DE19548128A1 - Faservlies-Aerogel-Verbundmaterial enthaltend mindestens ein thermoplastisches Fasermaterial, Verfahren zu seiner Herstellung, sowie seine Verwendung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verbundmaterial, das mindestens eine Lage Faservlies und Aerogel-Partikel aufweist, ein Verfahren zu seiner Herstellung sowie seine Verwendung.

Aerogele, insbesondere solche mit Porositäten über 60% und Dichten unter 0,4 g/cm³, weisen aufgrund ihrer sehr geringen Dichte, hohen Porosität und geringen Porendurchmesser eine äußerst geringe thermische Leitfähigkeit auf und finden deshalb Anwendung als Wärmeisolationsmaterialien, wie z. B. in der EP-A-0 171 722 beschrieben.

Die hohe Porosität führt aber auch zu einer geringen mechanischen Stabilität sowohl des Gels, aus dem das Aerogel getrocknet wird, als auch des getrockneten Aerogels selbst.

Aerogele im weiteren Sinn, d. h. im Sinne von "Gel mit Luft als Dispersionsmittel", werden durch Trocknung eines geeigneten Gels hergestellt. Unter den Begriff "Aerogel" in diesem Sinne, fallen Aerogele im engeren Sinne, Xerogele und Kryogele. Dabei wird ein getrocknetes Gel als Aerogel im engeren Sinn bezeichnet, wenn die Flüssigkeit des Gels bei Temperaturen oberhalb der kritischen Temperatur und ausgehend von Drücken oberhalb des kritischen Druckes entfernt wird. Wird die Flüssigkeit des Gels dagegen unterkritisch, beispielsweise unter Bildung einer Flüssig-Dampf-Grenzphase entfernt, dann bezeichnet man das entstandene Gel als Xerogel. Es ist anzumerken, daß es sich bei den erfindungsgemäßen Gelen um Aerogele, im Sinne von Gel mit Luft als Dispersionsmittel handelt.

Der Formgebungsprozeß des Aerogels wird während des Sol-Gel-Übergangs abgeschlossen. Nach Ausbildung der festen Gelstruktur kann die äußere Form nur noch durch Zerkleinerung, beispielsweise Mahlen, verändert werden, für eine andere Form der Bearbeitung ist das Material zu brüchig.

Für viele Anwendungen ist es jedoch notwendig, die Aerogele in Gestalt bestimmter Formkörper einzusetzen. Im Prinzip ist die Herstellung von Formkörpern schon während der Gelherstellung möglich. Jedoch würde der während der Herstellung typischerweise notwendige, diffusionsbestimmte Austausch von Lösemitteln (bzgl. Aerogele: s. z. B. US-A 4,610,863, EP-A 0 396 076, bzgl. Aerogelverbundmaterialien: s. z. B. WO 93/06044) und die ebenfalls diffusionsbestimmte Trocknung zu unwirtschaftlich langen Produktionszeiten führen. Daher ist es sinnvoll, im Anschluß an die Aerogel- Herstellung, also nach der Trocknung, einen Formgebungsschritt durchzuführen, ohne daß eine wesentliche Änderung der inneren Struktur des Aerogels im Hinblick auf die Anwendung stattfindet.

Für viele Anwendungen, z. B. zur Isolierung von gewölbten oder unregelmäßig geformten Flächen, sind flexible Platten bzw. Matten aus einem Dämmstoff notwendig.

In der DE-A 33 46 180 werden biegefeste Platten aus Preßkörpern auf der Basis von aus der Flammpyrolyse gewonnenem Kieselsäureaerogel in Verbindung mit einer Verstärkung durch mineralische Langfasern beschrieben. Bei diesem aus der Flammpyrolyse gewonnenem Kieselsäureaerogel handelt es sich jedoch nicht um ein Aerogel im obigen Sinne, da es nicht durch Trocknung eines Gels hergestellt wird und damit eine gänzlich andere Porenstruktur aufweist; daher ist es mechanisch stabiler und kann daher ohne Zerstörung der Mikrostruktur gepreßt werden, weist aber eine höhere Wärmeleitfähigkeit als typische Aerogele im obigen Sinne auf. Die Oberfläche solcher Preßkörper ist sehr empfindlich und muß daher etwa durch Einsatz eines Binders an der Oberfläche gehärtet oder durch Kaschierung mit einer Folie geschützt werden. Weiter ist der entstehende Preßkörper nicht kompressibel.

