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Die vorliegende Erfindung betrifft pastöse streichfähige Dispersionen aus wässrigen Polymerdispersionen und Aerogelgranulaten, welche insbesondere als Coating-Material genutzt oder in Formen gegossen werden können. Insbesondere betrifft die Erfindung Dispersionen, die durch Mischung einer wässrigen Polymerdispersion mit einem Aerogelgranulat erhältlich sind. Insbesondere betrifft die Erfindung ein flexibles Ethylen-Vinylacetat-Silika-Aerogel-Komposit, welches als Coating-Material genutzt, aber auch in Formen gegossen werden kann.
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Ethylen-Vinylacetat-Copolymere (EVA) sind das Produkt einer Copolymerisation von Ethylen und Vinylacetat. EVA zeichnet sich durch eine hohe Wärmebeständigkeit sowie eine gute Alterungsbeständigkeit aus. Häufig ist EVA als Dispersion erhältlich. Nach Applikation einer Dispersion auf beispielsweise ein Trägermaterialien erfolgt die Aushärtung durch einfaches Abdampfen beziehungsweise Ausheizen des Dispergiermediums (meist Wasser), wobei durch Verringerung der Abstände enthaltender EVA-Sphären ein Film erhalten werden kann. EVA findet häufig aufgrund eines hohen Tackiness-Index Anwendung als Klebstoff-Komponente (beispielweise Hotmelt), kann jedoch auch als Schaumstoff für Trainings- und Outdoor-Schlafmatten eingesetzt werden. Klassisch werden EVA-Produkte nicht für den Einsatz als Wärmedämmstoff herangezogen, sondern vielmehr zur Schalldämmung eingesetzt.
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Klassische Wärmedämmmaterialien wie XPS, EPS, PUR-Schäume oder anorganische Fasern werden regelmäßig für den Außeneinsatz verwendet. Klassische Wärmedämmmaterialien, wie oben beschrieben, besitzen eine Wärmeleitfähigkeit zwischen 0,020 bis 0,040 W/(m·K) sind jedoch unter anderem entflammbar. Tabelle 1: Wärmeleitfähigkeiten und Brennbarkeitsklassen von verschiedenen Dämmmaterialien
| Dämmstoff | Wärmeleitfähigkeit λ [W/(m·K)] | Baustoffklasse (Brennbarkeitsklasse) |
| Silika-Aerogel (hydrophiles Silika-Aerogel) | ab 0,013 | B1 - schwer entflammbar (A1 - nicht brennbar) |
| EPS/EPS - Polystyrol Partikelschaum | 0,032 - 0,040 | B1 - schwer entflammbar |
| PUR Polyurethan | 0,020 - 0,030 | B1 - schwer enttlammbar B2 - normal entflammbar |
| Icynene Schaumstoff | 0,038 | B1 - schwer entflammbar |
| Polyester | 0,034 - 0,045 | B1 - schwer entflammbar B2 - normal entflammbar |
| Perlite | 0,040 - 0,070 | A1 - nicht brennbar B2 - normal entflammbar |
| Holzwolle Leichtbauplatten | 0,040 - 0,090 | B1 - schwer entflammbar |
| Glaswolle | 0,035 - 0,045 | A2 - nicht brennbar |
| Steinwolle | 0,035 - 0,045 | A1 - nicht brennbar |
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Aerogele sind hochporöse Festkörper, bei denen bis zu 99,98 % des Volumens aus Poren bestehen. Es gibt verschiedene Arten von Aerogelen, wobei solche auf Silikatbasis am verbreitetsten sind. Andere Materialien, beispielsweise auf Kunststoff- oder Kohlenstoffbasis, kommen in Spezialfällen zur Anwendung. Grundsätzlich können alle Metalloxide, Polymere und einige andere Stoffe als Ausgangsbasis für die Aerogelsynthese mittels eines Sol-Gel-Prozesses verwendet werden. Die Wärmeleitfähigkeit in Luft bei 300 Kelvin ist mit 0,017 bis 0,021 W/(m·K) und einem typischen Wert von 0,02 W/(m·K) außerordentlich gering, was den Aerogelen eine hohe Temperaturstabilität auch unter extremen Bedingungen verleiht und sie zu den bisher besten Wärmedämmstoffen macht.
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Die zuvor beschriebenen Materialien, wie reines Ethylen-Vinylacetat-Copolymer (EVA), Polystyrol, EPS, XPS oder anorganische Fasern weisen den Nachteil vergleichsweise hoher Wärmeleitfähigkeiten auf. Niedrigere Wärmeleitfähigkeiten ließen sich durch Aerogele erzielen, wobei diese ihrerseits lange Herstellungszeiten, eine vergleichsweise geringere mechanische Belastbarkeit, Verarbeitbarkeit und Applizierbarkeit aufweisen.
