DE202007010344U1 - Multi-component inorganic binder and composite system - Google Patents
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Abstract
Chemisch und/oder physikalisch aushärtbares bzw. sich verfestigendes, mehrkomponentiges Bindemittel, wobei mindestens eine erste Komponente des Bindemittels vor dem Aushärten bzw. Verfestigen als anorganisches, nanofeines Pulver mit einer mittlere Partikelgröße ≦ 1 μm und eine zweite Komponente des Bindemittels als Reaktionspartner für die erste Komponente und/oder als Reaktionsbeschleuniger oder Katalysator in Form einer anorganischen oder wässrigen Flüssigkeit vorliegen, dadurch gekennzeichnet, dass als dritte Komponente ein Metallpulver mit einer mittlerer Partikelgröße 10μm vorgesehen ist, welches Weichmetalleigenschaften aufweist.chemical and / or physically curable or solidifying, multicomponent binder, wherein at least a first component of the binder before curing or Solidify as an inorganic, nanofine powder with a medium Particle size ≦ 1 microns and a second component of the binder as a reactant for the first Component and / or as a reaction accelerator or catalyst in the form of an inorganic or aqueous liquid, characterized characterized in that as a third component a metal powder with a mean particle size of 10 microns provided which has soft metal properties.
Description
Die Erfindung betrifft ein chemisch und/oder physikalisch aushärtbares bzw. sich verfestigendes, mehrkomponentiges Bindemittel, wobei mindestens eine erste Komponente des Bindemittels vor dem Aushärten bzw. Verfestigen als anorganisches, nanofeines Pulver mit einer mittlere Partikelgröße ≦ 1 μm und eine zweite Komponente des Bindemittels als Reaktionspartner für die erste Komponente und/oder als Reaktionsbeschleuniger oder Katalysator in Form einer anorganischen oder wässrigen Flüssigkeit vorliegen.The The invention relates to a chemically and / or physically curable or solidifying, multicomponent binder, wherein at least one first component of the binder before curing or solidifying as inorganic, nanofine powder with an average particle size ≦ 1 μm and a second component the binder as a reactant for the first component and / or as Reaction accelerator or catalyst in the form of an inorganic or aqueous liquid available.
Ein
derartiges Bindemittel ist bspw. aus
Man unterscheidet zwischen organischen und anorganischen Klebstoffen.you distinguishes between organic and inorganic adhesives.
Organische Klebstoffe haben eine sehr begrenzte Wärmebeständigkeit, die ihre Anwendung z.B. im Maschinenbau und im Bauwesen oft einschränkt. Sie reicht bei handelsüblichen bis hochfesten Strukturklebstoffen bis ca. 200 °C, bei den chemisch nicht eindeutig zuzuordnenden Silikon-Klebstoffen bis 330 °C und bei Polyimidklebstoffen und deren Abkömmlingen bis ca. 400 °C.organic Adhesives have a very limited heat resistance, their use e.g. in mechanical engineering and construction often restricts. It ranges from commercial up to high-strength structural adhesives up to approx. 200 ° C, but not chemically unambiguous attributable to silicone adhesives up to 330 ° C and polyimide adhesives and their descendants up to 400 ° C.
Langzeit-Temperaturbeständigkeiten von 400°C bis zu 1500°C, die zur Lösung einer Reihe von Verklebungs- und Vergussproblem in der heutigen Technik erforderlich sind, können nur mit anorganischen Bindemittel erreicht werden.Long-term temperature resistance from 400 ° C up to 1500 ° C, the solution a number of bonding and potting problems in today's technology are required can only be achieved with inorganic binder.
Anorganische Bindemittel sind schon aus der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts bekannt. Es waren insbesondere Wasserglasprodukte, die vor allem für kleinflächige, hitzebeständige und schwingungsfreie Verbindungen eingesetzt wurden. jedoch scheitert deren Anwendung, z.B. in der Gerätefertigung, oft an der Sprödigkeit, aufgrund derer sie kaum in der Lage sind, größere Dehnunterschiede zwischen den zu verbindenden Bauteilen auszugleichen und Schwingbeanspruchungen und betriebsbedingten Verformungen standzuhalten.inorganic Binders are already known from the first half of the 20th century. There were especially water glass products, especially for small-scale, heat-resistant and vibration-free connections were used. however fails their application, e.g. in device production, often at the brittleness, because of which they are barely able to have larger strain differences between compensate for the components to be joined and vibration stresses and operational deformations.
