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Bezeichnung der Erfindung
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Wärmeisolierendes Material und Verfahren zum Bilden einer Beschichtung desselben
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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein wärmeisolierendes Material und ein Verfahren zum Bilden einer Beschichtung desselben. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein wärmeisolierendes Material, das zweckmäßigerweise verwendet wird, um eine wärmegenerierende Komponente in einem Gehäuse zu isolieren, und ein Verfahren zum Bilden einer Beschichtung desselben.
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Hintergrund der Erfindung
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Seit mehreren Jahren steigt die Nachfrage nach umweltfreundlichen Kraftfahrzeugen zur Vereinbarung der Nutzung von Kraftfahrzeugen mit dem Umweltschutz. Als ein Ansatz für die Erfüllung der Nachfrage wird ein Motorwärme-Verwaltungssystem in Betracht gezogen. Beispielsweise ist davon auszugehen, dass der Kraftstoffwirkungsgrad durch Beibehalten der Temperatur eines Motors nach Abschluss des Aufwärmens oder durch Beibehalten der Öltemperatur, die erforderlich ist, um die Temperatur eines Motors bei einem Kaltstart im Winter beizubehalten, zweckmäßig verbessert wird.
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Als Mittel zum Beibehalten der Temperatur des Motors wird ein Einsatz eines wärmeisolierenden Materials in Erwägung gezogen. In diesem Fall erfordert das wärmeisolierende Material Biegeeigenschaften, die der Form des Motorgehäuses folgen können, und eine Wärmebeständigkeit, die fähig ist, der Umgebung in einem Motorraum zu widerstehen. Ein herkömmliches wärmeisolierendes Material ist ein poröser Körper mit einem Silikonskelett aus einem dreidimensionalen Netzwerk, das mit einem polymerischen Deckmaterial abgedeckt ist (siehe beispielsweise PTL 1).
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3 stellt eine Schnittansicht eines herkömmlichen wärmeisolierenden Materials wie in PTL 1 offenbart dar. Wie in 3 gezeigt sind sowohl die Vorderwie auch die Rückflächen des porösen Körpers 301 mit einem polymerischen Deckmaterial 302 abgedeckt. Der poröse Körper 301 aus PTL 1 schließt ein Silikonskelett aus einem dreidimensionalen Netzwerk mit Poren ein.
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Das polymerische Deckmaterial 302 enthält beispielsweise Polytetrafluorethylen. Der poröse Körper 301 weist eine sehr spröde Beschaffenheit auf und ist gegenüber externen Kräften wie Spannung empfindlich. Aus diesem Grund wird der poröse Körper 301 dadurch geschützt, dass sowohl die Vorder- als auch die Rückflächen des porösen Körpers 301 mit einem polymerischen Deckmaterial 302 abgedeckt sind. Namentlich stellt das polymerische Deckmaterial 302 die Schutzfunktion für den porösen Körper 301 bereit, so dass das wärmeisolierende Material zweckmäßig verwendet wird.
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Liste der Anführungen
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Patentliteratur
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Kurzdarstellung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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Das wärmeisolierende Material kann eine hohe wärmeisolierende Leistung aufweisen, die Poren im porösen Körper 301 nutzt, da die Haftwirkung der Grenzfläche zwischen dem porösen Körper 301 und dem polymerischen Deckmaterial 302 höher ist. Das wärmeisolierende Material in PTL 1 kann jedoch aufgrund einer geringen Haftwirkung der Grenzfläche zwischen dem porösen Körper 301 und dem polymerischen Deckmaterial 302 keine ausreichende wärmeisolierende Leistung aufweisen.
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Die vorliegende Erfindung wurde entwickelt, um das vorstehend beschriebene Problem zu lösen, und eine Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein wärmeisolierendes Material mit verbesserter Haftwirkung der Grenzfläche zwischen einem porösen Körper und einem polymerischen Deckmaterial sowie ein Verfahren zum Bilden einer Beschichtung des wärmeisolierenden Materials bereitzustellen.
