DE19851713A1

DE19851713A1 - Anorganischer keramikähnlicher Schaumstoff, Verfahren zu seiner Herstellung sowie seine Verwendung

Info

Publication number: DE19851713A1
Application number: DE1998151713
Authority: DE
Inventors: Helga Koehler; Gerd Rueffler; Baerbel Voigtsberger
Original assignee: Hermsdorfer Institut fuer Technische Keramik eV HITK
Current assignee: Hermsdorfer Institut fuer Technische Keramik eV HITK
Priority date: 1998-11-03
Filing date: 1998-11-03
Publication date: 2000-05-04

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein durch Stoffumwandlung unterhalb der Sintertemperatur verfestigtes, aus anorganischen Pulvern, die oberflächenreaktive Gruppen, insbesondere OH-Gruppen aufweisen oder mit solchen belegt sind und siliziumorganischen Verbindungen bestehendes Gemisch zu schäumen und die Gruppe dieser Werkstoffe in der Weise weiterzuentwickeln, daß sie selbstklebend (benetzend), Hohlräume ausfüllend und danach bis zu hohen Temperaturen stofflich und in ihrer Form stabil bleibend hergestellt werden können. DOLLAR A Diese Aufgabe wird durch einen Schaumstoff gelöst, welcher im wesentlichen aus einem keramikbildenden Pulver oder Pulvergemisch, das durch eine gegenüber diesem Pulver oder Pulvergemisch siliziumreichere Phase chemisch und mechanisch gebunden ist, besteht, eine geschlossene Porosität von über 50 Vol.-%, vorzugsweise über 80 Vol.-%, eine Dichte unter 1,2 g/cm·3· und eine irreversible Dehnung bzw. Schwindung im Bereich von 500 DEG C bis 1500 DEG C, deren Betrag unter 5% liegt, aufweist. DOLLAR A Diese Aufgabe wird auch durch ein Verfahren gelöst, bei welchem die Porosität und die Porenstruktur, ausgehend von einem pastösen, pulvrigen oder flüssigen Ausgangszustand, durch die Zersetzung von Reaktanden unter Anwesenheit in ihrer Aktivierungstemperatur auf die Zersetzungstemperatur der Reaktanden abgestimmter Aushärte-Katalysatoren für den Verfestigungsvorgang gesteuert wird. DOLLAR A Die Erfindung ist vorzugsweise zur gleichzeitigen elektrischen und thermischen ...

Description

Die Erfindung betrifft einen anorganischen keramikähnlichen Schaumstoff mit in härenter Klebkraft insbesondere für elektrische und thermische Isolierzwecke, wobei die inhärente Klebkraft zur Beschichtung von Bauteilen sowie insbesondere zur Auffüllung schwer zugänglicher und/oder kompliziert geformter Hohlräume von Nutzen ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Schaumstoffes sowie dessen Verwendung.

Es besteht ein großer Bedarf an solchen Schaumstoffen zur Wärmedämmung auch bei Temperaturen über 200°C. Chemisch härtbare Füllmassen mit einer hochpolymeren Matrix und guter Wärmedämmung sind vielfältig bekannt, wobei deren Eigenschaften durch Zumischung entsprechender aktiver bzw. reaktiver Füllstoffe in weiten Grenzen variiert werden können.

Allgemein bekannt sind wärmedämmende selbstklebende, auch funktionell gefüll te Schäume auf der Basis von Urethanen oder Epoxidharzen, wobei diese zwar gut haften aber oberhalb von etwa 250°C nicht stabil sind.

Bekannt sind auch mikroporöse Platten mit sehr guten Wärmedämmwerten und einer Temperaturbeständigkeit bis 550°C bzw. Silikatfaserplatten, die bis etwa 1000°C einsetzbar und damit auch formstabil sind (Firmendruckschrift der Fa. Techno-Physik Engineering Gmb). Nachteilig ist hierbei die Plattenform, die exakt zugeschnitten und aufgeklebt bzw. in Hohlräume eingesteckt werden muß. Bei kompliziert geformten Oberflächen oder Hohlräumen wird eine Isolation mittels dieser Materialien sehr kompliziert bis unmöglich. Gleiches gilt für Calcium- Silicat- bzw. Gasbetonteile zur Wärmedämmung.