Weiter wird in der deutschen Patentanmeldung P 44 18 843.9 eine Matte aus einem faserverstärkten Xerogel beschrieben. Diese Matten weisen zwar durch den sehr hohen Aerogelanteil eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit auf, doch sind für ihre Herstellung auf Grund der oben beschriebenen Diffusionsprobleme relativ lange Herstellungszeiten notwendig. Insbesondere ist die Herstellung dickerer Matten nur durch Kombination mehrerer dünner Matten sinnvoll möglich und erfordert damit zusätzlichen Aufwand.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verbundmaterial auf der Basis von Aerogel-Granulat bereitzustellen, das eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist, das mechanisch stabil ist und die einfache Herstellung von Matten oder Platten erlaubt.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verbundmaterial, das mindestens eine Lage Faservlies und Aerogel-Partikel aufweist, das dadurch gekennzeichnet ist, daß das Faservlies mindestens ein thermoplastisches Fasermaterial enthält, mit dem die Aerogel-Partikel und durch das die Fasern im Vlies untereinander verbunden sind, derart, daß diese thermoplastischen Fasern an der Oberfläche angeschmolzen wurden und dann bei Abkühlung zu einer Verbindung von Fasern untereinander als auch mit den Aerogelpartikeln führen. Diese thermische Verfestigung sorgt für ein stabiles Vlies und für eine Bindung der Aerogelpartikel an die Faser.

Bei den thermoplastischen Fasern, im folgenden erstes Fasermaterial genannt, handelt es sich um Fasern aus einem organischen thermoplastischen Material, wie z. B. Polyolefinfasern, Polyamidfasern oder vorzugsweise Polyesterfasern. Die Fasern können runde, trilobale, pentalobale, oktalobale, bändchen-, tannenbaum-, hantel- oder andere sternförmige Profile aufweisen. Ebenso können Hohlfasern verwendet werden. Das erste Fasermaterial kann glatt oder gekräuselt sein.

Zusätzlich kann das Faservlies noch mindestens ein weiteres Fasermaterial enthalten, das bei der thermischen Verfestigung mit den ersten Fasern aus thermoplastischem Material verbunden wird.

Dazu darf der Schmelzpunkt des Materials dieser Fasern nicht unter der Temperatur liegen, bei der das Vlies thermisch verfestigt wird. Bei den Fasern kann es sich sowohl um anorganische Fasern, wie z. B. Mineral- oder Glasfasern, als auch um organische Fasern, wie z. B. Polyolefin-, Polyamid- oder Polyesterfasern, oder Mischungen derselben handeln. Vorzugsweise bestehen die weiteren Fasern aus dem gleichen Material wie die ersten Fasern, weisen jedoch ein anderes Profil, einen anderen Durchmesser, eine andere Kräuselung und/oder einen anderen Verstreckungsgrad auf.

Zur Reduktion des Strahlungsbeitrages zur Wärmeleitfähigkeit können die im Vlies enthaltenen Fasern mit einem IR-Trübungsmittel wie z. B. Ruß, Titandioxid, Eisenoxiden, oder Zirkondioxid oder Mischungen derselben geschwärzt sein. Zur Farbgebung können die Fasern auch gefärbt sein.

Der Durchmesser der im Verbundstoff verwendeten Fasern sollte vorzugsweise kleiner als der mittlere Durchmesser der Aerogel-Partikel sein, um einen hohen Anteil Aerogel im Faservlies binden zu können. Durch Wahl von sehr dünnen Faserdurchmessern lassen sich Matten herstellen, die sehr flexibel sind, während dickere Fasern durch ihre größere Biegesteifigkeit zu voluminöseren und starreren Matten führen.

Der Titer der Fasern sollte vorzugsweise zwischen 0,8 und 40 dtex liegen.

Es können auch Mischungen von Fasern aus verschiedenen Materialien, mit verschiedenen Profilen und/oder verschiedenen Titern verwendet werden. So führt eine Zumischung von dickeren Fasern zu einer größeren Biegesteifigkeit.