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Technische Lösung
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Um die vorstehende Aufgabe zu erfüllen, wird ein wärmeisolierendes Material bereitgestellt, das Folgendes einschließt: ein Verbundmaterial, das ein Aerogel in einem Faservlies enthält; und ein Deckmaterial, das einen Fluorkunststoff zum Abdecken des Verbundmaterials einschließt, wobei eine Oberfläche des Deckmaterials eine Mehrzahl an Korngrenzen aufweist.
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Zudem stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bilden einer Beschichtung eines wärmeisolierenden Materials bereit, das Folgendes einschließt: Beschichten eines Verbundmaterials, das ein Aerogel in einem Faservlies enthält, mit einem Beschichtungsmaterial, in dem Feinpartikel eines Fluorkunststoffs dispergiert sind; und Unterziehen des Verbundmaterials einer Wärmebehandlung zum Härten des Beschichtungsmaterials.
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Vorteilhafte Auswirkungen der Erfindung
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Demgemäß kann die vorliegende Erfindung die Haftwirkung der Grenzfläche zwischen dem porösen Körper und dem polymerischen Deckmaterial verbessern.
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Figurenliste
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- 1 stellt eine Schnittansicht eines wärmeisolierenden Materials nach Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung dar;
- 2 stellt ein Diagramm dar, das eine Oberflächenabbildung eines Deckmaterials nach Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung zeigt; und
- 3 stellt eine Schnittansicht eines herkömmlichen wärmeisolierenden Materials wie in PTL 1 offenbart dar.
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Beschreibung der Ausführungsformen
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Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachstehend bezugnehmend auf die begleitenden Figuren ausführlich beschrieben.
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(Ausführungsform 1)
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1 stellt eine Schnittansicht eines wärmeisolierenden Materials 101 nach Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung dar. Das wärmeisolierende Material 101 ist mit dem Verbundmaterial 104, das Faservlies 102 und Aerogel 103 enthält, und Deckmaterial 105, das das Verbundmaterial 104 rundherum abdeckt, ausgebildet. Das Deckmaterial 105 ist in dieser Ausführungsform ein Fluorkunststoff.
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<Verbundmaterial 104>
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Das Verbundmaterial 104, oder Verbundwerkstoff, besteht aus einer Bahn, die Silikat-Aerogel als Aerogel 103, das in einem Faservlies 102 enthalten ist, aufweist. Das Faservlies 102 weist eine Dicke im Bereich von mindestens 0,05 mm bis höchstens 1,0 mm auf. Das Silikat-Aerogel weist eine poröse Struktur mit einer Vielzahl an Poren in Nanogröße auf. Das Verbundmaterial 104 weist eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich von mindestens 0,01 W/(m*K) bis höchstens 0,1 W/(m*K) auf, was niedrig ist.
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Faservlies 102 weist gewöhnlich eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich zwischen mindestens 0,030 W/(m*K) und höchstens 0,060 W/(m*K) auf. Von diesen Wärmeleitfähigkeitswerten wird angenommen, dass sie näherungsweise die Gesamtsumme des Wärmeleitfähigkeitswerts einer das Faservlies 102 bildenden Faservliesfaser, das bedeutet, einer festen wärmeleitfähigen Komponente des Faservlieses 102, und des Wärmeleitfähigkeitswerts einer Wärme übertragenden Komponente von Luft (Stickstoffmolekülen), die in Hohlräumen der Faservliesfaser vorhanden ist, darstellen.
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Das Verbundmaterial 104 kann die vorstehend aufgeführte geringe Wärmeleitfähigkeit durch Enthalten eines Silikat-Aerogels, das ein Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit (im Allgemeinen als im Bereich zwischen mindestens 0,010 W/(m*K) und höchstens 0,015 W/(m*K) liegend angenommen) darstellt, als Aerogel 103 in den Hohlräumen erreichen.
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Im Allgemeinen wird die Wärmeleitfähigkeit von Luft in einem stationären Zustand (nachstehend als „stationäre Luft“ bezeichnet) bei Normaltemperatur als bei etwa 0,026 W/(m*K) liegend angenommen, und die Wärmeleitfähigkeit des Faservlieses 102 ist größer als die der stationären Luft.
