DE10211274B4 - Nachträglich gehärtete Schaumstoffe, Verfahren zu deren Herstellung sowie deren Verwendung - Google Patents

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Abstract

Nachträglich gehärteter Schaumstoff mit einer Druckspannung von größer 0,1 MPa und einer Offenzelligkeit von mindestens 90%, enthaltend einen offenzelligen flexiblen Schaumstoff, der mit einem gehärteten Tränkmittel benetzt ist, wobei der nachträglich gehärtete Schaumstoff erhältlich ist durch ein Verfahren, umfassend die Schritte A) Aufbringen eines Tränkmittels auf einen offenzelligen, flexiblen Schaumstoff, B) Ausdrücken des mit Tränkmittel benetzten flexiblen Schaumstoffs und anschließend C) Härten des Tränkmittels. und wobei das Tränkmittel ein Polyurethangießharz enthält.

Description

  • Die Erfindung betrifft gemäß den Patentansprüchen einen nachträglich gehärteten Schaumstoff mit einer Druckspannung von größer 0,1 MPa und einer Offenzelligkeit von mindestens 90%, enthaltend einen offenzelligen flexiblen Schaumstoff, der mit einem gehärteten Tränkmittel benetzt ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung von nachträglich gehärteten Schaumstoffen. Weiterhin betrifft die Erfindung die Verwendung der erfindungsgemäßen, nachträglich gehärteten Schaumstoffe als offenzelliges Kern-Stütz-Material in vakuumtechnischen Anwendungen, die Verwendung zur Schallabsorption und die Verwendung zur Herstellung von geformten Vakuumisolationspanelen.
  • Als besonders effiziente Dämmmaterialien werden in verschiedenen Bereichen so genannte Vakuum-Isolations-Paneele (VIP) eingesetzt, die sich durch sehr niedrige Wärmeleitfähigkeiten (WLF) auszeichnen. Als Stütz-Kernmaterial werden unterschiedliche Werkstoffe verwendet. Sowohl organische Materialien wie beispielsweise PUR-Hartschaum, Polystyrol-Schaumstoffe als auch anorganische Materialien wie beispielsweise Silicat-Gel kommen zum Einsatz. Alle Werkstoffe zeichnen sich durch ihre möglichst vollständige Offenzelligkeit (prozentuale Angabe des Anteils der offenen Zellen bezogen auf die Gesamtanzahl an Zellen) bzw. Porosität aus, was sie evakuierbar und somit für Vakuumanwendungen einsetzbar macht. Einen Überblick über Vakuumisolationspaneele gibt EP-A-905 159 und die dort zitierte Literatur. Als weiterer Stand der Technik werden die Schriften DE 20 31 160 C3 , US 2 955 056 A , DE 43 19 188 A1 und DE 30 39 146 A1 genannt.
  • Auf Grund der Struktur von flexiblen, offenzelligen Schaumstoffen, wie beispielsweise Polyurethanweichschäume, wären diese Schaumstoffe, insbesondere feinzellige Schaumstoffe mit einem Zelldurchmesser kleiner 500 μm, bevorzugt kleiner 300 μm, als Kernmaterial für die Vakuumtechnik besonders geeignet, wenn die Festigkeit für die Druckbeanspruchung im Vakuum ausreichend wäre.
  • Aufgabe der Erfindung war es, ein technisch und wirtschaftlich vorteilhaftes Stützmaterial für den Einsatz in Vakuumisolationspaneelen bereit zu stellen, insbesondere solche, die sowohl den Anforderungen an die Druckbeständigkeit und die Offenzelligkeit genügen als auch den Anforderungen an vorteilhafte Verarbeitbarkeit, wie beispielsweise einfache Verformbarkeit.
