktionelle Gruppe mit einer Carboxyl- oder Hydroxylgruppe an einem ersten Ende, der Phosphat- oder funktionellen Phosphatestergruppe an einem zweiten Ende und einer Alkylengruppe mit 2 bis 30 Kohlenstoffatomen, die zwischen der reaktiven funktionellen Gruppe und der Phosphat- oder der funktionellen Phosphatestergruppe positioniert ist.
Die Zusammensetzung für die Wärmeisolierbeschichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel kann enthalten: das im wässrigen Lösungsmittel dispergierte Polymerharz; das Aerogel; und die amphiphile Substanz, die mindestens eine Phosphat- oder funktionelle Phosphatestergruppe und mindestens eine reaktive funktionelle Gruppe enthält und ein durchschnittliches Molekulargewicht von 200 bis ca. 5000 g/mol hat. Der Anteil jedes Bestandteils davon kann je nach den gewünschten physikalischen Eigenschaften einer fertig hergestellten Wärmeisolierbeschichtungsmembran oder eines entsprechenden Abschnitts eines Motors mit innerer Verbrennung, auf dem die Zusammensetzung für die Wärmeisolierbeschichtung aufgebracht wird oder dgl. variieren.
Die Zusammensetzung für die Wärmeisolierbeschichtung enthält eine Menge von 15 bis ca. 95 Gew.-% des Polymerharzes, das vorzugsweise oder wahlweise im wässrigen oder polaren Lösungsmittel dispergiert ist, eine Menge von 1 bis ca. 60 Gew.-% des Aerogels und eine Menge von 0,1 bis ca. 30 Gew.-% der amphiphilen Substanz, die mindestens eine Phosphat- oder eine funktionelle Phosphatestergruppe und mindestens eine reaktive funktionelle Gruppe enthält und die ein durchschnittliches Molekulargewicht von 200 bis 5000 g/mol auf Basis des Gesamtgewichts der Zusammensetzung für die Wärmeisolierbeschichtung hat.
Die Zusammensetzung für die Wärmeisolierbeschichtung kann eine Menge von ca. 5 bis ca. 50 Gewichtsteilen oder eine Menge von ca. 10 bis ca. 45 Gewichtsteilen des Aerogels auf Basis von 100 Gewichtsteilen des Polymerharzes enthalten. Das Gewichtsverhältnis des Polymerharzes zum Aerogel kann ein Gewichtsverhältnis des Feststoffanteils ausschließlich der Lösungsmitteldispersion sein.
Wenn der Anteil des Aerogels bezogen auf das Polymerharz deutlich niedriger ist als eine vorgegebene Menge oder weniger als 1 Gew.-%, können die Wärmeleitfähigkeit und die Dichte der Beschichtungsschicht, des Beschichtungsfilms oder der Beschichtungsmembran aus der Zusammensetzung für die Wärmeisolierbeschichtung nicht verringert werden, es kann keine hinreichende Wärmeisolierung erzielt werden und die Wärmebeständigkeit einer Wärmeisolierungsmembran aus der Zusammensetzung für die Wärmeisolierbeschichtung kann geringer sein. Wenn ferner der Anteil des Aerogels bezogen auf das Polymerharz deutlich höher ist als die vorgegebene Menge oder mehr als 60 Gew.-%, können die physikalischen Eigenschaften der Beschichtungsschicht, des Beschichtungsfilms oder der Beschichtungsmembran aus der Zusammensetzung für die Wärmeisolierbeschichtung nicht erzielt werden, in der aus der Zusammensetzung für die Wärmeisolierbeschichtung hergestellten Wärmeisolierungsmembran können sich Risse bilden, oder die Form einer Beschichtungsmembran der Wärmeisolierungsmembran kann nicht genau eingehalten werden.
Der Feststoffanteil des Polymerharzes im wässrigen oder polaren Lösungsmittel unterliegt keiner besonderen Einschränkung, aber kann unter Berücksichtigung der Einheitlichkeit oder der physikalische Eigenschaften der Zusammensetzung für die Wärmeisolierbeschichtung zwischen ca. 5 und ca. 75 Gew.-% betragen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine Wärmeisolierbeschichtungsschicht bereitgestellt, hergestellt durch Auftragen der erfindungsgemäße Zusammensetzung für die Wärmeisolierbeschichtung auf ein Zielobjekt und Trocknen der Zusammensetzung.
Gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung kann die Wärmeisolierbeschichtungsschicht verbesserte mechanische Eigenschaften und eine verbesserte Wärmebeständigkeit sowie eine geringe Wärmeleitfähigkeit und eine geringe Dichte haben. Damit kann die nach außen abgegebene Wärmeenergie erheblich verringert und dadurch können der Wirkungsgrad des Motors mit innerer Verbrennung und die Kraftstoffeffizienz eines Fahrzeugs verbessert werden, wenn die Wärmeisolierbeschichtungsschicht an einem Motor mit innerer Verbrennung angebracht wird, und bei Verwendung der Zusammensetzung für die Wärmeisolierbeschichtung kann eine hohe Haftfähigkeit am Motor mit innerer Verbrennung und den Bauteilen des Motors mit innerer Verbrennung erzielt werden. Gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann das Aerogel in der Wärmeisolierbeschichtungsschicht gleichmäßig im Polymerharz dispergiert werden, so dass durch das Aerogel implementierte physikalische Eigenschaften, z. B. eine geringe Wärmeleitfähigkeit und eine geringe Dichte, im Wesentlichen erzielt werden können. Außerdem können durch das Polymerharz implementierte physikalische Eigenschaften, z. B. gute mechanische Eigenschaften, Wärmebeständigkeit und dgl. in äquivalenter oder wirksamerer Weise erzielt werden, als in dem Fall, in dem nur Polymerharz verwendet wird.
Demzufolge kann die Wärmeisolierbeschichtungsschicht eine geringe Wärmeleitfähigkeit und eine hohe Wärmekapazität haben. Die Wärmeisolierbeschichtungsschicht gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eine Wärmeleitfähigkeit von ca. 0,60 W/m oder darunter, von ca. 0,50 W/m oder darunter oder insbesondere von ca. 0,50 bis ca. 0,200 W/m und eine hohe Wärmekapazität von ca. 1350 kJ/m³K oder darunter oder insbesondere von ca. 1000 bis ca. 1350 kJ/m³K haben.
Außerdem kann die Wärmeisolierbeschichtungsschicht eine Schälfestigkeit von ca. 9,5 N oder darüber oder insbesondere von ca. 9,5 bis ca. 30 N bezüglich eines Metalls haben. Die Wärmeisolierbeschichtungsschicht kann die im Polymerharz dispergierte amphiphile Substanz enthalten, um dadurch die Haftfestigkeit oder die Schälfestigkeit bezüglich einer Metallfläche an einer Innenwand eines Motors mit innerer Verbrennung, einer Außenfläche eines Bauteil des Motors mit innerer Verbrennung oder dgl. zu verbessern.
Die Wärmeisolierbeschichtungsschicht gemäß einem Ausführungsbeispiel kann ein Wärmeisoliermaterial, eine Wärmeisolierungsstruktur oder dgl. bereitstellen, das über einen längeren Zeitraum in einem Motor mit innerer Verbrennung standhält, der wiederholt erhöhten Temperatur- und Druckbedingungen ausgesetzt ist. Insbesondere kann die Wärmeisolierbeschichtungsschicht auf einer Innenfläche eines Motors mit innerer Verbrennung oder einem Bauteil des Motors mit innerer Verbrennung angebracht werden.
Die Dicke der Wärmeisolierbeschichtungsschicht gemäß einem Ausführungsbeispiel kann in Abhängigkeit von einem Bereich oder einer Position, an der die Wärmeisolierbeschichtungsschicht angebracht wird, oder in Abhängigkeit von gewünschten physikalischen Eigenschaften bestimmt werden. Die Wärmeisolierbeschichtungsschicht kann z. B. eine Dicke von ca. 50 bis ca. 500 µm haben.
Die Wärmeisolierbeschichtungsschicht gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eine Menge von ca. 5 bis ca. 50 Gewichtsteilen oder insbesondere eine Menge von ca. 10 bis ca. 45 Gewichtsteilen des Aerogels auf Basis von 100 Gewichtsteilen des Polymerharzes enthalten.