Insgesamt zeichnen sich anorganische nichtmetallische Bindemittel durch geringe Flexibilität und hohe Sprödigkeit aus. Dadurch stößt ihre Verwendbarkeit trotz positiver Eigenschaften wie Hitzebeständigkeit, Unbrennbarkeit, große Härte und chemische Beständigkeit dort an ihre Grenzen, wo es zusätzlich um Schwingfestigkeit, Wärmedehnung und einsatzbedingte Verformungen geht.All in all inorganic non-metallic binders are characterized by low Flexibility and high brittleness out. This pushes her Usability despite positive properties such as heat resistance, Incombustibility, great Hardness and Chemical resistance there to their limits, where in addition about vibration resistance, thermal expansion and operational deformations goes.
Handelsübliche anorganische Bindemittel, insbesondere Klebstoffe basieren vor allem auf Aluminiumoxid, Aluminiumsilikat, Siliziumoxid, Zirkonoxid, Zirkonphosphat, Magnesiumoxid, Magnesiumsphosphat, Kalziumoxid.Commercially available inorganic Binders, in particular adhesives, are based primarily on aluminum oxide, Aluminum silicate, silica, zirconia, zirconium phosphate, magnesia, Magnesium phosphate, calcium oxide.
Eine
Weiterentwicklung durch Verwendung nanoskaliger Komponenten, die
in die chemische Reaktion einbezogen werden, wird in
Da Klebstoffe trotz ihrer großen Bedeutung für die moderne Technik immer noch als "Hilfsstoffe" eingestuft werden, wird bis jetzt auch ihr bruchmechanisches Verhalten noch zu wenig gewürdigt. Zwar sind die Möglichkeiten der Rissfortpflanzung in Festkörpern bekannt, ebenso einige Eindämmungsversuche, jedoch existiert bis jetzt keine Lehre, welche Rissstoppmechanismen für mechanisch beanspruchte Schichten aus anorganischen Klebstoffen anzuwenden sind. Verschiedene metallische und nicht metallische Zusätze für Zemente, Keramik und anorganische Bindemittel beziehungsweise Klebstoffe sind seit längerem in Gebrauch. Sie dienen jedoch nur als Füll- und Dichtstoffe beziehungsweise für die Verbesserung der Wärme- und der elektrischen Leitfähigkeit.There Adhesives despite their large size Meaning of The modern technology is still classified as "excipients" is, until now also their fracture-mechanical behavior still too little appreciated. While are the possibilities Crack propagation in solids known, as well as some mitigation attempts, however, there is no teaching yet which crack stop mechanisms for mechanical To use claimed layers of inorganic adhesives are. Various metallic and non-metallic additives for cements, Ceramics and inorganic binders or adhesives have been for a while in use. However, they serve only as fillers and sealants or for the improvement the heat and the electrical conductivity.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgegenüber, ein mehrkomponentiges Bindemittel der eingangs beschriebenen Art vorzustellen, das eine höhere Flexibilität und einer verbesserte Festigkeit besitzt als bisherige Bindemittel. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung ein widerstandfähigeres Verbundsystem vorzuschlagen.task In contrast, the present invention is a multicomponent Present binders of the type described above, the one higher flexibility and has improved strength than previous binders. About that It is also an object of the invention a more resistant composite system propose.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass als dritte Komponente ein Metallpulver mit einer mittlerer Partikelgröße ≦ 10 μm vorgesehen ist, welches Weichmetalleigenschaften aufweist. Die Weichmetalleigenschaften des Metallpulvers müssen zumindest im Einsatzbereich der mit Hilfe des Bindemittels zu erzeugenden Verbindungsschicht gewährleistet sein. Insbesondere sind Materialien mit Brinellhärten von 3 bis 39 HB 5/31,2/15 und/oder 6 bis 78 HB 5/62,5/15 und/oder 11 bis 158 HB 5/125/15 und/oder 22 bis ca. 100 HB 2,5/62,5/15 (nach DIN 50 351) als Metallpulver für das erfindungsgemäße Bindemittel geeignet.These Task is inventively characterized solved, that as third component a metal powder with a medium Particle size ≦ 10 microns provided which has soft metal properties. The soft metal properties of the metal powder at least in the field of application to be generated by means of the binder Ensures bonding layer be. In particular, materials with Brinell hardnesses of 3 to 39 are HB 5 / 31,2 / 15 and / or 6 to 78 HB 5 / 62.5 / 15 and / or 11 to 158 HB 5/125/15 and / or 22 to about 100 HB 2.5 / 62.5 / 15 (according to DIN 50 351) as metal powder for the binder according to the invention suitable.
