DE60314518T2 - Zusammensetzung auf basis von aerogel, hohlen partikeln und binder, hergestelltes dämmmaterial und herstellungsverfahren - Google Patents

Zusammensetzung auf basis von aerogel, hohlen partikeln und binder, hergestelltes dämmmaterial und herstellungsverfahren Download PDF

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Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Diese Erfindung betrifft eine Aerogel- und Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung, eine Aerogel- und Hohlpartikelisolierungszusammensetzung und ein Verfahren zur Herstellung derselben.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Es ist bekannt, dass Aerogele überlegene thermische und akustische Isolationseigenschaften bereitstellen. Aerogel-Isolierungsmaterialien wurden hergestellt durch Komprimieren von trocknen Partikel-Aerogel-Zusammensetzungen oder durch Verbinden von Aerogel-Partikeln mit Bindemitteln, um eine zusammenhängende Partikelmasse bereitzustellen. Aerogel-Materialien können jedoch schwieriger herzustellen und zu verwenden zu sein als andere Isolierungsmaterialien und sind deshalb teurer. Aerogel-Bindemittelzusammensetzungen tendieren dazu, wenig Widerstand gegen Abrieb und thermischen Abbau unter Hochtemperaturbedingungen bereitzustellen, obwohl sie gute thermische und akustische Isolierungseigenschaften zur Verfügung stellen.
  • Es wäre folglich vorteilhaft, einen Isolierungsartikel zu erhalten, der viele der Vorteile von Aerogel-Isolierungszusammensetzungen (z.B. eine gute thermische und/oder akustische Isolierung) mit reduzierten Kosten und einer verbesserten Haltbarkeit und Hitzebeständigkeit bereitstellt. Die Erfindung stellt einen solchen Artikel sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Artikels bereit. Diese und andere Vorteile der Erfindung sowie zusätzliche erfinderische Merkmale werden durch die hier bereitgestellte Beschreibung der Erfindung deutlich.
  • KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung stellt eine Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung, umfassend, bestehend im Wesentlichen aus oder bestehend aus einem wässrigen Bindemittel, hydrophoben Aerogel-Partikeln, hohlen, nicht-porösen Partikeln und optional einem Schaumbildner bereit. Die Erfindung stellt auch eine Isolierungszusammensetzung umfassend, bestehend im Wesentlichen aus oder bestehend aus (a) einer Isolierungsgrundschicht, umfassend, bestehend im Wesentlichen aus oder bestehend aus einer Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung und (b) einer Schutzschicht, umfassend, bestehend im Wesentlichen aus oder bestehend aus einem schützendem Bindemittel und optional einem Infrarot reflektierenden Mittel und/oder Verstärkungsfasern bereit. Ein Verfahren zum Herstellen einer Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung wird auch bereitgestellt, umfassend, bestehend im Wesentlichen aus, oder bestehend aus (a) dem Bereitstellen einer Bindemittelzusammensetzung, umfassend, bestehend im Wesentlichen aus oder bestehend aus einem wässrigen Bindemittel und einem Schaumbildner, (b) dem Schütteln der Bindemittelzusammensetzung, um eine geschäumte Bindemittelzusammensetzung bereitzustellen und (c) dem Vereinigen der geschäumten Bindemittelzusammensetzung mit hydrophoben Aerogel-Partikeln und hohlen, nicht-porösen Partikeln, um eine Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung bereitzustellen. Es wird auch ein Verfahren zum Herstellen einer Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung bereitgestellt, umfassend, bestehend im Wesentlichen aus oder bestehend aus (a) dem Bereitstellen einer Bindemittelzusammensetzung, umfassend, bestehend im Wesentlichen aus oder bestehend aus einem wässrigen Bindemittel und optional einem Schaumbildner, (b) dem Bereitstellen von hydrophoben Aerogel-Partikeln und hohlen, nicht porösen Partikeln und (c) dem gleichzeitigen Auftragen der Bindemittelzusammensetzung, der Aerogel-Partikel und der hohlen, nicht-porösen Partikel auf ein Substrat, woraufhin die Bindemittelzusammensetzung mit der Aerogel-Zusammensetzung gemischt wird, um eine Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung bereitzustellen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzunq
  • Die Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung umfasst, besteht im Wesentlichen aus oder besteht aus einem wässrigen Bindemittel, hydrophoben Aerogel-Partikeln, hohlen, nicht-porösen Partikeln und optional einem Schaumbildner.