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Mumin et al. (Journal of Polymer Science, Part B: Polymer Physics 2014, 52, 927-935) beschreiben Komposite aus Silika-Aerogelen und Ethylen-Vinylacetat-Copolymer, die durch Schmelzmischen erhalten werden, wobei das EVA-Copolymer aufgeschmolzen und ein Aerogelgranulat eingerührt wird. Die Wärmeleitfähigkeiten liegen in der Größenordnung von 0,100 bis 0,125 W/(m·K) und lassen sich ab Aerogelgehalten von 2 Gew.-% durch Erhöhung des Aerogelgehalts nicht weiter senken.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabenstellung zugrunde, die zuvor genannten Nachteile von Wärmedammmaterialien aus dem Stand der Technik zu vermeiden und insbesondere Wärmedämmungen bereitzustellen, die sich durch besonders niedrige Wärmeleitfähigkeiten, günstige Herstellungszeiten, eine hohe mechanische Belastbarkeit sowie eine gute Verarbeitbarkeit beziehungsweise Applizierbarkeit auszeichnen. Insbesondere sollen Möglichkeiten bereitgestellt werden, auf EVA-Dispersion basierende Schichten und Platten durch Additivierung mit beispielsweise Silika-Aerogelen für den Einsatz von Wärmedämmungen zu veredeln.
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In einer ersten Ausführungsform wird diese erfindungsgemäße Aufgabenstellung gelöst durch eine pastöse streichfähige Dispersion, umfassend eine wässrige Polymerdispersion und ein hydrophobiertes Aerogelgranulat, wobei die wässrige Polymerdispersion ausgewählt ist aus organischen filmbildenden Polymeren und das Aerogelgranulat in einer Menge von 5 bis 80 Vol.-% enthalten ist.
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Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass das erfindungsgemäße Dispergieren eines hydrophobierten Aerogelgranulats in einer pastösen streichfähigen wässrigen Polymerdispersion den Zugang zu Wärmedammmaterialien ermöglicht, mit denen die zuvor genannten Nachteile aus dem Stand der Technik überwunden werden können. Insbesondere kann das Erfindungsprodukt Wärmeleitfähigkeiten in der Größenordnung zwischen 0,019 bis 0,025 W/(m·K) besitzen, gegebenenfalls auch darunter, und ist zudem weiterhin schwer entflammbar.
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Klassische Wärmedämmmaterialien wie XPS, EPS, PUR-Schäume oder anorganische Fasern werden für den Außeneinsatz hergenommen, während die vorliegende Erfindung auch für den Inneneinsatz gedacht ist.
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Pastös und streichfähig im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeuten, dass die erfindungsgemäße Dispersion ohne Schwierigkeiten in Formen gegossen oder auch durch Streichen oder Rakeln oder dergleichen auf einem Trägermaterial, wie beispielsweise einer Folie, aufgebracht werden kann. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Dispersion aufgrund ihrer Flexibilität prinzipiell auf beliebigen Trägermaterial mit nahezu beliebiger Form aufgebracht werden.
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Unter einer Dispersion im Sinne der vorliegenden Erfindung werden mehrphasige Mischungen verstanden, wobei ein oder mehrere Feststoffe in einer flüssigen Phase fein verteilt sind, ohne in dieser gelöst zu sein.
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Die erfindungsgemäße Dispersion weist in einer bevorzugten Ausführungsform eine Viskosität in einem Bereich von 0,01 bis 100.000 Pa·s auf. Besonders bevorzugt ist eine Viskosität in einem Bereich von 1.000 bis 10.000 Pa·s, insbesondere 2.000 bis 5.000 Pa·s. Wenn die erfindungsgemäße Dispersion eine Viskosität in diesem Bereich aufweist, zeichnet sie sich durch eine besonders gute Verarbeitbarkeit und Applizierbarkeit aus. Der Gehalt an Aerogelgranulat und die Menge an Wasser in der Dispersion können so gewählt werden, dass sich eine gewünschte Viskosität einstellt. Die Viskosität ist abhängig vom beabsichtigten Einsatzzweck der erfindungsgemäßen Dispersion. Soll die Dispersion in eine bestimmte Form gegossen werden, eignet sich eine niedrigere Viskosität. Das Streichen und/oder Rakeln als Beschichtungsfilm kann demgegenüber gegebenenfalls durch eine höhere Viskosität erleichtert werden.