Um einerseits eine gute Verfestigung des Vlieses zu erreichen, andererseits eine gute Haftung des Aerogelgranulates sollte der Gewichtsanteil an erstem, thermoplastischem Fasermaterial zwischen 10 und 100 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 40 und 100 Gew.-%, bezogen auf den Gesamtfaseranteil, liegen.

Der Volumenanteil des Aerogels im Verbundmaterial sollte möglichst hoch, mindestens 40%, bevorzugt über 60% sein. Um noch mechanische Stabilität des Verbundstoffes zu erreichen sollte der Anteil jedoch nicht über 95%, vorzugsweise nicht über 90% liegen.

Geeignete Aerogele für die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen sind solche auf der Basis von Metalloxiden, die für die Sol-Gel-Technik geeignet sind (C.J. Brinker, G.W. Scherer, Sol-Gel-Science, 1990, Kap. 2 und 3), wie beispielsweise Si- oder Al-Verbindungen oder solche auf der Basis organischer Stoffe, die für die Sol-Gel-Technik geeignet sind, wie Melaminformaldehydkondensate (US-A-5 086 085) oder Resorcinformaldehydkondensate (US-A-4 873 218). Sie können auch auf Mischungen der obengenannten Materialien basieren. Bevorzugt verwendet werden Aerogele, enthaltend Si-Verbindungen, insbesondere SiO₂-Aerogele und ganz besonders bevorzugt SiO₂-Xerogele. Zur Reduktion des Strahlungsbeitrags der Wärmeleitfähigkeit kann das Aerogel IR-Trübungsmittel, wie z. B. Ruß, Titandioxid, Eisenoxide, Zirkondioxid oder Mischungen derselben enthalten.

Darüber hinaus gilt, daß die thermische Leitfähigkeit der Aerogele mit zunehmender Porosität und abnehmender Dichte abnimmt. Aus diesem Grund sind Aerogele mit Porositäten über 60% und Dichten unter 0,4 g/cm³ bevorzugt.

Die Wärmeleitfähigkeit des Aerogelgranulats sollte weniger als 40 mW/mK, vorzugsweise weniger als 25 mW/mK, betragen.

In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Aerogel-Partikel hydrophobe Oberflächengruppen auf. Um einen späteren Kollaps der Aerogele durch Kondensation von Feuchtigkeit in den Poren zu vermeiden, ist es nämlich vorteilhaft, wenn auf der inneren Oberfläche der Aerogele hydrophobe Gruppen kovalent vorhanden sind, die unter Wassereinwirkung nicht abgespalten werden. Bevorzugte Gruppen zur dauerhaften Hydrophobisierung sind trisubstituierte Silylgruppen der allgemeinen Formel -Si(R)₃, besonders bevorzugt Trialkyl- und/oder Triarylsilylgruppen, wobei jedes R unabhängig ein nicht reaktiver, organischer Rest wie C₁-C₁₈ -Alkyl oder C₆-C₁₄-Aryl, vorzugsweise C₁-C₆-Alkyl oder Phenyl, insbesondere Methyl, Ethyl, Cyclohexyl oder Phenyl ist, der zusätzlich noch mit funktionellen Gruppen substituiert sein kann. Besonders vorteilhaft zur dauerhaften Hydrophobisierung des Aerogels ist die Verwendung von Trimethylsilylgruppen. Die Einbringung dieser Gruppen kann, wie in der WO 94/25149 beschrieben, erfolgen oder durch Gasphasenreaktion zwischen dem Aerogel und beispielsweise einem aktivierten Trialkylsilanderivat, wie z. B. einem Chlortrialkylsilan oder einem Hexaalkyldisilazan (vergleiche R. Iler, The Chemistry of Silica, Wiley & Sons, 1979), geschehen.

Die Größe der Körner richtet sich nach der Anwendung des Materials. Um jedoch einen hohen Anteil von Aerogelgranulat binden zu können, sollten die Partikel größer als die Faserdurchmesser, vorzugsweise größer als 30 µm sein. Um eine hohe Stabilität zu erreichen sollte das Granulat nicht zu grobkörnig sein, vorzugsweise sollten die Körner kleiner als 2 cm sein.

Zur Erreichung hoher Aerogel-Volumenanteile kann vorzugsweise Granulat mit einer bimodalen Korngrößenverteilung verwendet werden. Weiter können auch andere geeignete Verteilungen Verwendung finden.