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Das Verbundmaterial 104 ist eine Bahn mit einer niedrigeren Wärmeleitfähigkeit als die stationäre Luft. Das Verbundmaterial 104 kann wasserabweisende und schallabsorbierende Eigenschaften sowie wärmeisolierende Eigenschaften aufweisen. Wärmebeständigkeit oder Flammhemmung können abhängig von der Art des Faservlieses 102 dem Verbundmaterial 104 verliehen werden.
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Bei dieser Ausführungsform wird Acryloxid als Faservlies 102 verwendet, um dem Verbundmaterial 104 Wärmebeständigkeit oder Flammhemmung zu verleihen, es können jedoch auch andere Materialien als Faservlies 102 verwendet werden. Beispielsweise kann ein Glasfaserpapier als Faservlies 102 verwendet werden.
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Zusammen mit dem Vorgenannten weist das wärmeisolierende Material 101 dieser Ausführungsform eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit als die stationäre Luft auf. Somit enthält bei dieser Ausführungsform das Verbundmaterial 104 Silikat-Aerogel, kann aber beispielsweise poröse Keramiken wie Aluminiumoxid für Anwendungen verwenden, bei denen selbst durch eine nur geringfügig höhere Wärmeleitfähigkeit des wärmeisolierenden Materials gegenüber der stationären Luft die wärmeisolierende Leistung erfüllt ist.
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<Wärmeleitfähigkeit des Verbundmaterials 104>
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In dieser Ausführungsform verwendetes Verbundmaterial 104 weist eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich von mindestens 0,01 W/(m*K) bis höchstens 0,1 W/(m*K) auf. Je niedriger die Wärmeleitfähigkeit des Verbundmaterials 104 ist, desto höher wird die wärmeisolierende Wirkung des Verbundmaterials 104, wodurch die Dicke des Verbundmaterials 104, die erforderlich ist, um dieselbe wärmeisolierende Wirkung zu erreichen, reduziert wird.
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Verbundmaterial 104 mit einer Wärmeleitfähigkeit von mehr als 0,1 W/(m*K) ist nicht vorteilhaft, da die wärmeisolierende Wirkung des Verbundmaterials 104 abnimmt, und die Dicke des Verbundmaterials 104 erhöht werden muss, um die erforderliche wärmeisolierende Wirkung zu erreichen.
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<Dicke des Verbundmaterials 104>
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Das Verbundmaterial 104 weist eine Dicke im Bereich von mindestens 0,05 mm bis höchstens 2 mm, und vorzugsweise im Bereich von mindestens 0,5 mm bis höchstens 1 mm, auf. Verbundmaterial 104 mit einer Dicke von weniger als 0,05 mm ist bei der Wärmeisolierung in der Dickenrichtung weniger wirksam, so dass außer bei der Wahl eines gering wärmeleitfähigen Materials mit extrem niedriger Wärmeleitfähigkeit (gegenwärtig nicht existent) als Material für das Verbundmaterial 104 eine Wärmeleitfähigkeit von einer Oberfläche zu der anderen Oberfläche des Verbundmaterials 104 nicht ausreichend unterdrückt werden kann.
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<Verfahren zum Herstellen von Verbundmaterial 104>
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Es wird ein Beispiel eines Verfahrens zum Herstellen von Verbundmaterial 104 beschrieben.
- (1) Mischen von Ausgangsstoffen: Als Katalysator werden 1,4 Gew% einer konzentrierten Salzsäure (12N) einem Natriumsilikat mit hohem Molverhältnis (eine wässrige Silikatlösung mit einer Si-Konzentration von 14 %) hinzugefügt, und die Mischung wird gerührt, um eine Sol-Lösung herzustellen.
- (2) Imprägnierung: Die Sol-Lösung wird auf ein Faservlies (Material: Acryloxid, Dicke: 0,4 µm, Flächengewicht: 50 g/m2, Abmessung: 12 cm im Quadrat) gegossen und mit einer Walze in dieses gepresst, so dass das Faservlies mit der Sol-Lösung imprägniert wird.