Sehr verbreitet, vor allem zur elektrischen Isolation, auch bei hohen Temperatu ren ist der Einsatz von Silikonen, insbesondere Silikongummi (H. Reuther, Siliko ne, ihre Eigenschaften und ihre Anwendungsmöglichkeiten, Dresden 1969). Hier fehlt in aller Regel die zur Wärmedämmung erforderliche Schaumstruktur.

Bekannt sind auch Einbrennfarben auf Silikonbasis mit Aluminium- oder Zink staub, die durch Reaktion mit dem Staub auch mit einer Grundfläche aus Eisen oder Stahl bis 500°C stabile Anstriche ergeben. Ziel ist hier der Korrosionsschutz bei hohen Temperaturen und nicht die thermische Isolation (Reuther, a.a.O.).

Schließlich ist sogenannte Polymerkeramik bekannt, bei denen ein Keramikbild ner, der oberflächliche OH-Gruppen aufweist oder mit diesen beschichtet ist, zu sammen gleichartigen Fasern und einer siliziumorganischen Verbindungen bei Temperaturen bis etwa 800°C (also auf jeden Fall unter der Sintertemperatur der Keramikbildner) ausgehärtet und meist durch Polykondensation chemisch und mechanisch gebunden werden, wobei diese Polymerkeramik durch Zersetzung zugesetzter Hilfsstoffe auch geschäumt werden kann (DE 196 45 634 A1). Hier sind jedoch keine Hinweise zu entnehmen, wie diese Stoffgruppe und die Verfah ren zu ihrer Herstellung selbstklebend (benetzend), Hohlräume ausfüllend und danach bis zu hohen Temperaturen stofflich und in ihrer Form stabil bleibend ausgeführt werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Stoffgruppe zu schäumen und dabei im zuletzt genannten Sinne weiter zu entwickeln.

Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen beschriebene Erfindung gelöst.

Zu den vorteilhaften Auswirkungen der Erfindung gehört:
Ein bei entsprechender Auswahl der Hauptkomponenten im Rahmen der bean spruchten Erfindung kann ein bis 1800°C stofflich und in seiner Form stabiler Isolierschaumstoff hergestellt werden.

Funktionell modifizierte Silikonharze besitzen ein über die Molekülgrößenvertei lung des unvernetzten Ausgangsharzes leicht einstellbares Fließverhalten. Markt üblich sind bei Raumtemperatur flüssige bzw. bei geringer Erwärmung (bis ca. 60°C) schmelzende Harze, womit die Fließfähigkeit der zu entwickelnden Wärme dämmasse von kaltplastischem bis hin zu thermoplastischem Verhalten eingestellt werden kann und eine Verarbeitung des Wärmedämmaterials durch Heißpressen, Gießen und Spritzen möglich wird.

Durch die mögliche katalytisch gesteuerte Vernetzung der Silikonharze infolge Polykondensationsreaktionen ihrer funktionellen Gruppen sind eine Aushärtung bei niedrigen Temperaturen (bis maximal 200°C) und eine im Vergleich zu Kunststoffen hohe thermische Stabilität der Vernetzungsprodukte bis mindestens 500°C möglich. Bei einer Erwärmung vernetzter Silikonharze über 300°C erfolgt ein partieller pyrolytischer Abbau der organischen Bestandteile ohne Zerstörung des Silizium-Sauerstoffgerüstes und damit ohne Schädigung des Wärmedämma terials. Einer durch die Teilpyrolyse des Harzes möglichen Schwindung der Wär medämmschicht kann durch den Einsatz geeigneter Füllstoffe (z. B. Kurzfasern, Glasbildner) vorgebeugt werden.

Infolge des oberflächenaktiven Charakters der Silikonharzmoleküle und ihres Be netzungsvermögens werden ein hohes Haftungsvermögen auf verschiedenen Werkstoffoberflächen auch bei hohen Temperaturen durch die chemische Wech selwirkung der funktionellen Gruppen des Silikonharzes mit funktionellen Grup pen der Oberflächenschichten anderer Werkstoffe, insbesondere Metalle und Ke ramik erreicht.