Wenn wie oben beschrieben der Anteil des Aerogels bezogen auf das Polymerharz deutlich geringer als die vorgegebene Menge oder weniger als ca. 5 Gewichtsteile ist, können die Wärmeleitfähigkeit und die Dichte der Wärmeisolierbeschichtungsschicht nicht verringert, es kann keine ausreichende Wärmeisolierung erzielt werden und die Wärmebeständigkeit der Wärmeisolierbeschichtungsschicht kann abnehmen. Wenn ferner der Anteil des Aerogels bezogen auf das Polymerharz deutlich höher als die vorgegebene Menge oder mehr als ca. 50 Gewichtsteile ist, lassen sich keine ausreichenden physikalischen Eigenschaften der Beschichtungsschicht, des Beschichtungsfilms und der Beschichtungsmembran aus der Zusammensetzung für die Wärmeisolierbeschichtung erzielen, in der Wärmeisolierungsmembran aus der Zusammensetzung für die Wärmeisolierbeschichtung können sich Risse bilden, oder die Form einer Beschichtungsmembran der Wärmeisolierungsmembran kann nicht genau eingehalten werden.
Das Polymerharz kann ein durchschnittliches Molekulargewicht von ca. 3000 bis ca. 300.000 g/mol haben.
Das Aerogel kann mindestens eine Substanz enthalten, die aus der Gruppe bestehend aus einem Siliziumoxid, Kohlenstoff, einem Polyimid und einem Metallcarbid gewählt wird.
Das Aerogel hat eine spezifische Oberfläche von 100 bis 1000 cm²/g.
Die Wärmeisolierbeschichtungsschicht wird erhalten, indem die Zusammensetzung für die Wärmeisolierbeschichtung gemäß dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel getrocknet wird. Eine Vorrichtung, die zum Trocknen der Zusammensetzung für die Wärmeisolierbeschichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel eingesetzt werden kann, unterliegt keiner besonderen Einschränkung. Das Verfahren besteht in natürlichem Trocknen der Zusammensetzung bei Raumtemperatur oder darüber oder in Erwärmen der Zusammensetzung auf 50 °C oder darüber zum Trocknen der Zusammensetzung.
Eine beispielhafte Zusammensetzung für die Wärmeisolierbeschichtung kann auf ein Zielobjekt wie eine Innenfläche des Motors mit innerer Verbrennung oder eine Außenfläche eines Bauteils des Motors mit innerer Verbrennung aufgebracht und anschließend bei einer Temperatur von 50 bis 200 °C halbgetrocknet werden, und dann kann die halbgetrocknete Beschichtungs-Zusammensetzung bei einer Temperatur von 200 °C oder darüber vollständig getrocknet werden, wobei die Wärmeisolierbeschichtungsschicht ausgebildet wird. Ein Verfahren zum Aufbringen der Wärmeisolierbeschichtungsschicht ist jedoch nicht auf bestimmte Beispiele beschränkt.
Gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können die Zusammensetzung für die Wärmeisolierbeschichtung und die Wärmeisolierbeschichtungsschicht verbesserte mechanische Eigenschaften und eine verbesserte Wärmebeständigkeit sowie eine verringerte Wärmeleitfähigkeit und eine geringere Dichte haben, wodurch die nach außen abgegebene Wärmeenergie abnimmt und ferner der Wirkungsgrad eines Motors mit innerer Verbrennung und die Kraftstoffeffizienz eines Fahrzeugs verbessert werden, wenn die Zusammensetzung für die Wärmeisolierbeschichtung oder die Wärmeisolierbeschichtungsschicht am Motor mit innerer Verbrennung angebracht wird. Außerdem kann die Haftfähigkeit am Motor mit innerer Verbrennung und den Bauteilen des Motors mit innerer Verbrennung der Zusammensetzung oder der Schicht erheblich verbessert werden.
Die Ausführungsbeispiele werden in den folgenden Beispielen ausführlicher beschrieben. Die folgenden Beispiele dienen jedoch nur zur Veranschaulichung der Ausführungsbeispiele, und der Gültigkeitsbereich der vorliegenden Erfindung ist nicht auf die folgenden Beispiele beschränkt.