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Die wässrige Polymerdispersion ist erfindungsgemäß ausgewählt aus organischen filmbildenden Polymeren. Die wässrige Polymerdispersion umfasst damit organische filmbildende Polymere, die in Wasser dispergiert sind, beziehungsweise kann aus Wasser und den filmbildenden Polymeren bestehen. Filmbildende Polymere sind im Sinne der vorliegenden Erfindung solche Polymere, die in einem Beschichtungsstoff für das Zustandekommen eines zusammenhängenden Films sorgen. Die filmbildenden Polymere entfalten ihre Wirksamkeit, wenn die erfindungsgemäße Dispersion durch Trocknung zu Wärmedämmmaterialien weiterverarbeitet wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind die organischen filmbildenden Polymere ausgewählt aus der Gruppe der Film- und Lackbildner, beispielsweise aus Ethylen-Vinylacetat-Copolymer (EVA), Polyvinylpyrrolidon (PVP), Polyvinylacetat (PVA), Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylenglykol (PEG) und Silikone.
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Besonders bevorzugt umfassen die organischen filmbildenden Polymere Ethylen-Vinylacetat-Copolymer (EVA-Copolymer) oder bestehen daraus. In der vorliegenden Erfindung kann jedes geeignete Ethylen-Vinylacetat-Copolymer (EVA-Copolymer) eingesetzt werden. Insbesondere kann ein EVA-Copolymer mit einem Gehalt von Vinylacetat in einem Bereich von 10 bis 90% eingesetzt werden. Besonders bevorzugt ist ein Gehalt an Vinylacetat in einem Bereich von 30 bis 90%, ganz besonders bevorzugt 50 bis 90%. Insbesondere kann der Gehalt an Vinylacetat bei 70% liegen.
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Neben organischen filmbildenden Polymeren enthält die wässrige Polymerdispersion Wasser als Dispergiermittel. Der Wassergehalt der Polymerdispersion liegt vorzugsweise in einem Bereich von 5 bis 40 Gew.-%. Besonders bevorzugt sind Polymerdispersionen mit einem Wassergehalt in einem Bereich von 10 bis 35 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt in einem Bereich von 15 bis 30 Gew.-%.
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Die erfindungsgemäße Dispersion kann nach dem Dispergieren des Aerogelgranulats einen abweichenden Wassergehalt aufweisen. Insbesondere kann die Dispersion durch Zugabe von Wasser zur Einstellung der Viskosität in ihrem Wassergehalt verändert werden. Der Wassergehalt der erfindungsgemäßen Dispersion liegt vorzugsweise in einem Bereich von 50 bis 75 Gew.-%, besonders bevorzugt 55 bis 70 Gew.-%, insbesondere 60 bis 65 Gew.-%. Ein Wassergehalt von 65 Gew.-% entspricht aufgrund der geringen Dichte des Aerogelgranulats ungefähr einem Wassergehalt von 18 Vol.-%.
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Die erfindungsgemäße Dispersion enthält weiterhin ein hydrophobiertes Aerogelgranulat, das in der erfindungsgemäßen Dispersion dispergiert ist. Erfindungsgemäß ist Aerogelgranulat in einer Menge von 5 bis 80 Vol.-% enthalten. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Gehalt an Aerogelgranulat 50 bis 80 Vol.-%, besonders bevorzugt 70 bis 80 Vol.-%.
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Als Aerogelgranulat kann grundsätzlich jedes im Stand der Technik bekannte Aerogelgranulat eingesetzt werden, welches eine hydrophobe oder hydrophobierte Oberfläche aufweist. Eine hydrophobe oder hydrophobierte Oberfläche im Sinne der vorliegenden Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass bei Kontakt mit der wässrigen Dispersion die nanoporöse Struktur der Aerogele erhalten bleibt. Insbesondere nehmen die Aerogele im Prozess keine nennenswerten Mengen an Wasser auf. Als Aerogel können insbesondere organische oder anorganische Aerogele, wie beispielsweise aus Silica, Aluminiumoxid, Sililziumoxicarbid, Silizium-Aluminiummischoxid, Polyurethanen, Polyimiden, Polyamiden, Polyurethan/Polyacrylaten, Resorcin-Formaldehyd oder Kohlenstoff, eingesetzt werden. Besonders bevorzugt umfasst das Aerogelgranulat Silika-Aerogele, Al/Si-Mischoxid-Aerogele oder besteht aus diesen.
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Das Aerogelgranulat weist bevorzugt eine durchschnittliche Partikelgröße in einem Bereich von 0,1 bis 1,2 mm, besonders bevorzugt 0,1 bis 0,7 mm auf. Vorzugsweise umfasst das Aerogelgranulat im Wesentlichen Partikel mit einer Größe in einem Bereich von 0,1 bis 1,2 mm, besonders bevorzugt 0,1 bis 0,7 mm. Die Partikelgrößenverteilung kann monodispers oder polydispers sein. Abhängig von der Teilchengröße lassen sich andere Schichtdicken realisieren. Zudem lassen sich unterschiedlich große Partikel (breitere Verteilung) dichter packen. Je breiter die Verteilung, desto ausgeprägter ist das Verhalten der Scherviskosität. Im Falle einer polydispersen Partikelgrößenverteilung liegt das Maximum der Verteilung vorzugsweise in einem Bereich von 0,1 bis 1,2 mm, besonders bevorzugt 0,1 bis 0,7 mm. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist das Aerogelgranulat 9 Gew.-% an Partikeln mit einer Größe kleiner 0,25 mm auf, 42 Gew.-% an Partikeln mit einer Größe in einem Bereich von 0,25 bis 0,5 mm und 49 Gew.-% an Partikeln mit einer Größe größer 0,5 mm.