  • Die Aufgabe konnte durch Bereitstellung eines Schaumstoffes gelöst werden, der die positiven Eigenschaften eines Weichschaums, wie beispielsweise Offenzelligkeit und Verformbarkeit, mit den positiven Eigenschaften eines Hartschaums, wie beispielsweise Druckstabilität, in sich vereint, d. h. die Aufgabe wurde dadurch gelöst, dass offenzellige, flexible Schaumstoffe nachträglich gehärtet wurden durch ein Verfahren, umfassend die Schritte A) Aufbringen eines Tränkmittels auf den offenzelligen, flexiblen Schaumstoff, B) Ausdrücken des mit Tränkmittel benetzten, flexiblen Schaumstoffs und anschließend C) Härten des Tränkmittels und wobei das Tränkmittel ein Polyurethangießharz enthält.
  • Gegenstand der Erfindung ist daher ein nachträglich gehärteter Schaumstoff mit einer Druckspannung von größer 0,1 MPa und einer Offenzelligkeit von mindestens 90%, enthaltend einen offenzelligen flexiblen Schaumstoff der mit einem gehärteten Tränkmittel benetzt ist, wobei der nachträglich gehärtete Schaumstoff erhältlich ist durch ein Verfahren, umfassend die Schritte A) Aufbringen eines Tränkmittels auf den offenzelligen, flexiblen Schaumstoff, B) Ausdrücken des mit Tränkmittel benetzten, flexiblen Schaumstoffs und anschließend C) Härten des Tränkmittels und wobei das Tränkmittel ein Polyurethangießharz enthält.
  • Ferner ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen nachträglich gehärteten Schaumstoffe, umfassend die Schritte
    • A) Aufbringen eines Tränkmittels auf einen offenzelligen, flexiblen Schaumstoff,
    • B) gegebenenfalls Ausdrücken des mit Tränkmittel benetzten flexiblen Schaumstoffs und anschließend
    • C) Aushärten des Tränkmittels, wobei das Tränkmittel ein Polyurethangießharz enthält.
  • Weiterhin ist Gegenstand der Erfindung die Verwendung der erfindungsgemäßen nachträglich gehärteten Schaumstoffe zur Schallabsorption und/oder als offenzelliges Kern-Stützmaterial in vakuumtechnischen Anwendungen, wie beispielsweise zur Herstellung von Vakuumisolationspaneelen, insbesondere von geformten Vakuumisolationspaneelen.
  • Als Tränkmittel sind im allgemeinen Flüssigkeiten geeignet, die durch chemische oder physikalische Reaktion ausgehärtet werden können, wobei das Tränkmittel ein Polyurethangießharz enthält.
  • Ein Beispiel für physikalisches Aushärten ist das Verdampfen eines Lösungsmittels. Ein Beispiel für chemisches Aushärten ist die Polyadditionsreaktion, beispielsweise bei der Reaktion von Isocyanaten mit Polyolen in Polyurethangießharzen. Das Aushärten des Tränkmittels kann mit allgemein bekannten Mitteln in Gang gesetzt werden, beispielsweise durch Temperaturerhöhung oder durch Zugabe eines Katalysators.
  • Als Tränkmittel wird erfindungsgemäß ein Polyurethangießharz, im allgemeinen mit einer Viskosität von weniger als 10000 mPas, bevorzugt weniger als 1000 mPas, besonders bevorzugt von weniger als 500 mPas, gemessen nach DIN 53019, verwendet.
  • Die Herstellung der als Tränkmittel einsetzbaren Palyurethangießharze ist dem Fachmann allgemein bekannt und beispielsweise beschrieben in Kunststoff-Handbuch, Band 7, Polyurethane, Carl-Hauser-Verlag München, 3. Auflage, 1993, insbesondere Seiten 410 bis 428.
  • Im Rahmen dieser Erfindung werden Polyurethangießharze verwendet, wobei die Isocyanatkomponente Diphenylmethandiisocyanat (MDI), Toluylendiisocyanat (TDI) oder Hexamethylendiisocyanat (HDI) enthält und die Polyolkomponente auf Polyestern oder Polyethern basiert.