  • Jegliche geeigneten hydrophoben Aerogel-Partikel können in Verbindung mit der Erfindung verwendet werden. Geeignete hydrophobe Aerogel-Partikel beinhalten organische Aerogel-Partikel wie Resorzinol-Formaldehyd- oder Melamin-Formaldehyd-Aerogel-Partikel und anorganische Aerogel-Partikel wie Metalloxidaerogel-Partikel (z.B. Kieselsäure-, Titandioxid- und Aluminiumoxid-Aerogele). Metalloxidaerogel-Partikel, insbesondere Kieselsäure-Aerogel-Partikel sind bevorzugt. Geeignete hydrophobe Aerogel-Partikel sind kommerziell erhältlich und Verfahren zum Herstellen geeigneter hydrophober Aerogele sind bekannt (siehe z.B. WO 99/36355 A2 ; WO 99/36356 A2 ; WO 99/ 36479 A1 ; WO 98/45210 A2 ; WO 98/45035 A1 ; WO 98/45032 A1 ; WO 96/18456 A2 ).
  • Die hydrophoben Aerogel-Partikel umfassen wünschenswerterweise Trübungsmittel (opacifying agents), die die thermische Leitfähigkeit der hydrophoben Aerogel-Partikel vermindern. Jegliches geeignete Trübungsmittel kann verwendet werden, einschließlich aber nicht beschränkt auf Ruß, Kohlefaser, Titandioxid oder modifizierte kohlehaltige Komponenten wie z.B. in WO 96/18456 A2 beschrieben. Die hydrophoben Aerogel-Partikel können auch Fasern enthalten. Geeignete Fasern beinhalten jegliche der in den folgenden Abschnitten diskutierten.
  • Die Größe der verwendeten hydrophoben Aerogel-Partikel hängt zum Teil von der gewünschten Dicke ab, in der die Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung auf das Substrat aufgebracht werden soll (z.B. als eine Isolierungsgrundschicht einer isolierungszusammensetzung wie in den folgenden Abschnitten beschrieben). Für die Zwecke der Erfindung werden die Begriffe „Partikelgröße" und „Partikeldurchmesser" synonym verwendet. Im allgemeinen stellen größere Aerogel-Partikel eine größere thermische Isolierung bereit; die Aerogel-Partikel sollten jedoch relativ klein sein verglichen mit der Dicke einer Schicht der Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung (z.B. der Isolierungsgrundschicht einer Isolierungszusammensetzung), um es dem wässrigen Bindemittel zu ermöglichen, die hydrophoben Aerogel-Partikel zu umgeben und eine Martix zu bilden. Für die meisten Anwendungen ist es geeignet, hydrophobe Aerogel-Partikel zu verwenden, die einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser (nach Gewicht) von etwa 5 mm oder weniger (z.B. etwa 0,01–5 mm) aufweisen. Vorzugsweise haben die hydrophoben Aerogel-Partikel einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser (nach Gewicht) von etwa 3 mm oder weniger (z.B. etwa 0,1–3 mm) oder etwa 2 mm oder weniger (z.B. etwa 0,5–2 mm oder etwa 1–1,5 mm). Vorzugsweise weisen die in Verbindung mit der Erfindung verwendeten hydrophoben Aerogel-Partikel eine enge Teilchengrößenverteilung auf. Folglich ist es zum Beispiel bevorzugt, hydrophobe Aerogel-Partikel zu verwenden, worin wenigstens etwa 95% der hydrophoben Aerogel-Partikel (nach Gewicht) ei nen Teilchendurchmesser von etwa 5 mm oder weniger (z.B. etwa 0,01–5 mm), vorzugsweise etwa 3 mm oder weniger (z.B. etwa 0,01–3 mm) oder sogar etwa 2 mm oder weniger (z.B. etwa 0,5–2 oder etwa 1–1,5 