- (3) Das mit der Sol-Lösung imprägnierte Faservlies wird zwischen PP-Folien (Dicke 40 µm×2 Bahnen) eingeschoben und bei einer Raumtemperatur von 23 °C etwa 20 Minuten lang stehen gelassen, um das Sol in ein Gel umzuwandeln.
- (4) Dickenkontrolle: Nachdem die Gelbildung gesichert ist, wird das Faservlies mit den PP-Folien durch eine biaxiale Walze geführt, in der ein Spalt auf 650 µm festgelegt ist (festgelegt einschließlich der Dicke der PP-Folien, das heißt Festlegen der Gesamtdicke des Verbundmaterials 104 auf 650 µm), um somit überschüssiges Gel aus dem Faservlies zu quetschen, so dass die Dicke auf ein Ziel von 700 µm kontrolliert wird.
- (5) Aushärten: Die Gelbahn (mit dem Gel imprägniertes Faservlies) wird mit den Folien in einem Behälter platziert, und der Behälter wird für eine Dauer von drei Stunden in eine Kammer mit konstanter Temperatur/Feuchtigkeit bei einer Temperatur von 85 °C/Feuchtigkeit von 85 % rF platziert, um ein Austrocknen zu verhindern. Dies ermöglicht den Silikatpartikeln im Faservlies, zu wachsen (Silanol-Dehydrierungskondensationsreaktion), und somit wird eine im Faservlies enthaltene poröse Struktur gebildet.
- (6) Entfernung der Folien: Die Gelbahn wird aus dem Aushärtungsbehälter (Kammer mit konstanter Temperatur/Feuchtigkeit) genommen, und die Folien werden von der Bahn entfernt.
- (7) Hydrophobierung 1 (Schritt des Eintauchens in Salzsäure): Die Gelbahn wird in Salzsäure 6N bis 12N eingetaucht und dann bei einer Normaltemperatur von 23 °C für die Dauer einer Stunde stehen gelassen, damit die Salzsäure in die Gelbahn aufgenommen wird.
- (8) Hydrophobierung 2 (Schritt der Siloxanbehandlung): Die Gelbahn wird beispielsweise in eine Mischlösung aus Octamethyltrisiloxan, einem Silylierungsmittel, und Isopropanol (IPA), einem amphiphilen Lösungsmittel, eingetaucht und darf während einer Dauer von zwei Stunden in einer Kammer mit einer konstanten Temperatur bei 55 °C reagieren. Wenn die Bildung von Trimethylsiloxanverbindungen beginnt, wird wässrige Salzsäure aus der Gelbahn abgesondert, und die Lösung um die Gelbahn wird in zwei Flüssigkeiten geteilt. Namentlich werden in der oberen Schicht eine Schicht des Silylierungsmittels gebildet und in der unteren Schicht eine Schicht aus wässriger Salzsäure gebildet.
- (9) Trocknung: Die Gelbahn wird in eine Kammer mit einer konstanten Temperatur von 150 °C überführt und darin während einer Dauer von zwei Stunden getrocknet.
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<Deckmaterial 105>
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Das Deckmaterial 105 verwendet als Ausgangsstoff ein Beschichtungsmaterial mit Feinpartikeln eines Fluorkunststoffs, die in Wasser dispergiert sind. Das Deckmaterial 105 wird durch Erwärmen des Ausgangsstoffes gesintert. Namentlich ist der Ausgangsstoff ein wässriges Deckmaterial, in dem Tetrafluorethylen-Partikel mit einer Partikelgröße im Bereich von mindestens etwa 0,2 µm bis höchstens 0,3 µm durch eine oberflächenaktive Substanz stabilisiert werden. Dieser Ausgangsstoff wird bis zum Schmelzpunkt der Feinpartikel (Fluorkunststoff) oder stärker erwärmt, um die Feinpartikel somit zusammenzusintern, so dass das Deckmaterial 105 in einer Folienform gebildet wird. Um eine bessere Sinterfähigkeit zu erreichen, wird Hexafluorpropylen mit Tetrafluorethylen polymerisiert, um ein Polymer mit niedrigem Schmelzpunkt herzustellen. Bei dieser Ausführungsform wird dieses Polymer (durch Polymerisieren von Tetrafluorethylen und Hexafluorpropylen hergestelltes Polymer) verwendet.
