DE3927538A1 - Sandwichbauelement zur thermischen isolation - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Sandwichbauelement zur thermischen Isolation aus zwei, die Außen­ flächen bildenden Platten und einem dazwischen befindlichen Kern.

Auf dem Gebiet des Leichtbaues ist die Ver­ wendung von Sandwichbauelementen allgemein geläufig und sie werden vornehmlich zur Her­ stellung von Flugzeug-, Fahrzeugteilen, Boots­ rümpfen, Waggonwänden, Möbel und in anderen Bereichen universell eingesetzt und verwen­ det. Die Sandwichbauweise ist dadurch cha­ rakterisiert, daß sich zwischen zwei im Ab­ stand zueinander angeordneten und die Außen­ flächen bildenden Platten ein Kern befindet, wobei beide Platten festigkeitsmäßig hoch beansprucht werden und aus diesem Grunde bei­ spielsweise aus Blech, Sperrholz, Kunststoff­ material und ähnlichem bestehen und dazwischen der Kern zur Abstandshalterung und zur Ver­ besserung der Gebrauchseigenschaften angeord­ net ist. Er besteht häufig aus einer leich­ ten Stützschicht, die durch Schaumstoff, Bal­ saholz oder andere Leichtstoffe von kompakter als auch verschiedenartig aufgelöster Struk­ tur gebildet ist oder aber auch aus einem Wabenkern aus Papier, Plastik oder Leichtme­ tall. Der Vorteil der Sandwichbauweise be­ steht gegenüber den Vollwand-, Massiv-, Me­ tall- oder Holzbauweisen in der erheblichen Verringerung der Masse, einer besseren Form­ steifigkeit, einer häufig gleicher und gar höherer Festigkeit und einer meist besseren Wärme- und Schalldämmung. Als genereller Nachteil ist hauptsächlich der erhöhte tech­ nologische Aufwand anzusehen. In jüngster Zeit wird als wesentlicher Nachteil bei un­ ter Verwendung von Schaumstoffmaterialien hergestellten Sandwichbauelementen angese­ hen, daß sich in den Poren des Schaumstoff­ materiales FCKW (= Fluorchlorkohlenwasser­ stoff) befinden, die mit der Zeit sukzessi­ ve nach außen und damit an die Atmosphäre abgegeben werden. Erst durch neueste Erkennt­ nisse wurde ein Zusammenhang zwischen der Verwendung von FCKW's bzw. deren Abgabe an die Atmosphäre und der Zerstörung der Ozon­ schicht der Erde hergestellt. Bekanntlich hat die Ozonschicht eine für die Gesundheit der Menschen außerordentlich wichtige Funktion, die darin besteht, das von der Sonne auf­ treffende UV-Licht zum großen Teil aufzuneh­ men, zu absorbieren und vom Auftreffen auf die Erdoberfläche abzuhalten. Eine Verstär­ kung der UV-Strahlendosis bedingt ein häu­ figeres Auftreten von Hautkrankheiten, die Auslösung von Hautkrebs und ähnlichem. Wie sich aus Berechnungen ergibt, hat eine Ozon­ abnahme von etwa 1% zur Folge, daß sich der Anteil der UV-Strahlung an der Erdoberfläche um ca. 2% erhöht, wodurch die Häufigkeit der Hautkrebserkrankungen um etwa 5% zu­ nimmt. Aufgrund der umweltgefährdeten Wir­ kung von FCKW werden massive politische An­ strengungen unternommen, Herstellung und Verwendung von FCKW und FCKW-haltiger Pro­ dukte, zu denen auch Hart- und Weichschäume zählen, baldmöglichst zu verbieten.

Hiervon ausgehend hat sich die Erfindung die Schaffung eines Sandwichbauelementes zur Auf­ gabe gemacht, welches ein hohes thermisches Isolationsvermögen besitzt und die Umwelt nicht gefährdet.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß der Kern des Sandwichbauelemen­ tes aus superisolierenden Aerogel (= Aerogel geringer Dichte) besteht. Mit dem Begriff "Aerogel" werden spezielle, aus einer Vielzahl von Hohlräumen oder Poren kleinster Durchmesser bestehende Festkörper bezeichnet. Im Gegensatz zu geschäumten Ma­ terialien ist die Struktur offenporig, d. h. die einzelnen Poren stehen untereinander in Verbindung. In Abhängigkeit von deren Struk­ tur beträgt ihr Durchmesser 1, 10, 15 nm. Gegenüber geschäumten Materialien ist der Feststoffanteil geringer. Das Material ist grundsätzlich beliebig.