mm) aufweisen. Wünschenswerterweise sind die hydrophoben Aerogel-Partikel annähernd sphärisch in ihrer Form. Die Teilchengröße und/oder Form der hydrophoben Aerogel-Partikel kann sich ändern, wenn die Partikel mit anderen Komponenten der Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung vereinigt werden, in Folge des Mischverfahrens oder anderer Faktoren (z.B. können die hydrophoben Aerogel-Partikel gebrochen werden). Folglich beziehen sich alle Partikelgrößen und Formen wie oben erwähnt auf die Partikelgrößen und Formen der hydrophoben Aerogel-Partikel vor ihrer Verbindung mit anderen Komponenten der Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung. Wünschenswerterweise weisen die hydrophoben Aerogel-Partikel nach ihrer Verbindung mit den anderen Komponenten der Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung eine Partikelgröße auf, die in etwa dieselbe ist wie die Größe der hydrophoben Aerogel-Isolierungspartikel vor einer solchen Verbindung (d.h. wie oben beschrieben).
  • Jegliche geeignete Arten von hohlen, nicht-porösen Partikeln können in Verbindung mit der Erfindung verwendet werden, einschließlich Materialien, die als Mikrokugeln (microspheres), Mikrobläschen (microbubbles), Mikrohohlperlen (microballoons), Cenosphere und andere üblicherweise in der Technik verwendete Begriffe bezeichnet werden. Der Begriff „nicht-porös", wie in Verbindung mit der Erfindung verwendet, meint, dass die Wand der Hohlpartikel es dem Matrixbindemittel nicht erlaubt, in den Innenraum der Partikel in irgendeinem wesentlichen Maß einzudringen. Mit „wesentlichem Maß" ist eine Menge gemeint, die die thermische Leitfähigkeit des hohlen, nicht-porösen Teilchens oder der Isolierungszusammensetzung erhöhen würde. Die hohlen, nicht-porösen Teilchen können aus jedem geeigneten Material, einschließlich organischen und anorganischen Materialien, hergestellt sein und sind vorzugsweise aus einem Material mit einer relativ niedrigen thermischen Leitfähigkeit hergestellt. Organische Materialien beinhalten z.B. Vinylidenchlorid/Acrylnitril-Materialien, phenolische Materialien, Harnstoff-Formaldehyd-Materialien, Polystyrolmaterialien oder thermoplastische Harze. Anorganische Materialien beinhalten z.B. Glas, Kieselsäure, Titandioxid, Aluminiumoxid, Quarz, Flugasche und keramische Materialien. Weiterhin kann die hitzebeständige Isolierungszusammensetzung eine Mischung jeglicher der vorstehenden Arten an hohlen, nicht-porösen Partikeln (z.B. anorganischen und organischen hohlen, nicht-porösen Partikeln) umfassen. Der Hohlraum der Hohlpartikel umfasst typischerweise ein Gas wie Luft (d.h. die Hohlpartikel können eine Schale aus nicht-porösem Material umfassen, das ein Gas einkapselt). Geeignete hohle, nicht-poröse Teilchen sind kommerziell erhältlich. Beispiele geeigneter hohler, nicht-poröser Teilchen beinhalten Glasmikrokugeln ScotchliteTM und keramische Mikrokugeln ZeeospheresTM (beide hergestellt von 3M Inc.). Geeignete hohle, nicht-poröse Partikel beinhalten auch Mikrokugeln EXPANCEL® (hergestellt von Akzo Nobel), die aus einer thermoplastischen Harzummantelung bestehen, die ein Gas einkapselt.