Bei der Verarbeitung des erfindungsgemäßen Bindemittels findet eine Vernetzung der Partikel des anorganischen, nanofeinen Pulvers der ersten Komponente statt. Die Partikel der dritten Komponente durchsetzen die gehärtete Bindemittelschicht als feinste Einlagerungen ohne dabei feste Bindungen mit den anderen Komponenten einzugehen, so dass kein durchgehärteter starrer anorganischer Polymerblock von vernetzten Partikeln der ersten Komponente, sondern ein Raumgerüst entsteht, in dem sich Metallpulvereinlagerungen mit spannungsausgleichender und dämpfender Wirkungen befinden. Diese spannungsausgleichenden und dämpfenden Wirkungen sind auf die Weichmetalleigenschaften der dritten Komponente zurückzuführen. Ein solches Gerüst weist eine höhere Flexibilität auf als ein durchgehärteter Kompaktblock, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist. Das erfindungsgemäße Bindemittel ermöglicht somit die Herstellung von flexibleren und damit widerstandsfähigeren Verbindungsschichten.When processing the binder according to the invention, crosslinking of the particles takes place of the inorganic nanofine powder of the first component. The third component particles pass through the cured binder layer as the finest deposits without forming strong bonds with the other components, resulting in a solidified rigid inorganic polymer block of crosslinked particles of the first component, rather than a space framework containing metal powder deposits with stress-balancing and damping effects are located. These stress-balancing and damping effects are due to the soft-metal properties of the third component. Such a framework has a higher flexibility than a through-hardened compact block, as known from the prior art. The binder according to the invention thus enables the production of more flexible and thus more resistant connecting layers.
Das Metallpulver der dritten Komponente liegt dabei vorzugsweise in nanofeiner Form vor und weist eine mittlere Partikelgröße ≦ 1 μm auf. Durch die Verwendung eines solchen nanofeinen Metallpulvers kann auch die abrasive Wirkung auf die Geräte bei der maschinellen Verarbeitung verringert werden.The Metal powder of the third component is preferably in nanofine shape and has an average particle size ≦ 1 micron. By the The use of such a nano-fine metal powder can also be used abrasive effect on the devices at machine processing.
Besonders vorteilhaft ist es daher wenn das Metallpulver der dritten Komponente eine mittlere Partikelgröße ≦ 700nm, vorzugsweise zwischen 100nm und 500nm aufweist.Especially It is therefore advantageous if the metal powder of the third component an average particle size ≦ 700nm, preferably between 100nm and 500nm.
Ebenso ist es von Vorteil, wenn die erste Komponente eine mittlere Partikelgröße 700nm, vorzugsweise zwischen 100nm und 500nm aufweist. Bindemittel mit derartig kleinen Pulverpartikeln lassen sich problemlos mit Hilfe von feinen Düsen auftragen.As well it is advantageous if the first component has a mean particle size of 700nm, preferably between 100nm and 500nm. Binder with Such small powder particles can be easily with the help of fine nozzles Instruct.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bindemittels enthält die dritte Komponente Zinkpulver.at a particularly preferred embodiment the binder according to the invention contains the third component zinc powder.
Zusätzlich oder stattdessen kann die dritte Komponente ein Weichmetallpulver, insbesondere Aluminium und/oder Kupfer und/oder Blei und/oder Magnesium und/oder Zinn und/oder deren duktile Legierungen mit Brinellhärten 3 bis 39 HB 5/31,2/15 und/oder 6 bis 78 HB 5/62,5/15 und/oder 11 bis 158 HB 5/125/15 und/oder 22 bis ca.100 HB 2,5/62,5/15 (nach DIN 50 351) enthalten. Diese Materialien sind Weichmetalle und eignen sich daher als dämpfende Einlagerungen in einer Verbindungsschicht.Additionally or instead, the third component may be a soft metal powder, especially aluminum and / or copper and / or lead and / or magnesium and / or tin and / or their ductile alloys with Brinell hardness 3 to 39 HB 5 / 31,2 / 15 and / or 6 to 78 HB 5 / 62.5 / 15 and / or 11 to 158 HB 5/125/15 and / or 22 up to approx. 100 HB 2.5 / 62.5 / 15 (according to DIN 50 351). These materials are soft metals and are therefore suitable as damping deposits in one Link layer.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass die dritte Komponente ein Metallpulver enthält, das beim Aushärten des Bindemittels chemisch aufschäumt. Auf diese Weise werden Hohlräume geschaffen, was wiederum zu einer gerüstartigen Struktur der vernetzten Partikeln der ersten Komponente führt. Die dabei entstehenden Hohlräume innerhalb der Verbindungsschicht wirken als Rissstopp-Punkte. Eine solche Verbindungsschicht weist gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verbindungsschichten eine höhere Flexibilität und eine geringe Dichte auf.A sees further advantageous embodiment that the third component contains a metal powder, the during curing of the binder chemically foams. In this way, cavities created, which in turn becomes a skeletal structure of networked Particles of the first component leads. The resulting cavities within the tie layer act as crack stop points. A such compound layer has over those of the prior art Known tie layers a higher flexibility and a low density.