  • Als offenzellige flexible Schaumstoffe sind im allgemeinen die dem Fachmann bekannten Weichschaumstoffe, Halbhartschaumstoffe und elastischen Schaumstoffe verwendbar. Bei den verwendeten offenzelligen flexiblen Schaumstoffen handelt es sich im allgemeinen um flexible Weichschäume, die in der Regel eine Druckspannung von weniger als 0,1 MPa, bevorzugt von 0,001 bis 0,09 MPa, besonders bevorzugt von 0,005 bis 0,05 aufweisen.
  • Bevorzugt werden flexible Schaumstoffe mit einer Dichte von weniger als 100 g/l, besonders bevorzugt von weniger als 50 g/l verwendet.
  • Die in der vorliegenden Erfindung verwendeten offenzelligen flexiblen Schaumstoffe besitzen eine Offenzelligkeit von mehr als 90%, bevorzugt von mehr als 93%, besonders bevorzugt von mehr als 95%, insbesondere mehr als 97%, wobei die Prüfung der Offenzelligkeit nach DIN ISO 4590 erfolgt.
  • Die Druckspannung der flexiblen Schaumstoffe und der nachträglich gehärteten Schaumstoffe wird nach DIN 53421 bestimmt.
  • Die zu härtenden flexiblen Schaumstoffe können aus beliebigen polymeren Materialien sein. Beispiele hierfür sind Schäume auf Melaminformaldehydbasis (z. B. Basotec®), Polystyrolschaumstoffe, Polyurethanweichschaumstoffe und/oder Polyurethanhalbhartschaumstoffe. Bevorzugt werden Polyurethanweichsschaumstoffe verwendet.
  • Die zu härtenden offenzelligen flexiblen Schaumstoffe und die nachträglich gehärteten Schaumstoffe weisen im allgemeinen einen mittleren Zelldurchmesser von weniger als 500 μm, bevorzugt von weniger als 300 μm, mehr bevorzugt von weniger als 200 μm und insbesondere von weniger als 150 μm auf.
  • Im erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung der nachträglich gehärteten Schaumstoffe wird zunächst im Schritt A) das Tränkmittel auf den flexiblen offenzelligen Schaumstoff aufgebracht. Das Aufbringen kann beispielsweise durch Eintauchen des flexiblen Schaumstoffes in das Tränkmittel oder durch Aufsprühen des Tränkmittels auf den flexiblen Schaumstoff erfolgen. Das Tränkmittel wird in einer Dicke aufgebracht, so dass durch das Aufbringen des Tränkmittels die Offenzelligkeit des flexiblen Schaumstoffs nicht beeinflusst wird.
  • Nach dem Schritt A) erfolgt der Schritt B) Ausdrücken des mit Tränkmittel benetzten Schaumstoffes. Das Ausdrücken kann mechanisch erfolgen, beispielsweise durch Walzen. Das Ausdrücken dient einerseits dazu, überschüssiges Tränkmittel zu entfernen und andererseits dazu, dass das verbleibende Tränkmittel den Weichschaumstoff an jeder Stelle homogen benetzt, d. h. an jeder Stelle des Weichschaumstoffs sollen gleiche physikalische Eigenschaften (z. B. Druckfestigkeit, Dichte, Wärmleitfähigkeit) vorliegen.
  • Schließlich wird in Schritt C) das aufgebrachte Tränkmittel gehärtet. Die Aushärtung kann beispielsweise durch Temperaturerhöhung beschleunigt werden. Durch entsprechende Wärmezufuhr lässt sich das Aushärten des getränkten Weichschaumstoffes zeitlich steuern und somit lässt sich die Produktivität beeinflussen. Durch das Härten des Tränkmittels erfolgt automatisch eine Härtung des flexiblen Schaumstoffs, d. h. die Begriffe Härten des Tränkmittels und Härten des mit Tränkmittel benetzten flexiblen Schaumstoffs sind als gleichbedeutend zu sehen.