  • Die Größe der hohlen, nicht-porösen Teilchen wird teilweise von der besonderen Anwendung abhängen, für die die Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung verwendet wird (z.B. die Dicke, in der die Zusammensetzung auf ein Substrat aufgebracht werden kann). Für die Zwecke der Erfindung werden die Begriffe „Partikelgröße" und „Partikeldurchmesser" synonym verwendet. Vorzugsweise haben die hohlen, nicht-porösen Partikel eine durchschnittliche Partikelgröße (nach Gewicht), die kleiner ist als die durchschnittliche Partikelgröße der hydrophoben Aerogel-Partikel, so dass die hohlen, nicht-porösen Partikel den Raum zwischen den Aerogel-Partikeln füllen können, der andernfalls mit einem Bindemittel oder einem anderen festen Material gefüllt würde. Durch ein Ersetzen des festen Materials (z.B. Bindemittels) zwischen den Aerogel-Partikeln durch hohle, nicht-poröse Partikel kann die thermische Leitfähigkeit der Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung (z.B. eine Isolierungszusammensetzung, umfassend die Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung) vermindert werden im Vergleich zur selben Zusammensetzung in Abwesenheit der hohlen, nicht-porösen Partikel. Für die meisten Anwendungen ist es geeignet, hohle, nicht-poröse Partikel mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser (nach Gewicht) von etwa 1 mm oder weniger (z.B. etwa 0,01–1 mm) wie etwa 0,5 mm oder weniger (z.B. etwa 0,01–5 mm, etwa 0,015–5 mm oder etwa 0,02–0,5 mm) zu verwenden. Typischerweise werden die hohlen, nicht-porösen Partikel einen durchschnittlichen Partikeldurchmesser (nach Gewicht) von etwa 0,001 mm oder mehr (z.B. etwa 0,005 mm oder mehr oder etwa 0,01 mm oder mehr) aufweisen. Für einige Anwendungen ist es wünschenswert, dass das Verhältnis der durchschnittlichen Partikelgröße der hydrophoben Aerogel-Partikel zu der durchschnittlichen Partikelgröße der hohlen, nicht-porösen Partikel wenigstens etwa 8:1 wie wenigstens etwa 10:1 oder sogar wenigstens etwa 12:1 ist.
  • Die in Verbindung mit der Erfindung verwendeten hohlen, nicht-porösen Partikel haben wünschenswerterweise eine enge Partikelgrößenverteilung. Folglich ist es z.B. bevor zugt, hohle, nicht-poröse Partikel zu verwenden, worin wenigstens etwa 95% der hohlen, nicht-porösen Partikel (nach Gewicht) einen Partikeldurchmesser von 1 mm oder weniger (z.B. etwa 0,01–1 mm) oder etwa 0,5 mm oder weniger (z.B. etwa 0,015–5 mm oder etwa 0,02–0,5 mm) aufweisen.
  • Eine jegliche Menge der hydrophoben Aerogel-Partikel und hohlen, nicht-porösen Partikel kann in der Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung verwendet werden. Z.B. kann die Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung hydrophobe Aerogel-Partikel und hohle, nicht-poröse Partikel in einer vereinigten Menge von etwa 5–99 Vol.% basierend auf dem gesamten Flüssig/Fest-Volumen der Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung umfassen. Das gesamte Flüssig/Fest-Volumen der Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung kann bestimmt werden durch Messen des Volumens der vereinigten flüssigen und festen Komponenten der Isolierungsgrundschicht (z.B. hydrophobe Aerogel-Partikel, hohle, nicht-poröse Partikel, Bindemittel, Schaumbildner etc.). Falls die Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung (z.B. das Bindemittel der Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung) geschäumt werden soll, ist das gesamte Flüssig/Fest-Volumen der Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung das Volumen der vereinigten flüssigen und festen Komponenten der Isolierungsgrundschicht vor dem Schäumen. Natürlich vermindert sich die thermische Leitfähigkeit der Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung wie der Anteil der hydrophoben Aerogel-Partikel und hohlen, nicht-porösen Partikel sich erhöht, was eine erhöhte thermische Isolierungsleistung ergibt; die mechanische Festigkeit und Integrität der Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung nimmt jedoch mit steigenden Anteilen der hydrophoben Aerogel-Partikel und hohlen, nicht-porösen Partikel in Folge einer Abnahme der relativen Menge des verwendeten wässrigen Bindemittels ab. Entsprechend ist es oft wünschenswert, etwa 50–95 Vol.-% vereinigte Aerogel-Partikel und hohle, nicht-poröse Partikel in der Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung, starker bevorzugt etwa 75–90 Vol.-% vereinigte Aerogel-Partikel und hohle, nicht-poröse Partikel zu verwenden.