Bei einem derartigen Bindemittel enthält die dritte Komponente vorzugsweise Lithium und/oder Natrium und/oder Kalzium.at such a binder, the third component preferably contains Lithium and / or sodium and / or calcium.
Zur Erhöhung der elektrischen und/oder Wärme-Leitfähigkeit der zu erzeugenden Verbindungsschicht kann es von Vorteil sein, wenn die dritte Komponente Edelmetallpulver, insbesondere Silberpulver enthält. Darüber hinaus kann hiermit auch die Reaktivität der dritten Komponente verringert werden.to increase the electrical and / or thermal conductivity the connection layer to be created may be advantageous if the third component is precious metal powder, in particular silver powder contains. About that In addition, the reactivity of the third component can also be reduced hereby become.
Die Erfindung betrifft auch ein Verbundsystem mit zwei über eine ausgehärtete anorganische Verbindungsschicht verbundenen Bauelementen, wobei die Verbindungsschicht mittels eines zuvor beschriebenen Bindemittels hergestellt ist.The The invention also relates to a composite system with two over one cured inorganic compound layer connected components, wherein the tie layer by means of a previously described binder is made.
Bei dem erfindungsgemäßen Verbundsystem ist die ausgehärtete Verbindungsschicht vorzugsweise in Form eines Gerüsts aus vernetzten anorganischen Nanopartikeln ausgebildet ist, wobei das Gerüst Metallpulvereinschlüsse umgibt. Das Gerüst hat eine tragende Funktion und besteht aus Partikeln der ersten Kompo nente. Die Metallpulvereinschlüsse wirken als Stützkörper für das Gerüst mechanisch dämpfend und bauen Spannungsspitzen innerhalb der Verbindungsschicht ab. Durch die Metallpulvereinschlüsse, welche als Fein- bis Nanopulvereinlagerung vorliegen, ist das Gerüst biegsam und erhöht damit die Flexibilität der Verbindungsschicht. Darüber hinaus wird die Rissbildung und -fortpflanzung gehemmt. Die Gefahr der Entstehung von Kerbspannungen durch die eingeschlossene Metallpartikel ist zumindest bei mikro- bis nanofeinen Metalleinschlüssen vernachlässigbar.at the composite system according to the invention is the cured one Connecting layer preferably in the form of a scaffold crosslinked inorganic nanoparticles is formed, wherein the framework Metal powder inclusions surrounds. The scaffolding has a supporting function and consists of particles of the first Component. The Metallpulvereinschlüsse act as a support body for the framework mechanically dampening and remove voltage spikes within the interconnect layer. Through the metal powder connections, which are present as fine to nano-platinum storage, the framework is flexible and increased thus the flexibility the connection layer. About that In addition, the cracking and propagation is inhibited. The danger the formation of notch stresses by the enclosed metal particles is negligible at least for micro- to nanofine metal inclusions.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Wärmeausdehnungskoeffizient der Metallpulvereinschlüsse größer als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials des Gerüsts ist. In diesem Fall kann durch Erhitzen der Metallpulvereinschlüsse ein Innendruck in der Verbindungsschicht aufgebaut und die Klebeverbindung, mit der die Bauteile verbundenen sind, zerstörungsfrei gelöst werden.Especially It is advantageous if the thermal expansion coefficient the metal powder connections greater than the thermal expansion coefficient of the material of the scaffold is. In this case, by heating the metal powder shells a Built internal pressure in the connecting layer and the adhesive bond, with which the components are connected to be dissolved non-destructively.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbundsystems macht der Anteil des Metallpulvers innerhalb der Verbindungsschicht mindestens 10 Gew%, vorzugsweise mindestens 30 Gew%, aus. Hierdurch wird eine deutliche Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit und der Wärmeleitfähigkeit für die verschiedensten klebetechnischen Anwendungen, z.B. für antistatische Effekte, erreicht.In a preferred embodiment of the composite system according to the invention, the proportion of the metal powder within the connecting layer is at least 10% by weight, preferably at least 30% by weight. This results in a significant improvement in electrical conductivity and thermal conductivity for a variety of adhesive technical applications, eg for antistatic effects.
