DE4106192C2 - Zusammengesetzte Glasplatte und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft zusammengesetzte Glasplatten und Verfahren zu deren Herstellung, die hohe Schallschwächung liefern.

Es gibt eine Vorschrift für Glasplatten, die einen hohen Grad an Schallschwächung aufbringen, und es wurden zur Erfüllung dieser Anforderung verschiedene Glasplattentypen vorgeschlagen. Beispielsweise wird in DE 35 33 805 A1 ein Verfahren zur Herstellung von Isolierscheiben beschrieben, bestehend aus mindestens zwei, im Abstand von 5 bis 50 mm parallel angeordneten, etwa gleich großen Scheiben, die an den Kanten luft- bzw. gasdicht verbunden sind, wobei an den Innenseiten der Schei­ ben lose luft- bzw. gasundurchlässige Folien anliegen, die mit den Abdichtungen an den Scheibenkanten luft- bzw. gasdicht verbunden sind und der Raum zwi­ schen den Folien mit Aerokügelchen ausgefüllt ist. In DE 38 44 003 C1 wird ein Werkstoff auf Basis silicatischer Aerogele beschrieben, hergestellt durch so­ genannte hyperkritische Trocknung durch Einsprühen verdünnter Schwefelsäure und von Wasserglas-Lösung in eine Waschflüssigkeit. Des weiteren sind insbesondere Hohlglasplatten, einschließlich Gas (z. B. Luft) gefüllter Platten und evakuierte Platten, und Laminate bekannt, einschließlich derer, bei denen das Kleberharz eine ziemlich geschmeidige Beschaffenheit hat, so daß es einen Dämpfungseffekt aufweist. Beide, sowohl Hohl- und Mehrschichtenplatten können zur Verbesserung von Schallschwächung bei bestimmten Frequenzen mit dünnen Schichten asymmetrischer Dicke versehen werden. Es ist natürlich bekannt, eine oder mehrere Mehrschichten-Glasplatten in eine Hohlglasplatte einzuarbeiten. Derartige Platten zeigen verschiedene Nachteile, die sie als ungeeignet zur Verwendung unter bestimmten Umständen erscheinen lassen, bei denen es wünschenswert wäre, einen hohen Grad an Schalldämmung zur Verfügung zu stellen.

Gasgefüllte Hohlplatten weisen eine Schallschwächung auf, die zum großen Teil durch die "Dicke" des gasgefüllten Schichtzwischenraums bestimmt wird. Für eine hohe Abschwächung muß der Schichtzwischenraum ziemlich groß sein und dies kann Schwierigkeiten bei der Herstellung und Umrahmung ergeben. Lediglich als ein Beispiel sind solche Platten aufgrund ihrer Dicke ungeeignet zum Einbau in dünnen Trennwänden. Solange wie sie evakuiert sind, können die Platten eine gute Abschwächung mit einem relativ engen Schichtzwischenraum bieten, eine derartige Evakuierung neigt dazu, insbesondere in dem Fall von ziemlich großen Platten, die dünnen Glasschichten der Platten einwärts zu krümmen und dies kann eine nicht gewünschte Reflexionsrichtung ergeben.

Mehrschichtenglasplatten liefern eine Abschwächung, die, allgemein gesagt, abhängig von ihrer Masse ist. Für hohe Abschwächung wird eine hohe spezifische Masse (d. h. Masse pro Flächeneinheit) benötigt. Wiederum lediglich als ein Beispiel sind derartige Platten ungeeignet zum Einbau in Wänden, bei denen Überlegungen bezüglich des Gewichts ein wichtiger Faktor sind.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine zusammengesetzte Glasplatte zur Verfügung zu stellen, die einen sehr hohen Grad an Schallschwächung im Verhältnis zu ihrer gesamten Dicke und spezifischen Masse bietet.

Gemäß der Erfindung wird eine zusammengesetzte Glasplatte, die hohe Schallschwächung liefert, zur Verfügung gestellt, dadurch gekennzeichnet, daß eine derartige Platte zwei Schichten glasartigen Materials enthält, zwischen welchen eine Lage eines Aerogels angeordnet ist, wobei die Sandwichplatte als ein monolithisches Laminat verbunden ist.