Die Brandklasse des Verbundmaterials wird durch die Brandklasse des Aerogels und der Fasern bestimmt. Um eine möglichst günstige Brandklasse des Verbundmaterials zu erhalten, sollten schwerentflammbare Fasertypen, wie z. B. TREVIRA CS®, verwendet werden.

Besteht das Verbundmaterial nur aus dem Faservlies, das die Aerogel-Partikel enthält, kann bei mechanischer Beanspruchung des Verbundmaterials Aerogelgranulat brechen oder sich von der Faser lösen, so daß Bruchstücke aus dem Vlies herausfallen können.

Für bestimmte Anwendungen ist es daher vorteilhaft, wenn das Faservlies auf einer oder beiden Seiten mit jeweils mindestens einer Deckschicht versehen ist, wobei die Deckschichten gleich oder verschieden sein können. Die Deckschichten können beispielsweise bei der thermischen Verfestigung über die thermoplastischen Fasern mittels eines anderen Klebers verklebt werden, wobei die Deckschicht z. B. eine Kunststoffolie, vorzugsweise eine Metallfolie oder eine metallisierte Kunststoffolie sein kann. Ferner kann die jeweilige Deckschicht selbst aus mehreren Schichten bestehen.

Bevorzugt ist ein Faservlies-Aerogel-Verbundmaterial in Form von Matten oder Platten, das ein aerogelhaltiges Faservlies als Mittelschicht und auf beiden Seiten jeweils eine Deckschicht aufweist, wobei mindestens eine der Deckschichten Vlieslagen aus feinen thermoplastischen Fasern enthält, und die einzelnen Faserschichten in sich und untereinander thermisch verfestigt sind. Die Deckschicht kann auch Bikomponentenfasern enthalten. Bikomponentenfasern sind Chemiefasern aus zwei festverbundenen Polymeren von unterschiedlichem chemischen und/oder physikalischem Aufbau, die Bereiche mit unterschiedlichen Schmelzpunkten, d. h. nieder- und höherschmelzende Bereiche aufweisen. Typischerweise weisen diese Fasern eine Kern-Mantel-Struktur, bei der die niedrigschmelzende Komponente den Mantel bildet, oder eine Side-by-side-Struktur auf.

Zur Auswahl der Fasern der Deckschicht gilt das gleiche wie für die Fasern des Faservlies, in das die Aerogel-Partikel eingebunden sind.

Um eine möglichst dichte Deckschicht zu erhalten, sollten jedoch die Fasern Durchmesser kleiner als 30 µm, vorzugsweise kleiner als 15 µm, besitzen.

Um eine größere Stabilität oder Dichte der Oberflächenlagen zu erzielen, können die Vlieslagen der Deckschichten vernadelt sein.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Verbundmaterials bereitzustellen.

Das erfindungsgemäße Verbundmaterial kann z. B. nach folgendem Verfahren hergestellt werden:
Zur Herstellung des Faservlieses werden Stapelfasern in Form handelsüblicher Karden oder Krempeln eingesetzt. Während das Vlies nach den dem Fachmann geläufigen Verfahren gelegt wird, wird das Aerogelgranulat eingestreut. Beim Einbringen des Aerogelgranulates in den Faserverbund ist auf eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Granulatkörner zu achten. Dies wird durch handelsübliche Streuvorrichtungen erreicht.

Bei Einsatz von Deckschichten kann auf einer Deckschicht das Faservlies unter Einstreuen des Aerogels gelegt werden, nach Beendigung dieses Vorgangs wird die obere Deckschicht aufgebracht.

Werden Deckschichten aus feinerem Fasermaterial verwendet, wird zunächst die untere Deckschicht aus feinen Fasern und/oder Bikomponentenfasern nach bekannten Verfahren gelegt und ggf. vernadelt. Darauf wird, wie oben geschildert, der aerogelhaltige Faserverbund aufgebracht. Für eine weitere, obere Deckschicht kann, wie für die untere Deckschicht, aus feinen Fasern und/oder Bikomponenten-fasern eine Schicht gelegt und ggf. vernadelt werden.