Darüber hinaus ist ein Verfahren zur Herstellung einer anorganischen Verbindungsschicht in einem erfindungsgemäßen Verbundsystem mittels eines erfindungsgemäßen Bindemittels vorteilhaft, bei dem der ersten Komponente des Bindemittels vor der Anmischung mit der zweiten Komponente die dritte Komponente zugemischt wird, nach Zufügen der dritten Komponente durch Zugabe der zweiten Komponente eine chemische Vernetzung der anorganischen Nanopartikel einsetzt, wobei die anorganischen Nanopartikel beginnen, ein flexibles Raumgerüst zu bilden, und die Mischung aus erster, zweiter und dritter Komponente vor Abschluss der chemischen Vernetzung zur anorganischen Verbindungsschicht verarbeitet wird. Die Metallpulverpartikel werden dabei in den Verbund der vernet zenden Nanopartikeln der ersten Komponente des erfindungsgemäßen Bindemittels eingelagert.Furthermore is a method for producing an inorganic compound layer in a composite system according to the invention by means of a binder according to the invention advantageous in which the first component of the binder before the second component is mixed with the third component is added, after adding the third component by adding the second component chemical crosslinking of the inorganic nanoparticles is used, wherein the inorganic nanoparticles begin to form a flexible space frame and the mixture of first, second and third components Completion of the chemical crosslinking to the inorganic compound layer is processed. The metal powder particles are thereby in the composite the crosslinking nanoparticles of the first component of the binder according to the invention stored.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn durch die Metallpulvereinschlüsse Spaltprodukte, die bei der chemischen Vernetzung während des Zufügens der zweiten Komponente des Bindemittels zu der ersten und dritten Komponente entstehen, gebunden werden. Durch die Bindung der Spaltprodukte, wie z.B. H2O, wird vermieden, dass diese Spaltprodukte entweichen und somit ein Schwund innerhalb der Verbindungsschicht entsteht. Ebenso wird die Bildung von Gasblasen verhindert. Auf diese Weise wird eine definierte Dichte der Verbindungsschicht gewährleistet und das Eindringen von Fremdstoffen in die Schicht erschwert.It is particularly advantageous if cleavage products formed during chemical crosslinking during the addition of the second component of the binder to the first and third components are bound by the metal powder inclusions. By bonding the cleavage products, such as H 2 O, it is avoided that these cleavage products escape, thus creating a shrinkage within the bonding layer. Likewise, the formation of gas bubbles is prevented. In this way, a defined density of the connecting layer is ensured and the penetration of foreign substances into the layer is made more difficult.
Bei einer besonders vorteilhaften Variante des Verfahrens werden die Metallpulvereinschlüsse zur beschleunigten Aushärtung der Verbindungsschicht durch Anlegen eines elektromagnetischen Wechselfeldes erwärmt. Bei Raumtemperatur benötigt die chemische Vernetzungsreaktion zwischen 24 Stunden und mehreren Wochen, um die mechanisch-physikalischen Endwerte einer Klebung beziehungsweise eines Kompaktkörpers aus dem anorganischen Bindemittel zu erreichen. Darüber hinaus kommt es, bei konventioneller Aushärtung mit Wärmezufuhr von außen nach innen, besonders bei dickeren Schichten wegen des dabei entstehenden Temperaturgradienten und der Dehnungsdifferenz oft zu Wärmespannungen mit der Gefahr der Rissbildung. Durch eine Erwärmung der Verbindungsschicht von innen über die Metalleinschlüsse kann dies verhindert werden.at a particularly advantageous variant of the method are the Metal powder connections to accelerated curing the connection layer by applying an alternating electromagnetic field heated. Required at room temperature the chemical crosslinking reaction between 24 hours and more Weeks to the mechanical-physical end values of a bond or a compact body to reach from the inorganic binder. In addition, comes it, with conventional hardening with heat from the outside inward, especially with thicker layers due to the resulting temperature gradient and the expansion difference often leads to thermal stress with the danger the cracking. By a warming the bonding layer from the inside over the metal inclusions this can be prevented.
Hierfür werden die Metallpulvereinschlüsse vorzugsweise auf eine Temperatur zwischen 100°C und 300°C erwärmt.For this will be the metal powder shells preferably to a temperature between 100 ° C and Heated to 300 ° C.
Bei einer besonders bevorzugten Variante des Verfahrens liegen die erste und die dritte Komponente bis zu ihrer Vermischung getrennt vakuumverpackt vor. Funktionsbeeinträchtigungen, wie beispielsweise unerwünschte Agglomeration der Partikel der ersten Komponente und ihre chemische Veränderung, können damit eingeschränkt oder ganz unterbunden werden.at a particularly preferred variant of the method are the first and the third component is vacuum packed separately until mixed in front. Functional impairments such as unwanted Agglomeration of the particles of the first component and their chemical Change, can restricted or be completely stopped.