Der Ausdruck "monolithisches Laminat" wird hier mit der Bedeutung eines Laminats benutzt, das derart verbunden ist, daß es in der gleichen Art und Weise wie eine einzelne Platte eines Materials mit einem Elastizitätsmodulus, der aus den Elastizitätsmoduli und Dicken der individuellen Schichten des Laminats berechnet werden kann, vibriert. Derartige monolithische Laminate bilden einen Kontrast zu Hohlplatten und Laminaten, die nur schwach zusammengefügt sind, so daß sie sich während Vibration eher wie eine Kiste als wie eine Platte verhalten. Daher gibt es in einem monolithischen Laminat keine "Masse/Zwischenraum/Masse"- Resonanz.

Eine derartige zusammengesetzte Glasplatte bietet einen sehr hohen Schallabschwächungsgrad im Verhältnis zu ihrer gesamten Dicke und spezifischen Masse.

Eine derartige Platte hat den Vorteil zu garantieren, daß zwei wesentliche Seiten der Aerogelschicht gegenüber Luftfeuchtigkeit geschützt sind. Aerogele im allgemeinen sind hoch absorptiv für Luftfeuchtigkeit, wodurch sie zum Spalten und Auflösen zu Staub neigen. Die Ecken eines derartigen Laminats können schnell in einer an sich bekannten Weise durch die Verwendung einer feuchtigkeitsresistenten Dichtungsmasse, wie einer Mastixzubereitung auf Silikonbasis, geschützt werden.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Platte zur Verfügung zu stellen.

Demgemäß stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer zusammengesetzten Glasplatte zur Verfügung, die hohe Schallschwächung bietet, dadurch gekennzeichnet, daß eine Aerogelschicht zwischen zwei Schichten aus glasartigem Material angeordnet ist, und die Sandwichplatte als ein monolithisches Laminat verbunden ist.

Dies ist ein sehr einfaches Verfahren zur Herstellung einer derartigen Platte.

Das verwendete Aerogel ist vorzugsweise ein Aerogel auf Silikabasis. Um eine Aerogelplatte zum Einbau in ein derartiges Laminat zu fertigen, wird eine Schicht des geeigneten Gels in einem Lösungsmittel auf einer geeigneten Formplatte ausgebreitet, und das Lösungsmittel wird aus der Schicht entfernt, so daß eine Aerogelplatte zurückbleibt. In einem bevorzugten Verfahren wird ein Silikagel in Alkohol als Lösungsmittel auf einer Formplatte aufgebreitet, die dann in einen Autoklaven eingebracht wird. Der Autoklav wird mit Druck beaufschlagt, und das Gel wird, falls gewünscht, mit flüssigem Kohlendioxid gespült, um den gesamten oder das meiste des Alkohollösungsmittels zu verdrängen. Der Druck im Autoklaven wird auf einen Druck erhöht, der größer ist als der kritische Druck für die in der Schicht vorhandene Lösungsmittelflüssigkeit (etwa 8 × 10⁶ Pa (80 bar) für Alkohol oder etwa 7,4 × 10⁶ Pa (74 bar) für Kohlendioxid). Die Temperatur im Autoklaven wird dann auf über die kritische Temperatur für dieses Lösungsmittel erhöht (etwa 240°C für Alkohol oder etwa 31°C für CO₂). Zur Ausbildung des Aerogels ist es auf diese Weise möglich, das Lösungsmittel aus der Schicht zu entfernen, ohne daß die Silika-Struktur zusammenfällt, und in der Tat kann die Struktur des Aerogels bis zu 98% Luftblasen pro Volumen enthalten. Die mit diesem Prozeß erhaltene Aerogelplatte wird dann zwischen zwei Glasschichten gelegt, und die Sandwichplatte wird als ein monolithisches Laminat verbunden, um eine erfindungsgemäße Platte zu fertigen.