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Das Aerogelgranulat und dessen Partikelgröße sowie Partikelgrößenverteilung kann angepasst an den jeweiligen Anwendungszweck gewählt werden. Soll die erfindungsgemäße Dispersion als Beschichtungsfilm eingesetzt werden, kann eine an die beabsichtigte Filmdicke angepasste Größenverteilung gewählt werden.
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Neben der Polymerdispersion und dem Aerogelgranulat kann die erfindungsgemäße Dispersion in einer bevorzugten Ausführungsform weitere Inhalts- beziehungsweise Zusatzstoffe enthalten. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Dispersion Zuschlagstoffe in Form von Flammschutzmitteln, Fungiziden oder Verdickungsmitteln enthalten. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die erfindungsgemäße Dispersion aus der Polymerdispersion, dem Aerogelgranulat und einem oder mehreren der zuvor genannten Zusatzstoffen.
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Die erfindungsgemäße Dispersion kann in einer bevorzugten Ausführungsform weiterhin Lufteinschlüsse enthalten. Alternativ kann die Dispersion auch frei von Lufteinschlüssen sein. Enthält die erfindungsgemäße Dispersion Lufteinschlüsse liegt sie insbesondere in Form eines Schaumes vor. Enthält die Dispersion keine Lufteinschlüsse kann sie insbesondere in Form einer Paste vorliegen.
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Liegt die erfindungsgemäße Dispersion als Schaum vor, eignet sie sich insbesondere zur Applizierung in größeren Schichtdicken und zum Ausfüllen gröberer Hohlräume.
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Entsprechende Schäume können beispielsweise in Platten gegossen werden. Diese können aber auch beispielsweise für die Beschichtung von Trägermaterialien herangezogen werden. Dazu können weiterhin Additive auf Acryl-Basis zur Einstimmung der Rheologie verwendet werden. Als Trägermaterial für die Beschichtung der EVA-Silika-Aerogel-Coating werden Textilien, zum Beispiel Polyester-, Glasfaser-Vliese oder Gelege/Gewirke verstanden. Auch können Tapeten, Folien beschichtet werden.
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Liegt die erfindungsgemäße Dispersion als Paste ohne Lufteinschlüsse vor, eignet sie sich insbesondere zur Beschichtung von Trägermaterialien wie Folien, Platten oder auch freitragend. Gegenüber Schäumen weisen Pasten den Vorteil auf, dass sie sich besser zum Applizieren mit einer Rakel oder einem Spachtel eignen, da Schäume gegebenenfalls einen höheren Aerogel- und Wasseranteil besitzen, was den Effekt der Anfangshaftung verschlechtert. Die Applizierung von Pasten kann insbesondere mit zwei Folien erfolgen, wobei die Paste als Sandwich zwischen zwei Folien eingebracht, über eine Folie gerakelt wird und die obere Folie anschließend entfernt wird. Eine Paste oder auch ein Schaum kann unter anderem auch beispielsweise in Honeycomb-Produkte eingegossen werden.
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Die erfindungsgemäße Dispersion kann zu Wärmedämmmaterialien weiterverarbeitet werden. Hierzu kann die erfindungsgemäße Dispersion in eine geeignete Form gebracht werden, beispielsweise durch Gießen, Ausrollen oder Rakeln. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Dispersion auch zu wärmedämmenden Beschichtungsfilmen weiterverarbeitet werden. Die Dispersion eignet sich prinzipiell zur Beschichtung jedes Substrats. Bevorzugte Substrate umfassen insbesondere Folien, beispielsweise Cellulose-Folien, (Glas-)Platten, textile Träger und Betone. Hierzu kann die Dispersion zunächst, insbesondere in Form eines Schaums oder einer Paste, auf ein beschichtendes Substrat, insbesondere als dünner Film, aufgebracht werden. Das gleichmäßige Aufbringen als dünner Film kann insbesondere erfolgen, indem die erfindungsgemäße Dispersion auf ein Substrat aufgebracht und mit einer weiteren nichtklebenden Folie bedeckt wird. Über die weitere Folie kann dann mit einer Rakel die Gleichmäßigkeit der Beschichtung sichergestellt werden. Anschließend kann die nichtklebende Folie entfernt werden.