[Beispiele 1 bis 3]
(1) Herstellung der Zusammensetzung für die Wärmeisolierbeschichtung
Poröses Silica-Aerogel mit einer spezifischen Oberfläche von ca. 500 cm²/g wurde in Ethylalkohol dispergiert und ein Silizium-Polymerharz mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht von ca. 10 g wurde in einem wässrigen Lösungsmittel wie Methylethylketon (MEK) dispergiert. Das poröse Silica-Aerogel, das Silizium-Polymerharz und ca. 0,1 g einer Substanz gemäß der nachstehenden chemischen Formel 1 wurden in einen Reaktor eingebracht und bei einer Temperatur von ca. 60 °C gemischt und mit ca. 300 bis ca. 500 U/min unter Atmosphärendruck unter Verwendung eines mechanischen Rührwerks gerührt, wodurch eine Zusammensetzung für die Wärmeisolierbeschichtung (Beschichtungslösung) hergestellt wurde. Die Anteile der amphiphilen Substanz (Gew.-%) und des Aerogels (Gew.-%) der Beispiele 1 bis 3 sind in der folgenden Tabelle 1 offenbart.
(2) Ausbildung der Wärmeisolierbeschichtungsschicht
Jede der erhaltenen Zusammensetzungen für die Wärmeisolierbeschichtung wurde mittels eines Sprühbeschichtungsverfahrens auf einen Kolben für einen Fahrzeugmotor aufgebracht. Nachdem die Zusammensetzung für die Wärmeisolierbeschichtung auf den Kolben aufgebracht worden ist, wurde die Beschichtung einmal bei ca. 150 °C etwa 10 Minuten lang halbgetrocknet, die Zusammensetzung für die Wärmeisolierbeschichtung wurde erneut aufgetragen und erneut bei ca. 150 °C etwa 10 Minuten lang halbgetrocknet. Nach dem zweiten Halbtrocknen wurde die Zusammensetzung für die Wärmeisolierbeschichtung erneut aufgebracht und bei ca. 250 °C etwa 60 Minuten lang vollständig getrocknet, so dass eine Wärmeisolierbeschichtungsschicht auf dem Kolben ausgebildet wurde. Die Dicke jeder ausgebildeten Beschichtungsschicht der Beispiele 1 bis 3 ist in der folgenden Tabelle 1 angegeben.
[Vergleichsbeispiel 1]
Eine Zusammensetzung für die Wärmeisolierbeschichtung und eine Wärmeisolierbeschichtungsschicht wurden nach demselben Verfahren wie in Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass ein nicht-ionisches PE/PO-Copolymer-Tensid (hergestellt von der BASF Corp.) anstelle der amphiphilen Substanz verwendet wurde.
[Experimentelle Beispiele]
1. Experimentelles Beispiel 1: Messung der Wärmeleitfähigkeit
Die Wärmeleitfähigkeit jeder Beschichtungsschicht auf dem Kolben der Beispiele 1 bis 3 und des Vergleichsbeispiels 1 wurde bei Raumtemperatur unter Atmosphärendruck durch ein Wärmediffusionsmessverfahren mittels Laser-Blitz auf Basis eines Standard-ASTM E1461-Verfahrens gemessen.
2. Experimentelles Beispiel 2: Messung der Wärmekapazität
Die spezifische Wärme jeder Beschichtungsschicht auf dem Kolben der Beispiele 1 bis 3 und des Vergleichsbeispiels 1 wurde bei Raumtemperatur mittels einer Differentialkalorimetrie- (DSC) Vorrichtung im Vergleich zu Saphir als Referenz gemessen, wodurch die Wärmekapazität auf Basis eines Standard-ASTM E1269-Verfahrens bestätigt wurde.
3. Experimentelles Beispiel 3: Messung der Schälfestigkeit

Die Haftkraft zwischen dem Kolben und jeder Beschichtungssschicht der Beispiele 1 bis 3 und des Vergleichsbeispiels 1 wurde durch Ritzen eines Dünnfilms in einer Länge von etwa 10 mm mit einer feinen Nadel auf Basis eines ISO 20502 Standardverfahrens gemessen, während eine Last durch ein Haftfestigkeitsmessgerät (CSM Corp.) aufgebracht wurde. [Tabelle 1]

	Anteil amphiphile Substanz (Gew.-%)	Anteil Aerogel (Gew.-%)	Dicke Beschichtungsschicht (µm)	Wärmeleitfähigkeit Beschichtungsschicht [W/m]	Wärmekapazität Beschichtungsschicht [kJ/m³K]	Schälfestigkeit zwischen Metalloberfläche und Wärmeisolierbeschichtungsschicht [N]
Beispiel 1	0,1	20	100	0,423	1320	10,1
Beispiel 2	0,2	20	100	0,340	1317	11,2
Beispiel 3	0,5	20	100	0,331	1297	16,0
Vergleichs beispiel 1	0,1	20	100	0,422	1320	9,1

Wie in Tabelle 1 angegeben können die Wärmeisolierbeschichtungsschichten bei einer Dicke von ca. 100 µm der Beispiele 1 bis 3 eine Wärmekapazität von ca. 1320 kJ/m³K oder darunter, eine Wärmeleitfähigkeit von ca. 0,423 W/m oder darunter und eine Schälfestigkeit von ca. 10,1 N oder darüber bezüglich einer Metalloberfläche haben.