Erfindungsgemäße Platten können opak sein, beispielsweise können sie als dekorative Platten gefertigt sein, die dann durch Zusatz von Färbemitteln zum Aerogel oder auf andere Weise gefärbt werden können, aber vorzugsweise wird diese Sandwichplatte zur Fertigung eines lichtdurchlässigen Laminats verbunden. Wenn das Laminat lichtdurchlässig ist, kann es als Fensterverschluß oder anderswo, wo Lichtdurchlässigkeit ein wichtiger Faktor ist, verwendet werden. In Abhängigkeit von der Dicke des Aerogels innerhalb des Laminats kann es sogar transparent sein.

Wenn eine vorgefertigte Schicht eines Aerogels mit einer Glasschicht verbunden wird, muß Sorgfalt angewendet werden. Wenn ein Lösungsmittel-Kleber verwendet wird, ist es wahrscheinlich, daß das Lösungsmittel das Aerogel durchdringt, wodurch die Aerogelmatrix zusammenbrechen würde, in mancher Hinsicht auf dem gleichen Weg, wie dies bei der Absorption von Feuchtigkeit der Fall ist.

Vorzugsweise ist daher der Kleber im wesentlichen frei von Lösungsmittel. Daher wird es bevorzugt, wärmeerweichbares oder leicht schmelzbares Klebemittel zu verwenden. Aerogele sind sehr gut in der Lage, Temperaturen der Höhe zu widerstehen, die zum Verschmelzen vieler wärmeerweichbarer Klebemittel benötigt werden. Derartige wärmeerweichbare Klebemittel können in der Form einer dünnen Schicht oder eines Films vorliegen, aber es ist vorteilhaft, daß die Kleber in Pulverform vorliegen, da dies Handhabungsprobleme vereinfacht. Ein derartiger Pulverkleber kann leicht, z. B. mittels einer elektrostatischen, an sich bekannten Sprühtechnik angewendet werden. Leicht schmelzbare Silikonharze sind besonders gut angepaßt, um eine hochwirksame Verbindung zwischen Silika-Aerogelen und Glasschichten, die ebenso reich an Silika sind, auszubilden.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird(werden) die oder wenigstens eine der Aerogelschicht(en) direkt mit der Glasschicht verbunden. Dies vermeidet jegliche Probleme bei der Auswahl und Verwendung einer dazwischenliegenden Klebemittelschicht, und vereinfacht sehr die Herstellung. Die einfachste Weise eine derartige direkte Verbindung sicherzustellen, ist die Verwendung dieser Glasschicht als Formplatte, auf der die Aerogelschicht zuerst gebildet wird. Auf diese Weise wird die oder wenigstens eine der Aerogelschicht(en) direkt auf der Glasschicht gebildet, so daß diese direkt damit verbunden sind. Ein Aerogel auf Silikabasis wird leicht direkt mit der Glassilikamatrix von z. B. einer Glasplatte verbunden.

In einigen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung enthält das Laminat zwei Aerogelschichten, jede direkt mit der Glasschicht verbunden. Durch Zusammenbau von zwei Aerogelschichten, jede direkt auf der Glasschicht zum Fertigen des Laminats ausgebildet, kann leicht eine Platte gefertigt werden, die einen sehr hohen Grad an Schallschwächung im Verhältnis zu ihrer Dicke und ihrem Gewicht aufweist.

Es wird angenommen, daß die Schallschwächung quer durch eine erfindungsgemäße Glasplatte zum großen Teil zurückzuführen ist auf den sehr großen Unterschied in der akustischen Impedanz wie zwischen dem Aerogel und dem glasartigen Material, zurückzuführen auf die sehr niedrige Geschwindigkeit der Schallausbreitung in Aerogel. Jedoch um dieses Phänomen voll auszunutzen, sollte(n) die Aerogelschicht(en) nicht zu dünn sein und es ist demgemäß bevorzugt, daß die oder wenigstens eine der Aerogelschicht(en) eine Dicke von wenigestens 10 mm aufweist(en). Erhöhen der Dicke einer Aerogelschicht ist ebenfalls sehr nützlich für die Wärmedämmung, wenn dies gewünscht wird. Es muß angemerkt werden, daß jedoch die Aerogelschichten einen signifikanten Lichtanteil in einer diffusen Art und Weise durchlassen, und daher sollte die gesamte Dicke des Aerogels in einer Platte nicht zu groß sein, wenn ein hoher Auflösungsgrad durch die Platte hindurch als wichtig betrachtet wird.