  • Bei der Wahl des flexiblen Schaumstoffes und des Tränkmittels ist darauf zu achten, dass das Zellgerüst des Schaumstoffs nach dem Aushärten eine Druckspannung von größer als 0,1 MPa aufweist, so dass er den Druckbeanspruchungen im Vakuum (etwa 0,1 N/m2) standhält. In einer bevorzugten Ausführungsform weist der nachträglich gehärtete Schaumstoff eine Druckspannung von mehr als 0,2 MPa, besonders bevorzugt von mehr als 0,25 MPa auf.
  • Der gehärtete Weichschaumstoff lässt sich in einer Vielzahl von vakuumtechnischen Anwendungen als offenzelliges Kern-Stützmaterial einsetzen, beispielsweise in Vakuumisolationspaneelen, insbesondere in geformten Vakuum isolationspaneelen.
  • Die Herstellung von Vakuum isolationspaneelen, enthaltend den erfindungsgemäß nachträglich gehärteten Schaumstoff, erfolgt üblicherweise in folgenden Schritten:
    • i) Aufbringen eines Tränkmittels auf einen offenzelligen, flexiblen Schaumstoff,
    • ii) Ausdrücken des mit Tränkmittel benetzten flexiblen Schaumstoffs,
    • vi) Härten des mit Tränkmittel benetzten flexiblen Schaumstoffes,
    • v) Umgeben des nachträglich gehärteten Schaumstoffs mit einer diffusionsdichten Schicht und
    • vi) Entfernen des Zellgases und Versiegeln der diffusionsdichten Schicht.
  • Hierbei wird der nachträglich gehärtete Schaumstoff in der Regel mit einer möglichst diffusionsdichten Schicht, die bevorzugt mindestens an einer Stelle geöffnet ist, umgeben und, beispielsweise in einer Vakuumkammer, evakuiert, bevorzugt bis auf einen Restdruck < 0,5 hPa. Auf Grund der Offenzelligkeit des Schaumstoffes wird das Zellgas im Material (im allgemeinen Luft) abgesaugt. Die diffusionsdichte Schicht wird unter Vakuum, bevorzugt noch in der Vakuumkammer, z. B. durch Verschweißen, versiegelt.
  • Als diffusionsdichte Schicht ist beispielsweise eine Mehrschichtverbundfolie, die entweder eine durchgehende Aluminiumsperrschicht oder eine aufgedampfte Aluminiumschicht enthält, geeignet.
  • Das fertige Vakuumpaneel mit beispielsweise nachträglich gehärteten PUR-Weichschaum als Kern-Stützmaterial zeichnet sich durch eine niedrige Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise zwischen 0,07–0,14 W/mK, aus und ist daher in vielen Anwendungen einsetzbar, wo eine möglichst niedrige Wärmeleitfähigkeit erwünscht ist, z. B. als Dämmmaterial im Kühlschrank oder im Heißwasserspeicher.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist die variable Gestaltung der äußeren Form der erfindungsgemäßen Schaumstoffe. Der Prozess des Aushärtens lässt sich so einstellen, dass der getränkte Schaumstoff, der in der Regel als Plattenware vorliegt, über einen längeren Zeitraum noch flexibel ist. Dadurch können nachträglich sämtliche Konturen wie beispielsweise Halbschalen, abgewinkelte Körper, erzeugt werden, indem der getränkte, aber noch nicht gehärtete Schaumstoff in ein entsprechendes Formwerkzeug eingebracht wird (Schritt iii)) und darin die endgültige Festigkeit erhält. Der geformte und nachträglich gehärtete Schaumstoff wird anschließend dem Formwerkzeug entnommen und kann wie oben beschrieben zu einem geformten Vakuumisolationspaneel weiterverarbeitet werden.
  • Diese Verfestigung in einem Formwerkzeug kann beispielsweise durch Wärmezufuhr gesteuert (beschleunigt) werden, was die Produktivität und damit die Wirtschaftlichkeit stark beeinflusst.