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Die Weiterverarbeitung zu festen Wärmedämmmaterialien beziehungsweise Beschichtungsfilmen kann durch Trocknen erfolgen, wobei der Wassergehalt soweit abgesenkt wird, dass ein Festkörper erhalten wird. Der Verbund ist direkt nach dem Trocknen vorzugsweise weitgehend wasserfrei, kann aber auch, insbesondere bei hohen Luftfeuchtigkeiten, gegebenenfalls Wasser enthalten, insbesondere in der Größenordnung von 3 bis 5 Gew.-%. Durch Trocknung können die filmbildenden Polymere einen Film bilden, der den Zwischenraum zwischen den Partikeln des Aerogelgranulats ausfüllt. Ohne auf diese Theorie beschränkt zu sein, umfassen die Wärmedämmmaterialien dann Aerogelpartikel, die durch die filmbildenden Polymere gebunden und umgeben sind. Weiterhin dringen die filmbildenden Polymere vorzugsweise nicht vollständig in die Poren des Aerogels ein, sodass diese weiterhin mit Luft gefüllt sind und das Aerogel seine wärmedämmenden Eigenschaften und die geringe Dichte beibehält. Die filmbildenden Polymere können jedoch gegebenenfalls in die äußersten Schichten der Aerogele teilweise eindringen und so die physische Bindung zwischen den einzelnen Aerogelpartikeln verstärken. Dadurch kann überraschenderweise eine stärkere Bindung über die filmbildenden Polymere als zwischen den einzelnen Aerogelpartikeln in einem freien Aerogelgranulat erreicht werden Dadurch können die Vorteile von Aerogelen und filmbildenden Polymeren kombiniert werden. Weiterhin können die erfindungsgemäßen Dispersionen beispielsweise in der genannten Weise für im Schichtaufbau produzierte hochwertige und funktionale Tapeten mit wärmedämmenden Eigenschaften weiterverarbeitet werden.
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In einer besonderen bevorzugten Ausführungsform umfassen die organischen filmbildenden Polymere Ethylen-Vinylacetat-Copolymer und das Aerogelgranulat umfasst hydrophobiertes Silika-Aerogel. Besonders bevorzugt besteht die wässrige Polymerdispersion aus Ethylen-Vinylacetat-Copolymer und Wasser und das Aerogelgranulat aus Silika-Aerogel. Auf diese Weise wird eine Ethylen-Vinylacetat-Silika-Aerogel-Dispersion erhalten. Die erfindungsgemäße Ethylen-Vinylacetat-Silika-Aerogel-Dispersion kann, insbesondere in Form einer zuvor beschriebenen Paste oder Schaum, in eine Form gebracht werden oder zur Beschichtung von Materialien eingesetzt werden. Anschließend kann die Dispersion getrocknet werden, wobei ein Ethylen-Vinylacetat-Silika-Aerogel-Komposit erhalten wird.
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Ein wichtiges Merkmal der Ethylen-Vinylacetat-Silika-Aerogel-Komposite in Form dünner Schichten ist eine deutliche Verringerung der Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zur reinen Ethylen-Vinylacetat-Schicht. Während additivfreie (oder mit konventionellen Additiven versehene) Ethylen-Vinylacetat-Schichten Wärmeleitfähigkeiten von ca. 0,290-0,350 W/(m·K) aufweisen, zeigen Silika-Aerogel additivierte Ethylen-Vinylacetat-Schichten bereits mit über 70 Vol.-% eine Verringerung unter 0,025 W/(m·K). Im Gegensatz zu herkömmlichen Wärmedämmmaterialen wird die Wärmeleitfähigkeit der entwickelten Ethylen-Vinylacetat-Silika-Aerogel-Komposite sogar mit höheren Anpressdrücken niedriger, was dann mit weiterem höheren Anpressdruck asymptotisch verläuft.
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Überraschenderweise ist die Wärmeleitfähigkeit des Ethylen-Vinylacetat-Silika-Aerogel-Komposits niedriger als die reine Schüttung des Aerogels, obwohl dieser die bestimmende Komponente der niedrigen Wärmeleitfähigkeit ist. Grund hierfür scheint die Verhinderung der Wärmeübertragung über die Konvektion durch das Ethylen-Vinylacetats. Dabei füllt das Ethylen-Vinylacetat gegebenenfalls das intrapartikuläre Volumen der Aerogel-Schüttung. Das verwendete Silika-Aerogelgranulat hat eine gemessene Wärmeleitfähigkeit von 0,020-0,021 W/(m·K) bei 25 °C, wobei das erfundene Komposit wie erwähnt eine Wärmeleitfähigkeit auch unter 0,020 W/(m·K) besitzen kann.