Um das Aerogel insgesamt gegen mögliche Angriffe durch atmosphärische Feuchtigkeit zu schützen, ist es bevorzugt, daß das Aerogel hermetisch innerhalb des Laminats abgeschlossen ist. Dies kann auf verschiedenen Wegen bewerkstelligt werden, z. B. durch die Verwendung einer Kantendichtungsmasse des Mastixtyps wie vorgenannt, gegegebenenfalls in Verbindung mit einem Ablaufrinnenrahmen, z. B. aus stranggepreßtem Aluminium. Vorzugsweise jedoch ist das Laminat hermetisch mittels einem oder mehrerer Abstandsstücke abgeschlossen, die sich um die Platte herum erstrecken und die an die Glasschichten des Laminats gelötet sind. Dies schafft einen sehr wirksamen und langwährenden Schutz für das Aerogel.

In einigen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, bei denen das Aerogel hermetisch innerhalb des Laminats abgedichtet ist, ist das Innere des Laminats evakuiert. Vom Gesichtspunkt der Wärmeisolierung aus, ist dies sehr bevorzugt, und es kann ebenso einen nützlichen Vorteil darin haben, daß eine mehr zuverlässigere Erhaltung der sehr niedrigen Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit in Aerogel ermöglicht wird.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nun anhand von Beispielen nur unter Bezug auf die begleitenden schematischen Zeichnungen beschrieben, in denen:

Fig. 1 eine Stufe in der Herstellung einer erfindungsgemäßen Platte zeigt und

Fig. 2 und 3 Querschnitte durch zwei Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Platte sind.

Eine Glasschicht 1 geeigneter Größe und Aussehen hat einen umrahmenden Damm 2, der um seine Peripherie herum angebracht ist (vgl. Fig. 1).

Der über der Schicht 1 gebildete Raum und innerhalb des Damms 2 wird dann mit einer aerogelbildenden Lösung ausgefüllt. Wie in Fig. 1 gezeigt, wird die Schicht 1 innerhalb eines Autoklaven 3 untergebracht, der Gaseinlaß- 4 und Auslaßschieber 5, und eine Heizvorrichtung, gezeigt bei 6, aufweist.

Die verwendete Lösung ist eine Alkogellösung, das ist eine Lösung in Alkohol. Die gelbildende Lösung kann Silika alleine sein, oder es kann Zusätze anderer Oxide, z. B. von Aluminium, Tellur, Germanium oder anderen Materialien haben, so daß dem zu bildenden Aerogel speziell gewünschte Eigenschaften verliehen werden.

Nachdem die aerogelbildende Lösung ausgegossen worden ist und jegliche Blasen entfernt wurden, wird der Lösung erlaubt, ein Gel zu bilden und abzulagern. Das auf diese Weise gebildete Alkogel wird mit flüssigem Kohlendioxid, das die Stelle des Alkohols in der Alkogellösung einnimmt, geläutert. Dies kann durch wiederholtes Waschen der Gellösung bei etwa 18 bis 20°C, bei einem Druck von etwa 5,5 × 10⁶ Pa (55 bar) durchgeführt werden. Dies hat den Vorteil, daß die nächste Herstellungsstufe vereinfacht wird.