  • Die erfindungsgemäß nachträglich gehärteten Weichschaumstoffe können neben dem Einsatz in Vakuumisolationspaneelen zur Schalldämpfung verwendet werden. Das offenporige Schaumgerüst der Weichschaumstoffe, insbesondere von PUR-Weichschaumstoffen, bietet günstige Voraussetzungen für eine Luftschallabsorption. Das Dämpfungsverhalten der Weichschaumstoffe, das z. B. durch den sogenannten Verlustfaktor h beschrieben werden kann, wird in zahlreichen Schriften als eine Größe zur Optimierung des Schalldämpfungsmaßes angesehen. Der Verlustfaktor η η = Wv/2πWr bringt zum Ausdruck, welcher Schallanteil während einer Schwingungsperiode irreversibel in Wärme umgewandelt wird. Wv bedeutet hierbei die dissipierte Energie und Wr die zurückgewonnene Energie. Hohe Verlustfaktoren bewirken demzufolge eine höhere Schalldämpfung.
  • Die erfindungsgemäß hergestellten Schaumstoffe vereinen nun den Vorteil eines hohen Verlustfaktors mit dem eines harten Schaums, da insbesondere bei der Herstellung von Platten zur Schallabsorption harte Schäume von Vorteil sind. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Weichschaumstoffe weisen im allgemeinen einen Verlustfaktoren im Bereich von 0,1 bis 1, bevorzugt von 0,20 bis 0,55, ermittelt nach ISO 7626, Teil 1, 2, auf. Damit sind sie sehr gut zur Schalldämpfung geeignet.
  • Die vorliegende Erfindung soll durch nachfolgende Beispiele veranschaulicht werden:
  • Beispiele
  • 1. Herstellung eines flexiblen Schaumstoffes (Polyurethan-Weichschaumstoff)
  • Nachfolgend aufgeführte A- und B-Komponenten wurden bei einem Isocyanatindex von 100 zu einem PUR-Weichschaumstoff verschäumt. A-Komponente:
    – Polyesterol, OHZ = 61 m/g, auf Basis von Adipinsäure, Trimethylolpropan und Diethylenglykol 94,00 Gew.-%
    – Wasser 3,70 Gew.-%
    – Stabilisator Tegostab® B8300 (Th. Goldschmidt) 0,90 Gew.-%
    – Katalysator Tegoamin® CPE 1,40 Gew.-%
  • B-Komponente:
    • – TDI mit NCO-Gehalt von 48%
  • Der erhaltene Weichschaumstoff wies folgende Eigenschaften auf:
    w Dichte: 30 g/l
    w Offenzelligkeit > 95%
    w Druckspannung (10% Stauchung) < 0,02 MPa)
  • 2. Härten des PUR-Weichschaumstoffes
  • Als Tränkmittel wurde ein Polyurethangießharz verwendet. Das PUR-Gießharz war aus nachstehenden A- und B-Komponenten aufgebaut, die homogen in einem Rührer bei einem NCO-Index von 105 vermischt wurden. A-Komponente:
    – Polyetherol, OHZ = 400, Glycerin + PO 74,00 Gew.-%
    – Polyetherol, OHZ = 250, Propylenglycol + PO 20,00 Gew.-%
    – Entschäumer: DC-MSA Antifoam® (DOW Corning GmbH) 1,00 Gew.-%
    – Feuchtebinder: UOP L-Paste® (UOP GmbH) 5,00 Gew.-%
  • B-Komponente:
    • – Polymer-MDI mit NCO-Gehalt von 31%
  • Tränkvorgang: Das Tränkmittel wurde gleichmäßig durch Gießen auf den Weichschaum aufgetragen, anschließend wurde mit Hilfe von Auspresswerkzeugen (Walzwerk) eine homogene Benetzung des gesamten Weichschaums erzielt, wobei gleichzeitig überschüssiges Tränkmittel ausgedrückt wurde.
  • Das Tränkmittel wurde etwa 6 Stunden bei etwa 70°C gehärtet. Es wurde ein nachträglich gehärteter Weichschaumstoff mit folgenden Eigenschaften erhalten:
    w Dichte = 100 bis 130 g/l,
    w Offenzelligkeit > 95%,
    w Druckspannung > 0,3 MPa,
  • Es konnte also ein Weichschaumstoff mit vielfach höherem Festigkeitswert gegenüber dem ursprünglichen Weichschaum bei gleicher Offenzelligkeit erhalten werden.