Vorteilhaft ist auch ein Verfahren zum Lösen einer mittels eines erfindungsgemäßen mehrkomponentigen Bindemittels hergestellten Klebeverbindung in einem erfindungsgemäßen Verbundsystem, wobei die Metallpulvereinschlüsse in der Klebeverbindung durch Anlegen eines elektromagnetischen Wechselfeldes so stark erhitzt werden, dass es aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen des anorganischen Raumgerüsts und der Metallpulvereinschlüsse zu mechanischen Spannungen und daraus resultierend zu einem Zerfall der Bindungen des Raumgerüsts kommt. Auf diese Weise können Klebeverbindungen bruchempfindlicher Bauteile, wie zum Beispiel aus Keramik, schadensfrei wieder gelöst werden. Dies kann z.B. für Reparaturzwecke bei der zunehmenden und bis jetzt verbindungstechnisch problematischen Verwendung von Keramik im Motorbau nützlich sein.Advantageous is also a method for solving a by means of a multicomponent according to the invention Binder produced adhesive bond in a composite system according to the invention, the metal powder shells in the adhesive bond by applying an alternating electromagnetic field be heated so much that it is due to the different thermal expansion of the inorganic space frame and the metal powder shots to mechanical stresses resulting in a decay the bindings of the space frame comes. That way you can Adhesive joints of fragile components, such as made of ceramic, to be released again without damage. This can e.g. for repair purposes in the increasing and so far connection problematic Use of ceramic in motor construction may be useful.
Hierbei werden die Metallpulvereinschlüsse vorzugsweise auf eine Temperatur zwischen 300°C und 1000°C erhitzt.in this connection For example, the metal powder shots are preferable to a temperature between 300 ° C and Heated to 1000 ° C.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.Further Advantages of the invention will become apparent from the description and the Drawing. Likewise the above-mentioned and the further listed features per se or can be used for several in any combination. The shown and described embodiments not as final enumeration but rather have exemplary character for the description the invention.
Es zeigen:It demonstrate:
Das erfindungsgemäße Bindemittel besteht aus mindestens drei Komponenten, wobei die erste Komponente ein anorganisches Feinstpulver ist, welches vorzugsweise aus Nanopartikeln besteht. Als erste Komponente eignen sich z.B. Polysilicate und Verbindungen auf Zirkonbasis. Diese Partikel der ersten Komponente können durch Zugabe einer anorganischen oder wässrigen Flüssigkeit als Reaktionspartner, Reaktionsbeschleuniger oder Katalysator (zweite Komponente) unter Freisetzung von Spaltprodukten vernetzen, was zu einer Aushärtung des Gemisches führt. Die zweite Komponente ist dabei reaktionsauslösend.The Inventive binders consists of at least three components, with the first component is an inorganic ultrafine powder, which preferably consists of nanoparticles consists. As the first component, e.g. Polysilicates and compounds based on zirconium. These particles of the first component can by Addition of an inorganic or aqueous liquid as reactant, Reaction accelerator or catalyst (second component) below Crosslink release of fission products, resulting in a hardening of the Mixture leads. The second component is reaction-triggering.
Typisch
für die
Aushärtung
von Phosphaten und Alkalisilikaten sind Kondensationsreaktionen,
die zu einer Vernetzung führen.
Als
Mischungsverhältnis
von erster Komponente (anorganisches Pulver) zu zweiter Komponente
(Härter)
werden in der Fachliteratur
Eine solche Vernetzungsreaktion führt bei den aus dem Stand der Technik bekannten Bindemitteln zu einem kompakten Polymerblock, der zum einen spröde und unflexibel ist und zum andern durch die Freisetzung der Spaltprodukte einem Schwund ausgesetzt ist. Beides macht eine durch ein solches Bindemittel hergestellte Verbindungsschicht anfällig für Rissbildung.A such crosslinking reaction leads in the known from the prior art binders to a compact polymer block, which is brittle and inflexible on the one hand and the otherwise exposed to fission by the release of the fission products is. Both make a made by such a binder Bonding layer prone to cracking.