Der Druck innerhalb des Autoklaven 3 wird dann erhöht auf über den kritischen Druck des Lösungsmittels, 7,4 × 10⁶ Pa (74 bar) für CO₂, und die Temperatur innerhalb des Autoklaven wird dann erhöht auf über die kritische Temperatur, 31°C für Kohlendioxid. Diese Stufe wird vereinfacht für den Ersatz von Kohlendioxid als Lösungsmittel, da, wenn das Lösungsmittel Alkohol bleibt, die Temperatur und der benötigte Druck 240°C und 8 × 10⁶ Pa (80 bar) übersteigen würden. Typische praktikable Temperaturen für diese Produktionsstufe sind etwa 40°C für Kohlendioxid und etwa 270°C für Alkohol als Lösungsmittel. Kohlendioxid wird in geeigneter Weise als Druckgas, zugeführt über den Einlaßschieber 4, verwendet. Während Trocknung der Schicht wird einem Teil des Dampfes innerhalb des Autoklaven erlaubt, durch den Auslaßschieber 5 zu entweichen, und nach Vervollständigung der Trocknung wird eine Aerogelschicht 7, die mit der Schicht 1 verbunden ist, zurückgelassen.

Die Schicht des Aerogels 7 wird dann zwischen die erste Schicht 1 und einer zweiten Glasschicht gelegt.

Fig. 2 zeigt eine Platte in der die Aerogelschicht 7 mit einer zweiten Schicht aus Glas 8 durch eine dazwischentretende Schicht eines Klebers 9 verbunden ist. Eine derartige Verbindung wird bewirkt durch elektrostatisches Aufsprühen einer Schicht aus pulverförmigem Silikonharz auf die Aerogelschicht 7, Aneinanderfügen der zweiten Schicht 8 an den Klebstoff, und Erwärmen der Zusammenstellung zur Bewirkung einer Verschmelzung des Harzes, so daß nach Kühlung die Sandwichplatte als ein Laminat verbunden ist. Die Platte wird fertiggestellt durch Anbringen eines Mastixmaterials auf Silikonbasis 10 in die Hinterschneidung zwischen der Aerogelschicht 2 und der ersten Schicht 1, welche nach Entfernen des einrahmenden Damms 2 zurückgelassen wurde (Fig. 1).

In Fig. 3 wird eine zweite Ausführungsform der Platte gezeigt, die gebildet wird durch Zusammenkleben zweier Schichten 7 aus Aerogel, wobei jede auf einer Glasscheibe 1 gebildet und direkt mit ihr verbunden ist. Wie das Laminat von Fig. 2, wird das Laminat von Fig. 3 mit Hilfe einer Klebstoffschicht 9 verbunden, die in geeigneter Weise entsprechend gebildet ist.

Jede der Glasschichten 1 von Fig. 3 trägt eine Rand-Metallbedampfungsschicht aus Kupfer, bedeckt von einer Schicht aus Weichlot, diese zusammen sind gezeigt bei 11. Diese Schichten 11 sind vor Bildung der Aerogelschichten 7 aufgetragen worden, und sie wurden abgedeckt durch die umrahmenden Dämme 2 während Ausbildung derartiger Aerogelschichten. Nach Zusammenkleben des Laminats, werden metallische Abstandsstreifen 12 zwischen die Metallbedampfungs/Weichlotschichten rund um den Rand der Platte gelötet, so daß die Aerogelschichten hermetisch von umgebender Atmosphäre abgedichtet sind. Das Innere der Platte kann dann, wenn gewünscht, evakuiert werden.

Derartige Platten, ob gemäß Fig. 2 oder Fig. 3, bieten einen sehr hohen Grad an Schallschwächung, berücksichtigt man ihre gesamte Dicke und ihr Gewicht pro Flächeneinheit, und sie bieten ebenso exzellente Wärmedämmung.

In einer Variante der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform ist der Abstandsstreifen 12 nicht gerade zwischen den zwei Glasschichten geführt, aber er ist vielmehr derart gewählt, so daß der Weg der Wärmeleitung zwischen diesen Schichten rund um ihre Ränder verlängert wird.

In einer weiteren abweichenden Platte, einer gemäß Fig. 2 oder Fig. 3, wird auf das Dichtungsmaterial 10 von Fig. 2 oder den Metallbedampfungsstreifen 11 und den Abstandshalter 12 von Fig. 3 verzichtet. Dafür sind die zwei Glasschichten mit Hilfe einer Glasverbindungsstelle zusammengelötet.