  • Die relativen Mengen der in der Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung verwendeten hohlen, nicht-porösen Partikel und hydrophoben Aerogel-Partikel können in Abhängigkeit der gewünschten Eigenschaften des Endprodukts eingestellt werden. Sowie die Menge der hydrophoben Aerogel-Partikel, die in der Zusammensetzung anwesend sind, im Verhältnis zur Menge der anwesenden hohlen, nicht-porösen Partikel zu nimmt, wird die thermische Leitfähigkeit reduziert, wodurch die thermische Isolierungsleistung der Zusammensetzung sich verbessert; da jedoch die Aerogel-Materialien teurer und weniger haltbar sind als die hohlen, nicht-porösen Partikel, nehmen die Kosten des Materials zu und es wird erwartet, dass die mechanische Festigkeit und Haltbarkeit des Materials abnimmt. Für die meisten Anwendungen ist es geeignet, etwa gleiche Mengen (nach Gewicht) hohler, nicht-poröser Partikel und hydrophober Aerogel-Partikel (z.B. in einem Verhältnis hydrophober Aerogel-Partikel zu hohlen, nicht-porösen Partikeln von etwa 80:20 bis etwa 20:80 oder etwa 60:40 bis 40:60 wie etwa 50:50) zu verwenden.
  • Ein jegliches geeignetes wässriges Bindemittel kann in Verbindung mit der Erfindung verwendet werden. Der Begriff „wässriges Bindemittel" wie hier verwendet bezeichnet ein Bindemittel, das vor der Trocknung wasserdispergierbar oder wasserlöslich ist. Es soll folglich verstanden werden, dass der Begriff „wässriges Bindemittel" verwendet wird, um ein wässriges Bindemittel in dessen nassen oder trockenen Zustand (z.B. bevor oder nachdem das wässrige Bindemittel getrocknet oder gehärtet wurde, in welchem Zustand das Bindemittel nicht länger Wasser umfassen kann) bezeichnen soll, sogar obwohl das wässrige Bindemittel nicht in Wasser dispergierbar oder löslich sein kann, nachdem das Bindemittel getrocknet oder gehärtet wurde. Das jeweilige gewählte wässrige Bindemittel sollte eines sein, das die Oberfläche der hydrophoben Aerogel-Partikel nicht in irgendeinem signifikanten Maße durchdringt. Bevorzugte wässrige Bindemittel sind diejenigen, die nach dem Trocknen eine wasserbeständige Bindemittelzusammensetzung bereitstellen. Geeignete wässrige Bindemittel beinhalten z.B. acrylische Bindemittel, Silikon enthaltende Bindemittel, phenolische Bindemittel, Vinylacetat-Bindemittel, Ethylen-Vinylacetat-Bindemittel, Styrol-Acrylat-Bindemittel, Styrol-Butadien-Bindemittel, Polyvinylalkohol-Bindemittel und Polyvinylchlorid-Bindemittel und Acrylamid-Bindemittel sowie Mischungen und Copolymere derselben. Das Bindemittel kann alleine oder in Verbindung mit geeigneten Vernetzern verwendet werden. Bevorzugte wässrige Bindemittel sind wässrige acrylische Bindemittel.
