DE2537803A1

DE2537803A1 - Extrem leichter schaumstoff hoher elastizitaet und festigkeit

Info

Publication number: DE2537803A1
Application number: DE19752537803
Authority: DE
Inventors: Valentin Dipl Phys Magori
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-08-25
Filing date: 1975-08-25
Publication date: 1977-03-10
Also published as: JPS5226573A; FR2322167B1; FR2322167A1

Description

Extrem leichter Schaumstoff hoher Elastizität und Festigkeit

Die Erfindung betrifft einen Schaumstoff, wie er im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegeben ist.

Derartige Schaumstoffe sind bekannt. Sie werden beispielsweise dadurch hergestellt, daß kleinere gläserne Hohlkugeln in einem organischen Harz verrührt werden. Nach dem Trocknen des Harzes ergibt sich ein Schaumstoff, dessen Porengröße durch die gläsernen Hohlkugeln bestimmt ist. Der Zwischenraum zwiEichen den Hohlkugeln ist mit dem gehärteten Harz ausgefüllt. Ein derartiger Schaumstoff besitzt hohe mechanische Festigkeit und gegenüber Körperschallwellen eine verhältnismäßig geringe Dämpfung. Jedoch besitzt ein derartiger Schaumstoff einen hohen Wellenwiderstand (akustische Impedanz). Unter Wellenwiderstand versteht man das Produkt der Dichte eines Körpers mit der Schallgeschwindigkeit für Körperschallwellen in diesem Körper Bekanntlich ist der Schallwellenwiderstand von der Frequenz der jeweiligen Körperschallwelle abhängig, d.h. der Schallwellenwiderstand ist eine Funktion der Schallfrequenz.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Schaumstoff, insbesondere für die Verwendung in der Ultraschall-Technik, anzugeben, dessen Schallwellenwiderstand zumindest für Schallfreuuenzen zwischen 20 bis 300 KHz möglichst unter einen Wert von 5 . 10g . cm" . i liegt. Diese Aufgabe wird durch einen Schaumstoff gelöst, der entsprechend dem Kennzeichen des Patentanspruches 1 ausgebildet ist.

Der erfindungsgemäße Schaumstoff zeichnet sich also dadurch aus, daß der Zwischenraum zwischen den Hohlkugeln nahezu frei von Klebstoffen, z.B. organischen Harzen, ist. Dabei kann die Dichte des Schaumstoffes kleiner sein als die Dichte des Hohlkugel-

VPA 75 E 7024-Rtd 17 Htr

709810/1078

pulvers. Dies ist dadurch zu erklären, daß sich aufgrund der Kapillarkräfte der Klebstoff an den Berührungspunkten zwischen den Hohlkugeln kleine Tröpfchen bzw. Klcbstoffbrücken bilden, so daß im Vergleich zur dichtesten Kugelpackung der Hohlkugeln der Abstand dieser Kugeln vergrößert wird.

Im folgenden wird die Herstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels für einen erfindungsgemäßen Schaumstoff erläutert: Der Schaumstoff wurde aus einer Mischung von Polystyrollack mit Hohlkugeln aus Siliziumdioxid, die einen Durchmesser zwischen den Werten 30 /um und 125 /Um und eine Wandstärke von ca. 2 /um aufwiesen, hergestellt. Derartige Hohlkugeln sind unter dem Namen Eccospheres SJ der Fa. Emmerson & Cumming bekannt. Diese Kugeln bilden ein weißes Pulver mit einer Dichte von ca. 0,18 g . cm ,· die Dichte der Kugelwandungen beträgt im Mittel ca. 0,26 g . cm" .

Ein aus vier Gewichtsteilen Benzol und einem Gewichtsteil Polystyrol bestehender Lack wurde mit zwei Gewichtsteilen dieser Siliziumdioxid-Hohlkugeln verrührt. Dabei wurde darauf geachtet, daß möglichst keine Luftblasen entstehen. Anschließend wurde die entstandene breiige Masse auf dem Boden eines Gefäßes zum Trocknen vergossen. Nach einer Trockenzeit von 2 Tagen erhält man eine Schaumstoffplatte, die eine Dichte von ca. 0,16 g . cm besitzt. Diese Platte gibt beim Anschlagen mit einem harten Gegenstand einen hellen metallischen Klang von sich. Dieser Schaumstoff weist eine Schallgeschwindigkeit von ca. 1450 m/s auf, damit ergibt sich für den angegebenen Frequenz-

L· — ? —1

bereich ein Schallwellenwiderstand von ca. 2,1 . 10 g . cm . s

Die Porengröße dieses Schaumstoffes ist durch die Siliziumdioxid-Hohlkugeln vorgegeben. Die Dichte des Schaumes ist kleiner als die Dichte des Hohlkugelpulvers. Dies ist dadurch zu erklären, daß beim Verdunsten des Benzols das Polystyrol durch Kapillarkräfte an den Berührungspunkten zwischen den Kugeln kleine Polystyroltröpfchen bildet, der übrige Zwischenraum

VPA 75 E 7024

709810/1078

zwischen den Hohlkugeln bleibt leer. Damit vergrößert sich im Vergleich zur dichtesten Kugelpackung der Siliziuradioxid-Hohlkugeln der Abstand dieser Kugeln untereinander, so daß die Dichte des fertigen Schaumstoffes geringer ist als die Dichte de s Hohlkugelpulvers.

Dieser Schaumstoff hat sehr günstige akustische Eigenschaften, dafür sind vermutlich die elastischen Eigenschaften der Siliziumdioxid-Hohlkugeln verantwortlich.