Um einer solchen Rissbildung vorzubeugen sieht das Verfahren daher vor, dass vor der Zumischung des Härters (zweite Komponente) zu dem anorganischen Pulver (ersten Komponente) dem anorganischen Pulver eine dritte Komponente in Form eines Metallpulvers zugemischt wird. Dieses Metallpulver liegt vorzugsweise in nanofeiner Form vor und enthält kristalline Weichmetallpartikel oder Metallpartikel, welche zumindest bei niedriger Langzeitbeanspruchung und kleinen Partikelgrollen Weichmetalleigenschaften aufweist. Unter Weichmetalleigenschaften wird sowohl die leichte Umformbarkeit des Materials bei niedrigem Verarbeitungsdruck als auch die Kriech-/Fließfähigkeit des Material bei langsamer Beanspruchung (kleine Krafteinwirkung pro Zeit) verstanden. Die Brinellhärten solcher Metalle liegen im Allgemeinen bei 3 bis 39 HB 5/31,2/15 bzw. 6 bis 78 HB 5/62,5/15 bzw. 11 bis 158 HB 5/125/15 bzw. 22 bis ca.100 HB 2,5/62,5/15 (nach DIN 50 351). Die als dritte Komponente verwendbaren Materialien müssen demnach bei niedriger bzw. langsamer Beanspruchung duktil und fließfähig sein. Zink beispielsweise weist diese Eigenschaften bei niedriger Beanspruchung auf, auch wenn es bei schneller Druckeinwirkung spröde reagiert, und ist daher als dritte Komponente für das erfindungsgemäße Bindemittel geeignet. Darüber hinaus ist Zink auch im Temperaturbereich von 100°C bis 150°C weich. Schon bei Temperaturen zwischen Raumtemperatur und 100°C neigt Zink zum Kriechen (kalter Fluss), was ihm vor allem bei Partikelgrößen im Nanometerbereich einen Weichmetallcharakter verleiht.Around to prevent such cracking therefore provides the method before that before the admixture of the hardener (second component) too the inorganic powder (first component) the inorganic powder a third component is admixed in the form of a metal powder. This metal powder is preferably in nanofine form and contains crystalline Soft metal particles or metal particles, which at least at low Long-term stress and small particle rolling soft metal properties having. Among soft metal properties, both the light Formability of the material at low processing pressure as also the creep / flowability of the material at slow stress (small force per time) understood. The Brinell hardness of such metals are generally at 3 to 39 HB 5 / 31,2 / 15 or 6 to 78 HB 5 / 62,5 / 15 or 11 to 158 HB 5/125/15 or 22 to approx. 100 HB 2.5 / 62.5 / 15 (acc DIN 50 351). The materials usable as the third component have to Accordingly, at low or slow stress ductile and flowable. Zinc, for example, has these low-stress properties even if it reacts brittle when exposed to rapid pressure, and is therefore the third component of the binder according to the invention suitable. About that In addition, zinc is also soft in the temperature range of 100 ° C to 150 ° C. Even at temperatures between room temperature and 100 ° C tends zinc for creeping (cold flow), which he especially at particle sizes in the nanometer range gives a soft metal character.
Bei
dem Verfahren werden die Partikel des Metallpulvers während der
Vernetzung der anorganischen Partikel der ersten Komponente in den
Verbund der anorgani schen Partikel eingelagert, ohne Bindungen mit
diesen einzugehen. Eine auf diese Weise entstandene Verbindungsschicht
Neben
der Bildung des anorganischen Raumgerüsts
Bei der Verwendung von reaktiven Metallpulvereinschlüssen wird erreicht, dass die Metallpulverpartikel die bei der Aushärtung durch Polykondensation entstehenden Spaltprodukte, hier vor allem H2O, binden. Hierdurch kann ein Entweichen der Spaltprodukte und ein damit verbundener Materialschwund verhindert werden. Die Bildung von Anrissen durch Schwinden des Materials wird hierdurch minimiert. Darüber hinaus kann auf diese Weise Gasblasenbildung im Material eingeschränkt werden.When using reactive metal powder shots, it is achieved that the metal powder particles bind the cleavage products formed in the course of curing by polycondensation, here in particular H 2 O. In this way, an escape of the fission products and an associated loss of material can be prevented. The formation of cracks by shrinkage of the material is thereby minimized. In addition, gas bubble formation in the material can be restricted in this way.
Die Metallpulverpartikel, zum Beispiel aus Zink, können je nach vorangegangener Lagerdauer und – art mehr oder weniger Feuchte binden. Ihre Korrosion, selbst wenn es durch den Mangel an CO2 zu "Weißrostbildung" im Innern des Materialverbundes kommt, ist einmalig und für die Qualität unbeachtlich, wegen des umgebenden anorganischen Gerüsts.The metal powder particles, for example of zinc, can bind more or less moisture depending on the preceding storage period and type. Their corrosion, even if the lack of CO 2 leads to "white rust formation" in the interior of the material composite, is unique and irrelevant for the quality, because of the surrounding inorganic framework.
Alternativ
hierzu ist es jedoch auch denkbar, ein Material für die Metallpulvereinschlüsse
Durch
die Einlagerung von Metallpulverpartikeln in die erfindungsgemäße Verbindungsschicht
Die
Metallpulvereinschlüsse
Darüber hinaus
können
die Metallpulvereinschlüsse
mit der zuvor beschriebenen Technik auch so stark erhitzt werden,
dass eine Sprengung des anorganischen Polymergerüsts erfolgt, wodurch auch Klebeverbindungen
bruchempfindlicher Bauteile, wie zum Beispiel aus Keramik, schadensfrei
wieder gelöst
werden können.