  • Die Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung kann eine jegliche Menge des wässrigen Bindemittels umfassen. Z.B. kann die Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung 1–95 Vol.-% des wässrigen Bindemittels basierend auf dem gesamten Flüssig/Fest-Volumen der Isolierungsgrundschicht umfassen. Natürlich nimmt der Anteil an Aerogel und hohlen, nicht-porösen Partikeln notwendigerweise in dem Maße ab, wie der Anteil des wässrigen Bindemittels zunimmt, und als ein Ergebnis nimmt die thermische Leitfähigkeit der Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung zu. Entsprechend ist es wünschenswert, so wenig an wässrigen Bindemittel zu verwenden, wie erforderlich ist, um einen gewünschten Grad an mechanischer Festigkeit zu erzielen. Für die meisten Anwendungen umfasst die Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung etwa 1–50 Vol.-% wässriges Bindemittel oder etwa 5–25 Vol.-% wässriges Bindemittel oder sogar etwa 5–10 Vol.-% wässriges Bindemittel.
  • Die Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung umfasst bevorzugt einen Schaumbildner. Ohne an irgendeine bestimmte Theorie gebunden sein zu wollen wird angenommen, dass der Schaumbildner die Adhäsion zwischen den hydrophoben Aerogel-Partikeln und/oder den hohlen, nicht-porösen Partikeln und dem wässrigen Bindemittel erhöht. Es wird auch angenommen, dass der Schaumbildner die Fließeigenschaften des wässrigen Bindemittels (z.B. für sprühbare Anwendungen) verbessert und insbesondere dem Bindemittel erlaubt, durch Schütteln oder Mischen (z.B. Schaumbildung) des vereinigten Bindemittels und Schaumbildners vor oder nach der Beimischung der hydrophoben Aerogel-Partikel und/oder hohlen, nicht-porösen Partikel geschäumt zu werden, obwohl der Schaumbildner ohne Schäumen des Bindemittels verwendet werden kann. Zusätzlich kann das geschäumte Bindemittel vorteilhafterweise verwendet werden, um eine geschäumte Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung mit einer geringeren Dichte als eine nicht-geschäumte Zusammensetzung bereitzustellen.
  • Obwohl das Bindemittel durch die Verwendung eines Schaumbildners unter Schütteln oder Mischen geschäumt werden kann, kann das Bindemittel natürlich unter Verwendung anderer Verfahren entweder mit oder ohne die Verwendung eines Schaumbildners geschäumt werden. Z.B. kann das Bindemittel unter Verwendung verdichteter Gase oder Treibmittel geschäumt werden oder das Bindemittel kann durch Durchleiten des Bindemittels durch eine Düse (z.B. eine Düse, die eine hohe Scherkraft (high-shear) oder Wirbelströmung erzeugt) geschäumt werden.
  • Ein jeglicher geeignete Schaumbildner kann in der Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung verwendet werden. Geeignete Schaumbildner beinhalten, sind jedoch nicht beschränkt auf, Schaum verstärkende Tenside (z.B. nicht-ionische, kationische, anionische und zwitterionische Tenside) sowie andere kommerziell erhältliche Schaum verstärkende Mittel oder Mischungen derselben. Der Schaumbildner sollte in einer ausreichenden Menge anwesend sein, damit das wässrige Bindemittel geschäumt werden kann, falls ein solches Schäumen erwünscht ist. Vorzugsweise werden etwa 0,1–5 Gew.-% wie etwa 0,5–2 Gew.-% an Schaumbildner verwendet.
  • Die thermische Leitfähigkeit der Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung wird nach Trocknung teilweise von der jeweiligen Formulierung abhängen, die verwendet wurde, um die Isolierungsgrundschicht bereitzustellen. Vorzugsweise wird die Isolierungsgrundschicht so formuliert, dass sie nach Trocknung eine thermische Leitfähigkeit von etwa 45 mW/(m·K) oder weniger, stärker bevorzugt etwa 42 mW/(m·K) oder weniger oder sogar etwa 40 mW/(m·K) oder weniger (z.B. etwa 35 mW/(m·K)) aufweist.