Das beschriebene Mischungsverhältnis für den Schaumstoff aus Siliziumdioxid-Hohlku&eln hat sich als optimal herausgestellt, bei kleinerem Polystyrolanteil leidet die mechanische Stabilität des Schaumstoffes, während eine Steigerung des Polystyrolanteiles um den Faktor 1,5 bereits die akustischen Eigenschaften deutlich verschlechtert, ohne die mechanische Stabilität des Schaumstoffes zu verbessern. Auch-der richtige Benzolanteil ist wichtig, zu wenig Benzol ergibt einen zähen Brei, der sich nur schwer verrühren und vergießen läßt. Zuviel Benzol erschwert das Mischen, weil die Siliziumdioxid-Hohlkugeln dann auf dem Benzol-Polystyrol-Gemisch schwimmen. Außerdem besitzt eine derartige Mischung eine lange Trockenzeit und neigt zu Rißbildung und Schrumpfung.

Statt Polystyrol können auch Epoxydharz oder andere organische Harze verwendet werden.

Die getrocknete Schaumstoffplatte sollte an keiner Stelle dünner als 5 mm sein. Durch Schneiden und Schleifen werden nach der Trocknung die für die jeweilige Anwendung des Schaumstoffes vorgesehenen Scheiben bzw. Stücke hergestellt, diese Scheiben bzw. Stücke können dünner als 5 mm sein.

Die Figur zeigt ein Schnittbild eines derartigen Schaumstoffes: Die Hohlkugeln 1 sind durch Kleberverbindungen 2 miteinander verbunden, der übrige Zwischenraum zwischen den Kugeln ist leer.

VPA 75 E 7024

70981 Π/1078

Statt der Siliziumdioxid-Hohlkugeln können auch kleine Glashohlkugeln verwendet werden, in diesem Falle hat jedoch der Schaumstoff eine höhere Dichte.

Die Homogenität des erfindungsgeniäßen Schaumstoffes kann dadurch erhöht werden, daß ein Hohlkugelpulver verv/endet wird, bei dem die Größe der Hohlkugeln sehr wenig streut. Dadurch wird eine besonders gleichmäßige Verteilung der Ilohlkugeln erzeugt.

Bei genügender Kleinheit der Hohlkugeln, wie es beispielsweise für das Ausführungsbeispiel angegeben ist, wird jedoch in jedem Falle eine hinreichend gleichmäßige Verteilung der Hohlkugeln erreicht.

Eine weitere Verbesserung der Verteilung der Hohlkugeln kann dadurch erreicht werden, daß beim Mischen der Hohlkugeln mit dem Klebstoff zur Unterstützung der Mischung Ultraschall angewendet wird. Eine bevorzugte Anwendungsmöglichkeit für einen derartien erfindungsgemäßen Schaumstoff sind beispielsweise λ/4-Schichten, die auf einem Ultraschallwandler aufgebracht sein können. Dadurch kann erreicht werden, daß die Ultraschallschwingungen eines Schwingkörpers, dessen Dichte wesentlich größer als die Dichte des Schallausbreitungsmediums, z.B. Luft, ist, ohne Reflexionsverluste an die Luft übertragen werden können.

Eine weitere Anwendungsmöglichkeit für den erfindungsgemäßen Schaumstoff bieten beispielsweise die piezoelektrische Biegewandler, diese bestehen beispielsweise aus einer piezokeramischen Lamelle, der sogenannten aktiven Lamelle, und einer passiven Lamelle, welche beispielsweise aus dem erfindungsgemäßen Schaumstoff gefertigt sein könnte. Aufgrund seiner Leichtigkeit und seiner guten elastischen Eigenschaften ist der erfindungsgemäße Schaumstoff für diese Anwendung sehr geeignet.

Ein weiteres Beispiel für die Anwendung eines derartigen Kunststoffes ist die Mikrowellentechnik. Sind die Ilohlkugeln in

VPA 75 E 7024

709810/1078

der Größenordnung der Mikrowellen, so können derartige Schaumstoffe "beispielsweise zur Herstellung von Prismen verwendet ■werden, mit denen Mikrowellen abgelenkt werden können.

Ein anderes Beispiel für die Anwendung des Kunststoffes ist die Verkleidung von Antennen, wie sie z.B. für den Richtfunkverkehr eingesetzt werden.

9 Patentansprüche 1 Figur

VPA 75 E 7024

709810/1078

Claims

-D- Patentansprüche

1. Schaumstoff aus miteinander verklebten kleinen Hohlkugeln, dadurch gekennzeichnet , daß die Hohlkugeln (1) nur über Klebstoffstege (2) miteinander verbunden sind, wobei der übrige Zwischenraum zwischen den Kugeln leer ist.

2. Schaumstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net , daß der Klebstoff ein organischer Harz ist.

3; Schaumstoff nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich net , daß der Klebstoff Epoxid ist.

4. Schaumstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet , daß die Hohlkugeln aus Siliziumdioxid bestehen und einen Durchmesser zwischen 30 und 125 /um besitzen.

5. Verfahren zur Herstellung eines Schaumstoffes nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Hohlkugeln mit einem Gemisch aus Benzol und Polystyrol vermengt werden, und daß diese Mischung zum Trocknen in einen Behälter ausgegossen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich net , daß zwei Gewichtsteile von Siliziumdioxid-Hohlkugeln, welche einen Durchmesser zwischen den Werten 30 und 125 /um besitzen, mit einem Lack aus vier Gewichtsteilen Benzol und einem Gewichtsteil Polystyrol vermengt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich net , daß bei der Vermengung Ultraschall angewendet wird.

8. Verwendung eines Schaumstoffes nach einem der Ansprüche 1 bis als λ/4-Schicht für Ultraschallwandler.

9. Verwendung eines Schaumstoffes nach einem der Ansprüche 1 bis als Antennenverkleidung.

VPA 75 E 7024 709810/1078