Damit können die Wärmeisolierbeschichtungsschichten der Beispiele 1 bis 3 die nach außen abgegebene Wärmeenergie verringern, wenn die Beschichtungsschichten auf einem Motor mit innerer Verbrennung angebracht werden und dadurch den Wirkungsgrad des Motors mit innerer Verbrennung und die Kraftstoffeffizienz eines Fahrzeugs verbessern. Außerdem kann ihre Haftfestigkeit am Motor mit innerer Verbrennung und an einem Bauteil des Motors mit innerer Verbrennung erheblich verbessert und damit eine hervorragende Betriebslebensdauer erzielt werden.

Claims

Zusammensetzung für die Wärmeisolierbeschichtung aufweisend: eine Menge von 15 bis 95 Gew.-% eines in einem wässrigen oder polaren Lösungsmittel dispergierten Polymerharzes; eine Menge von 1 bis 60 Gew.-% eines Aerogels; und eine Menge von 0,1 bis 30 Gew.-% einer amphiphilen Substanz, die 1) eine reaktive funktionelle Gruppe mit einer Carboxyl- oder Hydroxylgruppe an einem ersten Ende, eine funktionelle Phosphat- oder Phosphatestergruppe an einem zweiten Ende und eine Alkylengruppe mit 2 bis 30 Kohlenstoffatomen, die zwischen der reaktiven funktionellen Gruppe und der funktionellen Phosphat- oder Phosphatestergruppe positioniert ist, enthält und die 2) ein gewichtsmittleres Molekulargewicht von 200 bis 5000 g/mol hat, wobei das Aerogel eine spezifische Oberfläche von 100 bis 1000 cm²/g hat.
Zusammensetzung für die Wärmeisolierbeschichtung nach Anspruch 1, wobei das wässrige oder polare Lösungsmittel mindestens eine Verbindung enthält, die aus der Gruppe bestehend aus Methylethylketon, Methylalkohol, Ethylalkohol, Propylalkohol, n-Butylalkohol, iso-Butylalkohol, tert-Butylalkohol, Wasser und Ethylacetat gewählt wird.
Zusammensetzung für die Wärmeisolierbeschichtung nach Anspruch 1, wobei das Polymerharz mindestens eine Substanz ist, die aus der Gruppe bestehend aus einem Polyimid, einem Polyimidamid, einem Siliconharz, einem Polyamid, Polytetrafluoralkylen, Polyethylen, Nitril, Polyethersulfon und Poly(methyl)acrylat gewählt wird.
Zusammensetzung für die Wärmeisolierbeschichtung nach Anspruch 3, wobei das Polymerharz ein gewichtsmittleres Molekulargewicht von 3000 bis 300.000 g/mol hat.
Zusammensetzung für die Wärmeisolierbeschichtung nach Anspruch 1, wobei das Aerogel mindestens eine Substanz ist, die aus der Gruppe bestehend aus einem Siliziumoxid, Kohlenstoff, einem Polyimid und einem Metallcarbid gewählt wird.
Zusammensetzung für die Wärmeisolierbeschichtung nach Anspruch 1, wobei der Feststoffgehalt des Polymerharzes in einem wässrigen oder polaren Lösungsmittel zwischen 5 und 75 Gew.-% beträgt.
Wärmeisolierbeschichtungsschicht, hergestellt durch Auftragen der Zusammensetzung für die Wärmeisolierbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auf ein Zielobjekt, und natürliches Trocknen der Zusammensetzung bei Raumtemperatur oder darüber oder Erwärmen der Zusammensetzung auf 50°C oder darüber zum Trocknen der Zusammensetzung.
Wärmeisolierbeschichtungsschicht nach Anspruch 7, wobei die Wärmeisolierbeschichtungsschicht eine Dicke von 50 µm bis 500 µm hat.