Es kann eingeschätzt werden, daß ein Laminat derart wie in Fig. 2 oder 3 gezeigt, zu ein oder weiteren Elementen zusammengebaut werden kann, um eine Platte einer mehr komplexen Struktur, falls dies gewünscht wird, zu fertigen. Insbesondere kann eine derartige mehr komplexere Platte eine oder mehrere weitere Glasplatten wie 1, die eine direkt geformte Schicht 7 aus Aerogel trägt, enthalten.

Claims (20)

1. Zusammengesetzte Glasplatte, die hohe Schallschwächung liefert, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte zwei Schichten glasartigen Materials enthält, zwischen welchen eine Schicht eines Aerogels angeordnet ist, wobei die Sandwichplatte als ein monolithisches Laminat verbunden ist.

2. Platte gemäß Anspruch 1, bei der das Laminat transparent ist.

3. Platte gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei als Kleber zum Verbinden von Schichten des Laminats ein leicht schmelzendes Silikonharz verwendbar ist.

4. Platte gemäß irgendeinem vorhergehenden Anspruch, bei der die oder wenigstens eine Aerogelschicht direkt mit der Glasschicht verbunden ist.

5. Platte gemäß Anspruch 4, bei der das Laminat zwei Aerogelschichten enthält, wobei jede Schicht direkt mit der Glasschicht verbunden ist.

6. Platte gemäß irgendeinem vorhergehenden Anspruch, bei der die oder wenigstens eine Aerogelschicht wenigstens 10 mm dick ist.

7. Platte gemäß irgendeinem vorhergehenden Anspruch, bei der das Aerogel hermetisch innerhalb des Laminats abgedichtet ist.

8. Platte gemäß Anspruch 7, bei der das Laminat hermetisch mittels einer oder mehrerer Abstandsstücke, die sich um die Platte herum erstrecken, abgedichtet und an die Glasschichten des Laminats gelötet ist.

9. Platte gemäß den Ansprüchen 7 oder 8, bei der das Innere des Laminats evakuiert ist.

10. Verfahren zur Herstellung einer zusammengesetzten Glasplatte, die eine hohe Schallschwächung liefert, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schicht eines Aerogels zwischen zwei Schichten glasartigen Materials gelegt wird, und die Sandwichplatte als ein monolithisches Laminat verbunden wird.

11. Verfahren gemäß Anspruch 10, bei dem die Sandwichplatte zur Bildung eines lichtdurchlässigen Laminats verbunden wird.

12. Verfahren gemäß Anspruch 10 oder 11, bei dem als Kleber zum Verbinden der Schichten des Laminats ein im wesentlichen lösungsmittelfreies, leicht schmelzbares Klebemittel verwendet wird.

13. Verfahren gemäß Anspruch 12, bei dem als Kleber zum Verbinden der Schichten des Laminats ein pulverförmiger Klebstoff verwendet wird.

14. Verfahren gemäß Anspruch 12 oder 13, bei dem als Kleber zum Verbinden der Schichten des Laminats ein Silikonharz verwendet wird.

15. Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 10 bis 14, bei dem die oder wenigestens eine der Aerogelschichten direkt auf der Glasschicht gebildet wird, so daß sie direkt darauf gebunden wird.

16. Verfahren gemäß Anspruch 15, bei dem das Laminat gebildet wird durch Zusammensetzen von zwei Aerogelschichten, wobei jede direkt auf der Glasschicht gebildet wird.

17. Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 10 bis 16, bei dem die oder wenigstens eine Aerogelschicht zu einer Dicke von wenigstens 10 mm geformt wird.

18. Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 10 bis 17, bei dem das Aerogel hermetisch innerhalb des Laminats abgedichtet wird.

19. Verfahren gemäß Anspruch 18, bei dem das Laminat hermetisch mittels einem oder mehrerer Abstandsstücke, die sich um die Platte herum erstrecken und die auf die Glasplatten des Laminats gelötet sind, abgedichtet ist.

20. Verfahren gemäß Anspruch 18 oder 19, bei dem das Innere des Laminats evakuiert wird.