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Die erfindungsgemäßen Dispersionen können hergestellt werden, indem ein Aerogelgranulat unter eine wässrige Polymerdispersion aus organischen filmbildenden Polymeren gemischt wird. Die erfindungsgemäße Aufgabenstellung kann daher auch gelöst werden durch ein Verfahren, umfassend die folgenden Schritte:
- i) Bereitstellen einer wässrigen Polymerdispersion ausgewählt aus organischen filmbildenden Polymeren
- ii) Bereitstellen eines Aerogelgranulats
- iii) Vermischen des Aerogelgranulats mit der wässrigen Polymerdispersion, wobei 5 bis 80 Vol.-% des Aerogelgranulats unter die wässrige Polymerdispersion gemischt werden.
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Der Herstellungsprozess der erfindungsgemäßen Dispersion, insbesondere Ethylen-Vinylacetat-Silika-Aerogel-Dispersion, ist von dem Herstellungsprozess der Aerogele, insbesondere Silika-Aerogele, gelöst. Das bedeutet, dass der Polymerdispersion, insbesondere dem Ethylen-Vinylacetat, bereits fertiges Silika-Aerogel in Form von Granulat hinzugegeben wird. Damit ist die Herstellungsdauer der Dispersion, insbesondere der Ethylen-Vinylacetat-Silika-Aerogel-Komposite, signifikant kleiner als die Herstellung von reinen Aerogelen. Daher werden keine Lösemittelaustauschzyklen, keine überkritischen Trocknungen via Autoklav benötigt. Während die Herstellung von reinen Aerogelen bis zu mehreren Wochen andauern kann, werden insbesondere Ethylen-Vinylacetat-Silika-Aerogel-Komposite in wenigen Minuten bis hin zu 24h hergestellt.
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Als wässrige Dispersion filmbildender Polymere können sämtliche zuvor beschriebenen Polymerdispersionen eingesetzt werden, die Inhalt der erfindungsgemäßen Dispersion sein können. Insofern können alle zuvor genannten Merkmale auch Gegenstand des Verfahrens sein.
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Als Aerogelgranulat können sämtliche zuvor beschriebenen Aerogelgranulate eingesetzt werden, die Inhalt der erfindungsgemäßen Dispersion sein können. Insofern können alle zuvor genannten Merkmale auch Gegenstand des Verfahrens sein.
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Das Verfahren umfasst das Vermischen des Aerogelgranulats mit der wässrigen Polymerdispersion. Hierbei findet ein Vermischen des festen Aerogelgranulats mit einer Dispersion, die einen in einer Flüssigkeit dispergierten Feststoff umfasst, statt. Das Aerogelgranulat kann so in der wässrigen Polymerdispersion dispergiert werden, wobei die erfindungsgemäße Dispersion entsteht.
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Weiterhin können vorzugsweise die zuvor genannten weiteren Inhaltsbeziehungsweise Zusatzstoffe in den zuvor genannten Mengen zusammen mit dem Aerogelgranulat und der Polymerdispersion vermischt werden.
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Das Vermischen kann beispielsweise unter Rühren erfolgen. Dabei kann insbesondere ein Rührwerkzeug eingesetzt werden. Je nach Ausgestaltung des Rührens kann durch das Rühren Luft in das System eingeführt werden, wobei die erfindungsgemäße Dispersion in Form eines Schaums erhalten werden kann, wie zuvor beschrieben. Insbesondere kann ein Rührwerkzeug mit größeren Schaufelöffnungen (beispielsweise Standard Handmixer) eingesetzt werden, um auch Luft mit in das System einzuführen. Um das Einführen von Luft zu vermeiden und die erfindungsgemäße Dispersion wie zuvor beschrieben in Form einer Paste zu erhalten, kann ein Rührer für hochviskose Medien, wie beispielsweise ein Viskojet® eingesetzt werden. Eine erfindungsgemäße Ethylen-Vinylacetat-Silika-Aerogel-Dispersion, welche mit einem Viskojet® hergestellt wird, besitzt nach Trocknung beispielsweise eine Wärmeleitfähigkeit von 0,025 W/(m.K).
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Eine Paste kann insbesondere dann erhalten werden, wenn der Volumenanteil des Aerogelgranulats in der Dispersion bei 63 Vol.-% oder darunter liegt. Liegt der Volumenanteil des Aerogelgranulats oberhalb von 63 Vol.-% kann insbesondere ein Schaum erhalten werden.
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Im Gegensatz zu herkömmlichen Polymerschäumen, welche beispielsweise mit einem Treibgas wie expandiertes Polystyrol hergestellt werden, oder Poylurethanschäumen, die während der Reaktion niedermolekulare Nebenprodukte freisetzen und so zu einem Aufschäumen führen, kann die Schaumstruktur der vorliegenden Erfindung mittels eines Rührers mit größeren Schaufelöffnungen (beispielsweise ähnlich einem Schneebesen) hergestellt werden. Dabei wird die Raumluft wie erwähnt mit eingerührt. Dies führt zu einem Schaum, insbesondere zu einem Ethylen-Vinylacetat-Silika-Aerogel-Komposit-Schaum. Somit werden hier zum einen keine giftigen Treibgase verwendet und auf der anderen Seite keine riskanten niedermolekularen Nebenprodukte erzeugt. Daher bietet die vorliegende Erfindung im Gegensatz zu den bekannten Polymerschäumen einen positiven Aspekt für die Gesundheit und die Umwelt.