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Der Fluorkunststoff wie Tetrafluorethylen oder Hexafluorpropylen weist eine hohe Bindungsenergie der Kohlenstoff-Fluorverbindung auf und ist bei der Wärmebeständigkeit herausragend. Somit weist der Fluorkunststoff immer noch eine Wärmebeständigkeit von etwa 200 °C auf, obwohl Hexafluorpropylen mit Tetrafluorethylen polymerisiert wird, um den Fluorkunststoff mit einem niedrigen Schmelzpunkt auszustatten.
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Typische Fluorkunststoffe sind Perfluoro-Alkoxyalkan- oder Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymere, aber das Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymer ist für einen Ausgangsstoff des Deckmaterials 105 aufgrund mangelnder Wärmebeständigkeit von etwa 200 °C nicht erstrebenswert.
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Somit wird bei dieser Ausführungsform Hexafluorpropylen mit Tetrafluorethylen polymerisiert, um ein Polymer mit einem niedrigen Schmelzpunkt herzustellen. Jedoch gilt, dass obwohl Hexafluorpropylen mit Perfluoro-Alkoxyalkan polymerisiert wird, das erhaltene Polymer die Wärmebeständigkeit von etwa 200 °C nicht beeinträchtigt, so dass Perfluoro-Alkoxyalkan als Ausgangsstoff für das Deckmaterial 105 erstrebenswert ist.
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Zusammenfassend ist das Deckmaterial 105 vorzugsweise ein Polymer, das aus Tetrafluorethylen, Hexafluorpropylen und Perfluoro-Alkoxyalkan ausgewählt wird; oder ein Copolymer aus zwei oder mehreren Arten derselben.
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<Verfahren zum Abdecken des Verbundmaterials 104 durch Deckmaterial 105>
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Es wird ein Beispiel des Verfahrens zum Abdecken des Verbundmaterials 104 durch das Deckmaterial 105 beschrieben.
- (1) Schritt des Rührens des Ausgangsstoffes: Ein wässriges Beschichtungsmaterial (Feinpartikel in einer Größe von etwa 0,2 µm, die aus einem Copolymer von Tetrafluorethylen und Hexafluorpropylen bestehen, werden durch eine oberflächenaktive Substanz bei einer Feststoffkonzentration von etwa 20 Gew% stabilisiert) wird gerührt, um die Feinpartikel gleichmäßig im Wasser zu dispergieren.
- (2) Schritt des Beschichtens: Das gesamte Verbundmaterial 104 wird in das gerührte wässrige Beschichtungsmaterial eingetaucht, und das Verbundmaterial 104 wird mit einer gleichbleibenden Geschwindigkeit herausgenommen.
- (3) Schritt des Aushärtens: Das in das wässrige Beschichtungsmaterial eingetauchte Verbundmaterial 104 wird in eine Kammer mit einer konstanten Temperatur von 300 °C überführt und verbleibt dort während einer Dauer von drei Minuten, um Wasser verdunsten zu lassen, während die Feinpartikel auf das Verbundmaterial 104 gesintert werden, um auszuhärten. Die somit ausgehärteten Feinpartikel bilden das Deckmaterial 105.
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<Zustand des Abdeckens des Verbundmaterials 104 durch Deckmaterial 105>
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Das Deckmaterial 105 mit einer durchschnittlichen Dicke von 15 µm (Mindestdicke 5 µm, Höchstdicke 80 µm) wird durch das vorstehend aufgeführte Verfahren zum Abdecken des Verbundmaterials 104 durch das Deckmaterial 105 um das Verbundmaterial 104 herum gebildet.