Der resultierende Faserverbund wird ggf. unter Druck bei Temperaturen oberhalb der Schmelztemperatur des Fasermaterials mit der niedrigsten Schmelztemperatur thermisch verfestigt. Der Druck liegt zwischen Normaldruck und der Druckfestigkeit des verwendeten Aerogels. Die Dauer der Temperatureinwirkung ist dabei so kurz zu wählen, daß die Fasern nur oberflächlich anschmelzen.

Die ganzen Verarbeitungsvorgänge können bevorzugt kontinuierlich auf dem Fachmann bekannten Anlagen hergestellt werden.

Die erfindungsgemäßen Platten und Matten eignen sich auf Grund ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit als Wärmeisolationsmaterial.

Daneben können die erfindungsgemäßen Platten und Matten als Schallabsorptionsmaterialien direkt oder in Form von Resonanzabsorbern verwendet werden, da sie eine geringe Schallgeschwindigkeit und, verglichen mit monolithischen Aerogelen, eine höhere Schalldämpfung aufweisen. Zusätzlich zu der Dämpfung des Aerogelmaterials tritt nämlich je nach Permeabilität des Faservlieses eine zusätzliche Dämpfung durch Luftreibung zwischen den Poren im Vliesmaterial auf. Die Permeabilität des Faservlieses kann durch Veränderung des Faserdurchmessers, der Vliesdichte und der Korngröße der Aerogel-Partikel beeinflußt werden. Enthält das Vlies noch Deckschichten, so sollten diese Deckschichten ein Eindringen des Schalls in das Vlies erlauben und nicht zu einer weitgehenden Reflexion des Schalls führen.

Die erfindungsgemäßen Platten und Matten eignen sich weiterhin auf Grund der Porosität des Vlieses und besonders der großen Porosität und spezifischen Oberfläche des Aerogels auch als Adsorptionsmaterialien für Flüssigkeiten, Dämpfe und Gase. Dabei kann durch Modifikation der Aerogel-Oberfläche eine spezifische Adsorption erzielt werden.

Claims (13)

1. Verbundmaterial, das mindestens eine Lage Faservlies und Aerogel- Partikel aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Faservlies mindestens ein thermoplastisches Fasermaterial enthält, mit dem die Aerogel Partikel und durch das die Fasern im Vlies untereinander verbunden sind.

2. Verbundmaterial gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Faservlies zusätzlich mindestens ein weiteres Fasermaterial enthält.

3. Verbundmaterial gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Titer des thermoplastischen Fasermaterials im Bereich von 0,8 bis 40 dtex liegt.

4. Verbundmaterial gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der Aerogel-Partikel im Verbundmaterial mindestens 40 Vol.-% beträgt.

5. Verbundmaterial gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Aerogel ein SiO₂-Aerogel ist.

6. Verbundmaterial gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das thermoplastische Fasermaterial und/oder die Aerogel-Partikel mindestens ein IR-Trübungsmittel enthalten.

7. Verbundmaterial gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Aerogel-Partikel Porositäten über 60%, Dichten unter 0,4 g/cm³ und Wärmeleitfähigkeiten von weniger als 40 mW/mK, vorzugsweise weniger als 25 mW/mK, aufweisen.

8. Verbundmaterial gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Aerogel-Partikel hydrophobe Oberflächengruppen aufweisen.

9. Verbundmaterial gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Faservlies auf einer oder beiden Seiten mit jeweils mindestens einer Deckschicht versehen ist, wobei die Deckschichten gleich oder verschieden sein können.

10. Verbundmaterial gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschichten Kunststoffolien, Metallfolien, metallisierte Kunststoffolien oder vorzugsweise Vlieslagen aus feinen einfachen Fasern und/oder feinen Bikomponenten-Fasern, enthalten.

11. Verbundmaterial gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10 in Form einer Platte oder Matte.

12. Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man in ein Faservlies, das mindestens ein thermoplastisches Fasermaterial enthält, die Aerogel-Partikel einstreut und den resultierenden Faserverbund gegebenenfalls unter Druck bei Temperaturen oberhalb der niedrigsten Schmelztemperatur thermisch verfestigt.

13. Verwendung eines Verbundmaterials gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Wärmedämmung, zur Schalldämpfung und/oder als Adsorptionsmaterial für Gase, Dämpfe und Flüssigkeiten.