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Damit die erhaltene Dispersion pastös und streichfähig ist, kann insbesondere die Viskosität der Mischung eingestellt werden. Dies kann beispielsweise durch Variation der Konzentration des Aerogelgranulats erfolgen. Alternativ kann beispielsweise auch zusätzliches Wasser zur Dispersion hinzugegeben werden. Alternativ können beispielsweise auch weitere Verdickungsmittel zugegeben werden.
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Das Verfahren kann weiterhin die Weiterverarbeitung der pastösen streichfähigen Dispersionen umfassen, wobei die Dispersion insbesondere in eine Form gebracht und dann getrocknet werden können. Auf diese Weise können beispielsweise Dämmstoffe erhalten werden. Die Dispersion kann auch als Beschichtungsfilm auf ein Substrat aufgebracht und dort getrocknet werden. Die Trocknung kann insbesondere bei einer erhöhten Temperatur erfolgen. Die Temperatur für die Trocknung liegt bevorzugt in einem Bereich von 20 bis 120 °C, besonders bevorzugt 80 bis 90 °C. Die Trocknung erfolgt in einem Zeitraum von 2 min bis 24h, besonders bevorzugt 2 bis 5 min. Alternativ kann die Trocknung auch bei Raumtemperatur erfolgen. Die genaue Temperatur und Dauer der Trocknung sind abhängig von der Form des Materials beziehungsweise der Dicke des Beschichtungsfilms.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die erfindungsgemäße pastöse streichfähige Dispersion erhältlich mit dem zuvor beschriebenen Verfahren.
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In einer alternativen Ausführungsform wird die erfindungsgemäße Aufgabenstellung gelöst durch einen Dämmstoff, der erhältlich ist mit einem Verfahren, das das Formen und anschließende Trocknen einer erfindungsgemäßen Dispersion umfasst. Das Formen kann wie oben beschrieben erfolgen. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Dispersion in eine Form gegossen werden. Als Form kann auch ein Hohlraum eines anderen Substrats, wie beispielsweise eine Wabenstruktur gewählt werden, wobei das Substrat dadurch mit zusätzlicher Wärmedämmung versehen werden kann. Das Trocknen kann wie oben beschreiben erfolgen. Insbesondere kann das Trocknen bei erhöhter Temperatur, beispielsweise bei 20 bis 120°C, bevorzugt 80 bis 90 °C, oder bei Raumtemperatur erfolgen.
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Der erfindungsgemäße Dämmstoff zeichnet sich durch eine niedrige Wärmeleitfähigkeit sowie geringe Entflammbarkeit aus. Insbesondere kann die Wärmeleitfähigkeit in einem Bereich von 0,015 bis 0,030 W/(m·K), besonders bevorzugt 0,017 bis 0,025 W/(m·K), insbesondere 0,019 bis 0,020 W/(m·K) liegen.
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Der Dämmstoff umfasst insbesondere einen Komposit aus Ethylen-Vinylacetat-Copolymer und Silika-Aerogelgranulat. Insbesondere in diesem Fall weist der Dämmstoff die zuvor genannte vorteilhafte Wärmeleitfähigkeit und Brandschutzeigenschaften auf. Der Dämmstoff kann eine Dichte in einem Bereich von 70 bis 100 kg/m3, vorzugsweise 75 bis 95 kg/m3, besonders bevorzugt 80 bis 94 kg/m3, aufweisen. Ein aus einer erfindungsgemäßen Paste erhaltener Dämmstoff weist insbesondere eine höhere Dichte als ein aus einem erfindungsgemäßen Schaum erhaltener Dämmstoff auf, was insbesondere auf die Anwesenheit von Hohlräumen in den aus Schäumen erhaltenen Dämmstoffen zurückgeführt werden kann. Der Anteil an Hohlräumen liegt vorzugsweise in der Größenordnung von 10 bis 20%, insbesondere 15%. Ein aus einer Paste erhaltener Dämmstoff kann beispielsweise eine Dichte in der Größenordnung von 94 kg/m3 aufweisen. Ein aus einem Schaum erhaltener Dämmstoff kann beispielsweise eine Dichte in der Größenordnung von 80 kg/m3 aufweisen.