  • Ähnlich wird die Dichte der Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung nach Trocknung teilweise von der jeweiligen verwendeten Formulierung abhängen. Vorzugsweise wird die Isolierungsgrundschicht so formuliert, dass sie nach Trocknung eine Dichte von etwa 0,5 g/cm3 oder weniger, vorzugsweise etwa 0,3 g/cm3 oder weniger, wie etwa 0,2 g/cm3 oder weniger, oder sogar etwa 0,1 g/cm3 oder weniger (z.B. etwa 0,05 g/cm3 oder weniger) aufweist.
  • Die Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung kann auch Verstärkungsfasern umfassen. Die Verstärkungsfasern können der Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung und entsprechend einer hitzebeständigen Isolierungszusammensetzung, umfassend die Bindemittelzusammensetzung, zusätzliche mechanische Festigkeit verleihen. Es können Fasern eines jeglichen geeigneten Typs, wie Glasfaser, Aluminiumoxid, Kalziumphosphat, Mineralwolle, Wollastonit, Keramik, Cellulose, Kohlenstoff, Baumwolle, Polyamid, Polybenzimidazol, Polyaramid, Acryl, Phenol, Polyester, Polyethylen, PEEK, Polypropylen und andere Typen an Polyolefinen oder Mischungen derselben verwendet werden. Bevorzugte Fasern sind hitze- und feuerbeständig wie es Fasern sind, die keine atembaren Stücke (respirable pieces) aufweisen. Die Fasern können auch von einem Typ sein, der Infrarotstrahlung reflektiert, wie Kohlefasern, metallisierte Fasern oder Fasern anderer geeigneter Infrarot reflektierender Materialien. Die Fasern können in Form individueller Fäden einer jeglichen geeigneten Länge vorliegen, die z.B. durch Sprühen der Fasern auf ein Substrat mit den anderen Komponenten der Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung (z.B. durch Mischen der Fasern mit einer oder mehreren der anderen Komponenten der Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung vor dem Sprühen oder durch separates Sprühen der Fa sern auf das Substrat) aufgebracht werden können. Alternativ können die Fasern in Form von Geweben oder Netzen vorliegen, die z.B. auf das Substrat aufgebracht werden können und die anderen Komponenten der Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung können gesprüht, verteilt oder in anderer Weise über das Gewebe oder Netz aufgebracht werden. Die Fasern können in jeglicher Menge verwendet werden, die ausreichend ist, um einen gewünschten Grad mechanischer Festigkeit für die jeweilige Anwendung zu ergeben, in der die Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung verwendet wird. Typischerweise sind die Fasern in einer Menge von etwa 0,1–50 Gew.-%, wünschenswerterweise in einer Menge von etwa 1–20 Gew.-%, wie einer Menge von etwa 2 bis 10 Gew.-%, basierend auf dem Gewicht der Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung anwesend.
  • Isolierungszusammensetzung
  • Die Isolierungszusammensetzung der Erfindung umfasst, besteht im Wesentlichen aus oder besteht aus (a) einer Isolierungsgrundschicht, umfassend, bestehend im Wesentlichen aus oder bestehend aus der Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung wie hier beschrieben, und (b) einer Schutzschicht, umfassend, bestehend im Wesentlichen aus oder bestehend aus einem schützenden Bindemittel und optional einem Infrarot reflektierenden Mittel und/oder Verstärkungsfasern.
  • Die Isolierungsgrundschicht kann eine jegliche gewünschte Dicke aufweisen. Isolierungszusammensetzungen, umfassend dickere isolierungsgrundschichten haben größere thermische und/oder akustische Isolierungseigenschaften; die Isolierungszusammensetzung der Erfindung erlaubt jedoch die Verwendung einer relativ dünnen Isolierungsgrundschicht, obwohl sie noch ausgezeichnete thermische und/oder akustische Isolierungseigenschaften bereitstellt. Für die meisten Anwendungen stellt eine Isolierungsgrundschicht, die etwa 1–15 mm dick ist, wie etwa 2–6 mm dick, eine adäquate Isolierung bereit.