Der erfindungsgemäße Werkstoff zeichnet sich durch eine den Kunststoffen ver gleichbare geringe Wärmeleitfähigkeit und die Möglichkeit der Verbesserung der Wärmedämmung infolge die Ausbildung hochtemperaturstabiler Schäume wäh rend des Vernetzungsvorganges aus. Zur Schaumbildung lassen sich die wäh rend der Harzvernetzung freiwerdenden gasförmigen Reaktionsprodukte (Wasserdampf, niedrigmolekulare Alkohole, Methan) oder bei der Auswahl geeig neter Füllstoffe aus diesen thermisch freisetzbares Wasser nutzen. Der z. B. zur Herstellung von Kunststoffschäumen notwendige Zusatz von organischen Treib mitteln ist hier möglich aber nicht notwendig. Die mit der Schaumbildung einher gehende Expansion der Wärmedämmasse kann gleichzeitig zur vollständigen Ausfüllung von Hohlräumen ausgenutzt werden.

Von Vorteil sind schließlich die elektrischen Isolationseigenschaften, die Nicht entflammbarkeit und die Umweltverträglichkeit. Diese Eigenschaften silikonharz basierter Wärmedämmaterialien können einen breiten Einsatz vor allem in der Elektrotechnik beim Bau kompakter Hochleistungselektromotoren für den Einsatz bei erhöhten Umgebungstemperaturen (z. B. im Automobil) ermöglichen. Massen auf der Basis von Methylsilikonharzen, deren Verwendung für die Bearbeitung des Projektes geplant ist, können problemlos deponiert bzw. als Sekundärfüllstoff fe oder als Schlackebildner bei der Metallrückgewinnung durch Schmelzen ver wertet werden.

Nachfolgend wird als Tabelle 1 eine Darstellung der Bandbreite der erfindungs gemäßen Schaumstoffe und auch wichtiger Elemente des zugehörigen Herstel lungsverfahrens aufgeführt.

Die %-Angaben sind, soweit nicht anderes angegeben ist, als Masse-% zu verste hen.

Die Treibmittel werden in Pulverform zugegeben und entfalten erfindungsgemäß ihre Wirkung im gleichen Temperaturbereich wie die zur Aushärtung zugesetzten Katalysatoren, nämlich bei 90°C bis 150°C, während die endgültige Aushärtung bei bis zu 200°C erfolgt. Da die Einsatztemperaturen der Wärmedämm- Schaumstoffes wesentlich höher liegen, ist es erfindungswesentlich, daß selbst bei den nach der Aushärtung noch stattfindenden Zersetzungsreaktionen organi scher Bestandteile bzw. Radikale eine hohe Volumenkonstanz des geformten Schaumstoffes gegeben ist. Daher ist die im beanspruchten Temperaturbereich von 500°C bis 1500°C erreichte irreversible Dehnung bzw. (mit negativem Vor zeichen) Schrumpfung angegeben.

Die erwähnten Fasern sind Wärmeisolierfasern der Fa. Rath mit einer sehr glat ten Oberfläche und einem Verhältnis der Länge zum Durchmesser von 250 : 1 bis 100 : 1.

Ein typischer Aushärte-Katalysator für diesen Anwendungsfall ist Aluminiunacetyl acetonat, welcher seine Wirkung bei 120°C bis 150°C entfaltet.

Tabelle 1

Die nachfolgende Tabelle 2 gibt konkrete Ausführungsbeispiele für die o. g. Werk stoffgruppen in einer im wesentlichen gleichen Anordnung an, gegliedert nach den jeweiligen relevanten Unteransprüchen, wobei die Dehnung/Schrumpfung für mehrere Temperaturwerte sowie die für die Anwendung wichtige Wärmeleitfähig keit zusätzlich angegeben sind:

Tabelle 2

Claims

1. Anorganischer keramikähnlicher Schaumstoff mit inhärenter Klebkraft, dadurch gekennzeichnet, daß er im wesentlichen aus einem keramikbildendem Pulver oder Pulvergemisch, das durch eine gegenüber diesem Pulver oder Pulverge misach siliziumreichere Phase chemisch und mechanisch gebunden ist, besteht, eine geschlossene Porosität von über 50 Vol.%, vorzugsweise über 80 Vol.%, ei ne Dichte unter 1,2 g/cm³ und eine irreversible Dehnung bzw. Schwindung im Be reich von 500°C bis 1500°C, deren Betrag unter 5% liegt, aufweist.

2. Schaumstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er als keramikbil dendes Pulver oder Pulvergemisch 40 bis 70 Masse-% Aluminiumoxid und/oder Siliziumdioxid; 10 bis 25 Masse-% Fasern aus diesen Stoffen, 20 bis 40 Masse-% siliziumdioxidreichere Phase und bis zu 17 Masse-% Metallpulver, vorzugsweise Aluminiumpulver enthält.

3. Schaumstoff nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulver oder Pulvergemisch überwiegend oder ausschließlich aus Siliziumdioxid besteht und der Schaumstoff eine Dichte zwischen 0,5 g/cm³ und 1,2 g/cm³, eine Porosität von 60 Vol.% bis 90 Vol.% sowie einen Betrag der Dehnung bzw. Schwindung zwi schen 1% und 5% aufweist.

4. Schaumstoff nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulver oder Pulvergemisch überwiegend oder ausschließlich aus Aluminiumoxid und der Schaumstoff eine Dichte zwischen 0,5 g/cm³ und 1,2 g/cm³, eine Porosität von 60 Vol.% bis 85 Vol.% sowie einen Betrag der Dehnung bzw. Schwindung zwischen 0,8% und 2,25% aufweist.

5. Schaumstoff nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulverge misch im wesentlichen aus Siliziumdioxid und Aluminiumoxid besteht und der Schaumstoff eine Dichte zwischen 0,5 g/cm³ und 1,2 g/cm³, eine Porosität von 50 Vol.% bis 82 Vol.% sowie einen Betrag der Dehnung bzw. Schwindung zwischen 0,6% und 2,5% aufweist.

6. Schaumstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulver oder Pulvergemisch aus Zirkonoxid, Magnesiumoxid, Titanoxid und/oder Kaolin be steht.

7. Schaumstoff nach einem der bisherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch ein gelagerte makroskopische, in wesentlichen kugelförmige, gleichfalls poröse Be reiche mit glasiger Struktur.

8. Verfahren zur Herstellung eines Schaumstoffes nach einem der bisherigen An sprüche aus:

1. einem durch Stoffumwandlung unterhalb der Sintertemperatur beteiligter kera mikbildender Pulver verfestigten, zuvor zur Ermöglichung von Festkörperreaktio nen vorverdichteten Gemisch mit
2. Pulvern, die oberflächenreaktive Gruppen, insbesondere OH-Gruppen aufwei sen oder mit solchen belegt sind,
3. siliziumorganischen Verbindungen, sowie mit
4. Porenbildnern, wie Silikonharze, und/oder durch Austreiben, Zersetzung oder Verbrennung porenbildende Hilfsstoffen,
5. wobei das Gemisch unter Anwendung in der Keramik üblicher Hilfsstoffe und Verfahren geformt wird

dadurch gekennzeichnet, daß
die Porosität und die Porenstruktur ausgehend von einem pastösen, pulvrigen oder flüssigen Ausgangszustand durch die Zersetzung von Reaktanden unter Anwesenheit in ihrer Aktivierungstemperatur auf die Zersetzungstemperatur der Reaktanden abgestimmter Aushärte-Katalysatoren für den Verfestigungsvorgang gesteuert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch wei terhin Metallpulver zur Regulierung der Porenstruktur enthält.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß endotherme Porenbildner verwendet werden.

11. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß exotherme Porenbildner verwendet werden.

12. Verfahren nach Anspruch 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Aushär te-Katalysatoren Schwermetallverbindungen eingesetzt werden.

13. Verfahren nach Anspruch 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Aushär te-Katalysatoren Aluminiumverbindungen eingesetzt werden.

14. Verwendung eines Schaumstoffes nach einem der bisherigen Ansprüche zur Auskleidung von Hochtemperaturöfen.