Die Herstellung erfolgt in der Weise, daß zunächst ein Gel in einem Sol-Gel-Prozeß ge­ wonnen wird, welches anschließend durch über­ kritisches Trocknen das gewünschte Material ergibt. Technisch bedeutend sind sowohl die "heiße" überkritische Trocknung eines Gels mit Alkohol (durch Austauschen des Gelwas­ sers durch Alkohol) im Druck- und Tempera­ turbereich oberhalb des kritischen Punktes (z. B. bei Methanol ein Druck größer/gleich 68 bar, einer Temperatur größer/gleich 260 Grad Celsius) als auch die "kalte" überkri­ tische Trocknung mit (flüssigem) Kohlendi­ oxid, das über Alkohol oder Aceton gegen das Gelwasser ausgetauscht wird (Druck größer/ gleich 78 bar, Temperatur größer/gleich 32 Grad Celsius). Diese Art der Trocknung er­ fordert hohen technischen Aufwand durch den Einsatz von Autoklaven und einen zeit- und energiezehrenden Arbeitsgang. Werden keine besonderen Anforderungen an die Transparenz gestellt, ist die Herstellung von Aerogel aus Siliziumdioxid, das aus Wasserglas ge­ wonnen wird, von entscheidendem Vorteil. Es kann sowohl in Form von Blöcken als auch Gra­ nulaten mit Korngrößen von 1 bis 6 mm Durch­ messer hergestellt werden.

Das thermische Isolationsvermögen der erhal­ tenen Aerogele ist unterschiedlich und wird durch die Dichte beeinflußt. Maximalwerte er­ hält man bei sogenannten superisolierenden Aerogelen, worunter Aerogele geringer Dichte verstanden werden.

Einer praktischen Anwendung der Aerogele steht deren schwierige Bearbeitbarkeit ent­ gegen. Die mechanischen Eigenschaften sind mangelhaft, bei einem Bearbeiten zerfällt das Aerogelmaterial in kleinste Partikel, die Formbeständigkeit ist sehr gering sowie ein Verkleben grundsätzlich schwierig.

Dennoch ist die Verwendung derartiger Sand­ wichbauelemente von erheblichem Vorteil, da eine Umweltgefährdung nicht zu besor­ gen, die Herstellung in Relation zu ge­ schäumten Kernen kostenmäßig vergleichbar ist und demgegenüber das thermische Isola­ tionsvermögen erhöht wird.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung wird für den Einsatz von Sandwichbauelementen im Niedertemperaturbereich, d. h. bei Tempera­ turen unter 300 K, empfohlen, undo­ tiertes Aerogel einzusetzen.

Im Hochtemperaturbereich demgegenüber, d. h. oberhalb von 300 K, empfiehlt sich die Verwendung dotierter, mitunter als getrübt bezeichneter Aerogele. Sie entstehen durch Dotierung des Aerogels mit bestimmten Mate­ rialien, zu denen Eisenoxide (FeO), Titan­ oxide (TiO) und andere zählen. Hierdurch wird die Absorptionskante etwa zwischen 2 und 4 Mikrometer verschoben, so daß sie sich zur Isolation in hohen Temperaturbe­ reichen eignen. Die Trübungsmittel unter­ binden die vergleichsweise hohe Transparenz im mittleren Infrarot und bewirken eine Un­ terdrückung des insbesondere bei Vakuumsu­ perisolationen vorherrschenden Strahlungs­ wärmetransports.

Im Hinblick auf die physikalische Beschaf­ fenheit des zwischen die Platten als Kern einzubringenden Aerogel-Materials sind ver­ schiedene Lösungen möglich: So ist prinzi­ piell denkbar, Aerogele als Vollblock herzu­ stellen und zwischen die Platten einzubrin­ gen. Der Vorteil dieser Bauweise besteht in den guten, mechanisch abstützenden Eigen­ schaften der beiden Platten des Sandwichbau­ elementes gegeneinander. Als Nachteil ist anzusehen, daß die Herstellung, Bearbeitung und Einbringung des Vollblocks aus Aerogel im Hinblick auf die Handhabung und Bearbei­ tung hohe Anforderungen und besondere Sorg­ falt erfordern.