  • Zur Beschleunigung der Aushärtung des getränkten Weichschaums wurde der A-Komponente (wie oben beschrieben) 0,5 Gew.-% eines Katalysators Lupragen® N100 (tertiäres Amin) zugegeben und anschließend wie oben zur Reaktion gebracht. Dadurch wurde die Aushärtezeit bei z. B. 70°C auf 30 Minuten reduziert. Die Eigenschaften des gehärteten Weichschaums sind identisch.
  • Anmerkung: Prüfung der Offenzelligkeit erfolgte nach DIN ISO 4590 und Prüfung Rohdichte erfolgte nach DIN EN ISO 845 (Druckfestigkeit nach DIN 53421), Wärmeleitfähigkeit wurde bestimmt in einem Hesto Lambda Control A50.
  • 3. Herstellung von Vakuum isolationspaneelen
  • In den gehärteten Schaum aus Beispiel 2 wurde als Getter eine mikroporöse Aktivkohle (Aktivkohle D45/2 der Fa. Carbo Tech) in Kombination mit CaO zur Feuchteaufnahme und zur Sorption von Gasen eingebracht (durch Einsetzen, nachdem ein Loch in der entsprechenden Größe ausgestanzt, bzw. ausgeschnitten wurde).
  • Anschließend wurde die Probe mit Getter bei ca. 120°C 2 Std. lang im Ofen getrocknet, um die Restfeuchte aus dem Werkstoff zu entfernen. Nach der Trocknung wurde die Probe in eine spezielle einseitig geöffnete Folientüte, die ein Folienverbund aus mehreren Schichten darstellt, eingebracht (Folientyp: Fa TOYO Aluminium K. K., TYP SA-1).
  • Anschließend erfolgte eine Evakuierung in einer Vakuumkammer bis zu einem Druck < 0,05 mbar und ein verschweißen der Folie.
  • Die erhaltenen Vakuumisolationspaneele wiesen eine Wärmeleitfähigkeit (WLF) von 11,6 mW/mK auf (gemessen mit Hesto Lambda Control A50).

Claims (7)

  1. Nachträglich gehärteter Schaumstoff mit einer Druckspannung von größer 0,1 MPa und einer Offenzelligkeit von mindestens 90%, enthaltend einen offenzelligen flexiblen Schaumstoff, der mit einem gehärteten Tränkmittel benetzt ist, wobei der nachträglich gehärtete Schaumstoff erhältlich ist durch ein Verfahren, umfassend die Schritte A) Aufbringen eines Tränkmittels auf einen offenzelligen, flexiblen Schaumstoff, B) Ausdrücken des mit Tränkmittel benetzten flexiblen Schaumstoffs und anschließend C) Härten des Tränkmittels. und wobei das Tränkmittel ein Polyurethangießharz enthält.
  2. Nachträglich gehärteter Schaumstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der flexible Schaumstoff einen mittleren Zelldurchmesser von weniger als 300 mm aufweist.
  3. Nachträglich gehärteter Schaumstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem flexiblen Schaumstoff um einen Polyurethan-Weichschaumstoff oder Polyurethan-Halbhartschaumstoff handelt.
  4. Verfahren zur Herstellung von nachträglich gehärteten Schaumstoffen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend die Schritte A) Aufbringen eines Tränkmittels auf einen offenzelligen, flexiblen Schaumstoff, B) Ausdrücken des mit Tränkmittel benetzten flexiblen Schaumstoffs und anschließend C) Härten des Tränkmittels.
  5. Verwendung der nachträglich gehärteten Weichschaumstoffe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 als offenzelliges Kern-Stützmaterial in vakuumtechnischen Anwendungen.
  6. Verwendung der nachträglich gehärteten Weichschaumstoffe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Schallabsorption.
  7. Verwendung der nachträglich gehärteten Weichschaumstoffe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Herstellung von geformten Vakuumisolationspaneelen.
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