Dieses behutsame Absprengen ist möglich, wenn der Wärmedehnungskoeffizient
der Metalleinschlüsse
Wird
das erfindungsgemäße Bindemittel
bei höheren
Betriebstemperaturen, beispielsweise im Bereich von 300°C bis 1000°C eingesetzt,
so gehen Weichmetalle, deren Schmelzpunkt (bei Legierungen Schmelzbereich,
beziehungsweise Eutektika) vom kristallinen in den amorphem Zustand über. Inwieweit nano-
bis mikrofeine Metallpartikeln, die ja nur aus wenigen Gitterzellen
bestehen, diesen Prinzipien folgen, ist noch nicht bekannt. Jedoch
dürften
sich solche Einschlüsse,
da sie vom anorganischen Gerüst umgeben
sind, wie metallische Gläser
(also zwar amorph, jedoch stabil) verhalten. Sind die Metallpulvereinschlüsse
Neben den für die Rissausbreitung verzögernden Eigenschaften der erfindungsgemäßen Metallpulvereinlagerungen in einem anorganischen Raumgerüst können die Metallpulvereinlagerungen auch zur optischen Angleichung anorganischer Klebstoffe bei der Verbindung von metallischen Konstruktionsteilen dienen.Next the for retarding the crack propagation Properties of the metal powder deposits according to the invention in an inorganic space frame can the metal powder deposits also for the optical alignment of inorganic Adhesives in the connection of metallic construction parts serve.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass durch der Einlagerungen von Metallpulverpartikeln und die chemische Vernetzung von anorganischen Nanopartikeln des erfindungsgemäßen Bindemittels ein flexibles Raumgerüst erzeugt wird, in dem die Metallpulvereinschlüsse mehrfunktionell, jedoch hauptsächliche spannungsausgleichend, dämpfend, rissstoppend, kondensatbindend und als Wärmekeime für eine HF-Härtung wirken. Das erfindungsgemäße Bindemittel bietet daher ein enormes Fortschrittpotenzial im Vergleich zu organischen Klebstoffen, und kann dazu beitragen, einige Hürden beim Einsatz für umfangreichere technische Anwendungen, zum Beispiel bei der Realisierung des treibstoffsparenden und dadurch umweltfreundlichen Keramik-Triebwerks in der Serienfertigung, zu überwinden. Das erfindungsgemäße Bindemittel kann dabei hauptsächlich Ausgangsstoff für Kleb- und Dichtzwecke sein.In summary let yourself notice that due to the incorporation of metal powder particles and the chemical crosslinking of inorganic nanoparticles of the inventive binder a flexible space frame in which the metal powder shunts are multifunctional, but primary stress-balancing, dampening, crack-stopping, condensate binding and as heat germs for one RF curing Act. The binder according to the invention therefore offers enormous potential for progress compared to organic ones Adhesives, and can help to overcome some hurdles when using for more extensive technical applications, for example in the realization of the fuel-efficient and thereby environmentally friendly ceramic engine in series production, to overcome. The binder according to the invention Can mainly Starting material for Adhesive and sealing purposes.
Neben der Keramik- Technologie im Triebwerksbau ist auch eine Anwendung des erfindungsgemäßen Bindemittels in der Zahnmedizin zur Verklebung von Inlays, Kronen, Brücken etc. denkbar. Hierbei sollten vorzugsweise nickelfreie und gewebeverträgliche Materialien als Komponenten des Bindemittels zum Einsatz kommen. Darüber hinaus empfiehlt es sich für die Behandlung elektrosensibler Patienten die Leitfähigkeit des Metallpulvers der dritten Komponente klein zu halten.Next Ceramic technology in engine construction is also an application the binder according to the invention in dentistry for gluing inlays, crowns, bridges etc. conceivable. This should preferably nickel-free and tissue-compatible materials used as components of the binder. Furthermore it is recommended for the treatment of electrosensitive patients the conductivity to keep the metal powder of the third component small.
- 11
- Verbindungsschichtlink layer
- 22
- Raumgerüstspace frame
- 33
- MetallpulvereinschlüsseMetal powder inclusions
- 44
- Verbundsystemintegrated system
- 5a, 5b5a, 5b
- Bauelementecomponents
- 66
- Kompaktkörpercompact
- 7a, b7a, b
- RissCrack
- FF
- Krafteinwirkungforce
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Applications Claiming Priority (2)
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Publications (1)
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP3033313A1 (en) * | 2013-08-15 | 2016-06-22 | Sika Technology AG | Air entraining agent for mineral binder compositions |
-
2007
- 2007-07-19 DE DE202007010344U patent/DE202007010344U1/en not_active Expired - Lifetime
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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EP3033313A1 (en) * | 2013-08-15 | 2016-06-22 | Sika Technology AG | Air entraining agent for mineral binder compositions |
EP3033313B1 (en) * | 2013-08-15 | 2022-05-25 | Sika Technology AG | Air-entraining agents for mineral binder compositions |
EP4053089A1 (en) * | 2013-08-15 | 2022-09-07 | Sika Technology AG | Air-entraining agents for mineral binder compositions |
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