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2 stellt ein Diagramm dar, das eine vergrößerte Oberflächenabbildung des Deckmaterials 105 nach Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 2 gezeigt werden mehrere Korngrenzen 106 auf der Oberfläche des Deckmaterials 105 durch Aushärten des die Feinpartikel enthaltenden wässrigen Beschichtungsmaterials bei einer Temperatur von etwa 50 °C über dem Schmelzpunkt der Feinpartikel, die aus einem Fluorkunststoff bestehen, der in dem Ausgangsstoff des Deckmaterials 105 verwendet wird, gebildet. Dies stellt ein spezifisches Merkmal der vorliegenden Erfindung dar. Die Oberfläche des Deckmaterials 105 nimmt Bezug auf eine Oberfläche (zweite Oberfläche) gegenüber einer Oberfläche (erste Oberfläche), die dem Deckmaterial 104 zugewandt ist.
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Somit wird, obwohl das wärmeisolierende Material in Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung gebogen wird, ein Brechen des Deckmaterials 105 durch eine Verteilung der Beanspruchung, die einer Dehnung von Abschnitten, in denen Korngrenzen 106 gebildet sind, zugeordnet ist, verhindert.
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Bei dieser Ausführungsform weisen die Korngrenzen 106 eine Größe in dem Bereich von mindestens 10 µm bis höchstens 500 µm und eine durchschnittliche Rillenbreite von 50 µm (Mindestrillenbreite 5 µm, Höchstrillenbreite 100 µm) auf. Bei dieser Ausführungsform weisen die Korngrenzen 106 eine Tiefe von etwa 3 µm von der Oberfläche des Deckmaterials 105 auf und verfügen über einen V-förmigen Querschnitt.
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Zusätzlich verbleiben die Korngrenzen 106 in der Oberflächenschicht des Deckmaterials 105 und reichen nicht bis zur Grenzfläche zum Verbundmaterial 104. Somit ist die Grenzfläche zwischen dem Deckmaterial 105 und dem Verbundmaterial 104 zufriedenstellend in Kontakt zueinander, was verhindert, dass im Verbundmaterial 104 enthaltenes Aerogel freigelegt wird.
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Ein Deckmaterial 105 mit einer durchschnittlichen Dicke von weniger als 5 µm ist jedoch nicht wünschenswert, da Korngrenzen 106 bis zur Grenzfläche zum Verbundmaterial 104 reichen.
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Das Aushärten des die Feinpartikel enthaltenden wässrigen Beschichtungsmaterials bei einer Temperatur von etwa 100 °C über dem Schmelzpunkt der Feinpartikel ist nicht wünschenswert, da Korngrenzen 106 nicht gebildet werden, wohingegen ein Aushärten des wässrigen Beschichtungsmaterials bei einer Temperatur von etwa 20 °C unterhalb des Schmelzpunkts desselben nicht wünschenswert ist, weil die Korngrenzen 106 bis zur Grenzfläche zum Verbundmaterial 104 reichen. Die Temperatur, bei der das die Feinpartikel enthaltende wässrige Beschichtungsmaterial aushärtet, ist vorzugsweise nicht niedriger als der Schmelzpunkt der Feinpartikel innerhalb eines festgelegten Bereichs.
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(Allgemeine Anmerkung)
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Das für die Feinpartikel, die den Ausgangsstoff des Deckmaterials 105 darstellen, verwendete Fluoridmaterial ist nicht auf die vorstehend aufgeführten beschränkt, solange es Korngrenzen 106 bilden kann.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Das wärmeisolierende Material der vorliegenden Erfindung ist zudem auf eine Wärmeisolierung zur Vermeidung des Absenkens von Öltemperaturen anwendbar, um die Temperatur eines Motors nach Abschluss des Aufwärmens oder bei einem Kaltstart im Winter beizubehalten.
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Bezugszeichenliste
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- 101
- Wärmeisolierendes Material
- 102
- Faservlies
- 103
- Aerogel
- 104
- Verbundmaterial
- 105
- Deckmaterial
- 106
- Korngrenzen
- 301
- Poröser Körper
- 302
- Polymerisches Deckmaterial
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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