Eine demgegenüber in der Herstellung Vorteile aufweisende Ausführungsform besteh darin, den Kern aus einzelnen Elementen wabenförmig aufzubauen. So können einzelne Elemente in Sechseckform zwischen die Platten eingebracht und hierdurch eine wabenartige, beide Platten gegeneinander weiterhin abstützende Struktur erhalten werden. Die Herstellung und Hand­ habung hingegen ist vereinfacht. Völlig un­ problematisch ist die Herstellung von Granu­ lat aus superisolierenden Aerogelen, die dann zwischen den Platten nach Art eines Schüttgutes und damit den Kern bildend ein­ gebracht werden. Die Vorteile sind in der Einfachheit der Herstellung des Sandwichbau­ elementes sowie der preisgünstigen Erzeugung des als Ausgangsmaterial eingesetzten Granu­ lats aus superisolierenden Aerogele zu sehen. Demgegenüber nachteilig ist, daß eine gegen­ seitige mechanische Abstützung der Platten bei als Schüttgut angebrachten Granulat nicht erfolgt. Diese Ausgestaltungen eignen sich folglich vornehmlich für Verwendungszwecke, in denen die Sandwichbauelemente ein hohes thermisches Isolationsvermögen aufweisen müssen, demgegenüber mechanisch nur gering belastet sind.

Eine diesbezügliche Verbesserung läßt sich durch Weiterbildungen erreichen, bei denen zwischen den Platten der Abstützung dienen­ de Stege angeordnet sind. Das verbleibende Restvolumen ist mit Aerogel ausgefüllt.

In einer insbesondere der Verbesserung der mechanischen Eigenschaften dienenden Wei­ terbildung ist das Aerogelgranulat oder Aerogelpulver in Polyethylen eingebettet. Die Herstellung erfolgt durch Vermischen von Aerogelgranulat und/oder -pulver mit einer Menge von 5-50 Gewichtsprozent Poly­ ethylen-Pulver mit oder ohne Blähmittel und Erhitzen auf eine Temperatur von 130-180 Grad Celsius, mit der Folge, daß die Aerogel­ teilchen verklebt werden und eine kompakte Masse im Sandwich entsteht. In Abhängigkeit von der Zugabe des Blähmittels werden die me­ chanischen und thermischen Anforderungen sowie eine vollständige Kammerfüllung gegenüber dem "ungeblähten Polyethylen" erreicht. Mit zuneh­ mendem Anteil des Blähmittels erreicht man ei­ ne bessere thermische Isolation. Das Hauptziel der Einbettung in Polyethylen ist eine Verbes­ serung der mechanischen Eigenschaften unter gleichzeitiger Akzeptanz einer Verschlechte­ rung der isolierenden.

Die geringe Wärmeleitfähigkeit von Aerogelen unter Atmosphärendruck wird bei Einsatz in einem Vakuum nochmals deutlich verbessert. Besonders günstige Werte ergeben sich bei Einsatz der Aerogele als Vakuumsuperisola­ tionen, welcher dadurch realisiert ist, daß es in einer hermetisch abgeschlossenen Kam­ mer unter einem Vakuum von ca. 0,01 bar eingebettet wird. Zur Vermeidung von Ver­ formungen ist der Einsatz von der Abstüt­ zung dienenden Stegen von besonderer Bedeu­ tung.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung lassen sich dem nachfolgenden Beschreibungsteil entnehmen, indem anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert wird. Sie zeigt in schematischer Darstellung ein Querschnitt durch ein winkelförmiges Bauelement.

Sie zeigt eine äußere Platte (1) und eine innere Platte (2), die die Außenfläche des Sandwichbauelementes bilden. Zur Stabili­ sierung gegen Druckbelastungen sind den Ab­ stand überbrückende Stege (3) etwa äquidi­ stant verteilt angeordnet.

Dazwischen findet sich gemäß dem Vorschlag der Erfindung das der thermischen Isolation dienende superisolierende Aerogel (4), d. h. ein Aerogel (4) von geringer Dichte.

Im Ergebnis erhält man bei preisgünstiger Herstellung ein Sandwichbauelement mit ho­ hem thermischem Isolationsvermögen.

Claims (9)

1. Sandwichbauelement zur thermischen Isola­ tion aus zwei, die Außenflächen bildenden Platten und einem dazwischen befindlichen Kern, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kern aus super­ isolierenden Aerogel (4) (= Aerogel geringer Dichte) besteht.

2. Bauelement nach Anspruch 1, ge­ kennzeichnet durch ein undotiertes Aerogel (4).

3. Bauelement nach Anspruch 1, ge­ kennzeichnet durch ein vorzugsweise mit Eisenoxid, Titanoxid do­ tiertes (= getrübtes) Aerogel (4).

4. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Vollblock aus Aerogel (4).

5. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen aus einzelnen Elementen wabenförmig aufgebauten Kern.

6. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch Granulat als Kern.

7. Bauelement nach Anspruch 5 oder 6, ge­ kennzeichnet durch zwischen den Platten (1, 2) angebrachten Stegen (3).

8. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch in vorzugsweise geblähtes und/oder geschäumtes Polyethylen eingebettetes Aerogelgranulat oder Aerogelpulver.

9. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß es nach außen abgeschlossen und im Inneren mit Unterdruck beaufschlagt ist.