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Der Dämmstoff kann grundsätzlich in jeder beliebigen Form vorliegen. Der Schritt des Formens, insbesondere ein Gießprozess, ermöglichen grundsätzliche eine freie Formbarkeit. Der Dämmstoff liegt vorzugsweise in Form von Platten vor, wobei ein Dämmstoff in Form von Platten für die Anwendung eine hohe Praktikabilität aufweist. Der Dämmstoff kann insbesondere in Form von Platten mit Dicken von bis zu 5 cm oder mehr vorliegen.
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In einer alternativen Ausführungsform wird die erfindungsgemäße Aufgabenstellung gelöst durch eine wärmedämmende Beschichtung, die erhältlich ist, indem eine erfindungsgemäße Dispersion in Form eines Films auf ein Substrat aufgebracht und anschließend getrocknet wird. Das Aufbringen kann wie zuvor beschrieben erfolgen. Insbesondere kann zunächst eine Schicht der erfindungsgemäßen Dispersion aufgebracht werden, die mit einer weiteren nichtklebenden Folie abgedeckt wird, über die dann gerakelt wird. Anschließend kann die Folie entfernt werden. Das Aufbringen ist jedoch nicht auf das genannte Verfahren beschränkt. Nach dem Aufbringen kann der Beschichtungsfilm wie zuvor beschrieben getrocknet werden, insbesondere bei erhöhter Temperatur, beispielsweise 20 bis 120 °C, bevorzugt 80 bis 90 °C, oder bei Raumtemperatur.
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Als Substrat für die Beschichtung können insbesondere die oben genannten Substrate zum Einsatz kommen.
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Die Schichtdicke der erfindungsgemäßen Beschichtung kann je nach Bedarf variabel und an den Einsatzzweck angepasst eingestellt werden. Die erfindungsgemäße wärmedämmende Beschichtung weist vor dem Trocknen bevorzugt eine Dicke in einem Bereich von 0,1 bis 20 mm, besonders bevorzugt 0,5 bis 10 mm, ganz besonders bevorzugt 1 bis 10 mm auf. Die erfindungsgemäße Beschichtung kann insbesondere in einer Dicke von mehr als 5 mm aufgebracht werden, während beispielsweise reine Ethylen-Vinylacetat-Dispersionen nur in einer Dicke von circa 5 mm appliziert werden können. Durch das Trocknen kann die Dicke der Schicht gleichbleiben oder gegebenenfalls auch verringert werden. Weiterhin weist die Beschichtung die zuvor genannten vorteilhafte Wärmeleitfähigkeit und schwere Entflammbarkeit auf. Besonders bevorzugt umfasst die Beschichtung einen Komposit aus Ethylen-Vinylacetat-Copolymer und Silika-Aerogelgranulat, oder besteht daraus.
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In einer weiteren alternativen Ausführungsform wird die erfindungsgemäße Aufgabenstellung gelöst durch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Dispersion zur Wärmedämmung oder zum Brandschutz.
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Beispiele
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Eine EVA-Dispersion (beispielsweise Fa. Dow, Beispiel: ELVAX™) wird vorgelegt. Der Vinylacetat-Gehalt des Copolymers beträgt über 70%.
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Es werden zwischen 5 und 80 Vol.-% Silika-Aerogel-Granulat eingearbeitet. Die Einarbeitung erfolgt mithilfe eines VISCOJET® Rührers mit Spiralkanonen-Rührwerk. Dabei sollte das Rührwerkzeug möglichst geringe Scherungen erzielen. Idealerweise wird nur eine homogene Verteilung des Silika-Granulats gewährleistet.
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EVA-Dispersionen bestehen in der Regel zu mehr als 30% aus Wasser, wobei hier weiteres Wasser bis zu 20 Vol.-% hinzugegeben wird. Für die Einstellung der Rheologie wird anschließend ein Acryl-basis Additiv verwendet.
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Die Mischung wird solange gerührt, bis eine schaumige Konsistenz erhalten wird.
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Zum Beschichten der Trägermaterialien dient ein automatisches Filmziehgerät. Dabei wird auf die Platte das Trägermaterial gelegt. Auf das Trägermaterial wird anschließend der EVA-Silika-Aerogel-Schaum gegeben. Hierauf wird wiederum eine nicht mit dem Schaum klebende Folie auf den Schaum gelegt. Diese Folie dient zur Verbesserung des Beschichtungsprozesses.
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Zum Schluss wird über die oberste Folie automatisch gerakelt. Mit der Rakel wird das Trägermaterial in der eingestellten Höhe mit dem EVA-Silika-Aerogel-Schaum beschichtet. Nach Beendigung des Rakelprozesses wird die oberste Folie entfernt und das beschichtete Trägermaterial zum Trocknen in einen Ofen bei circa 80 °C je nach Trägermaterial gelegt. Alternativ kann das Trocknen bei Raumtemperatur im Labor bei bis zu 24h erfolgen.