  • Die Schutzschicht verleiht der Isolierungszusammensetzung einen höheren Grad an mechanischer Festigkeit und/oder schützt die Isolierungsgrundschicht vor einem Abbau infolge eines oder mehrerer Umweltfaktoren (z.B. Hitze, Feuchtigkeit, Abrieb, Einschlag etc.). Das schützende Bindemittel kann ein jegliches geeignetes Bindemittel sein, das gegenüber den jeweiligen Bedingungen (z.B. Hitze, Spannung, Feuchtigkeit etc.) be ständig ist, denen die Isolierungszusammensetzung ausgesetzt sein wird. Folglich wird die Auswahl des Bindemittels teilweise von den jeweiligen für die Isolierungszusammensetzung gewünschten Eigenschaften abhängen. Das schützende Bindemittel kann dasselbe oder verschieden von dem wässrigen Bindemittel der Isolierungsgrundschicht sein. Geeignete Bindemittel beinhalten wässrige und nicht-wässrige natürliche und synthetische Bindemittel. Beispiele solcher Bindemittel beinhalten ein jegliches der wässrigen Bindemittel, die zur Verwendung in der Isolierungsgrundschicht geeignet sind, wie hier vorgehend beschrieben, sowie nicht-wässrige Bindemittel. Bevorzugte Bindemittel sind wässrige Bindemittel wie wässrige acrylische Bindemittel. Besonders bevorzugt sind selbstvernetzende Bindemittel wie selbstvernetzende acrylische Bindemittel. Die Schutzschicht kann im Wesentlichen oder vollständig frei von hohlen, nicht-porösen Partikeln sein und ist vorzugsweise im Wesentlichen oder vollständig frei von Aerogel-Partikeln. Mit im Wesentlichen frei von Aerogel-Partikeln und/oder hohlen, nicht-porösen Partikeln ist gemeint, dass die Schutzschicht etwa 20 Vol.-% oder weniger, wie etwa 10 Vol.-% oder weniger, oder sogar etwa 5 Vol.-% oder weniger (z.B. etwa 1 Vol.-% oder weniger) an Aerogel-Partikeln und/oder hohlen, nicht-porösen Partikeln enthält.
  • Das Infrarot reflektierende Mittel kann eine jegliche Verbindung oder Zusammensetzung sein, die Infrarotstrahlung reflektiert oder anderweitig blockiert, einschließlich Trübungsmitteln wie Ruß, Kohlefasern, Titanoxide (Rutile) und metallische und nicht-metallische Partikel, Fasern, Pigmente und Mischungen derselben. Bevorzugte Infrarot reflektierende Mittel beinhalten metallische Partikel, Pigmente und Pasten, wie Aluminium, rostfreien Stahl, Kupfer/Zink-Legierungen und Kupfer/Chrom-Legierungen. Aluminiumpartikel, Pigmente und Pasten sind besonders bevorzugt. Um das Infrarot reflektierende Mittel vom Absetzen in dem schützenden Bindemittel abzuhalten, umfasst die Schutzschicht vorteilhafterweise ein Anti-Absetzungsmittel. Geeignete Anti-Absetzungsmittel beinhalten kommerziell erhältliche pyrogene (fumed) Metalloxide, Tonerden und organische Stellmittel (suspending agents). Bevorzugte Anti-Absetzungsmittel sind pyrogene Metalloxide, wie pyrogene Kieselsäure, und Tonerden, wie Hectorite. Die Schutzschicht kann auch Benetzungsmittel, wie nicht-schäumende Tenside, umfassen.
  • Bevorzugte Formulierungen der Schutzschicht umfassen Verstärkungsfasern. Die Verstärkungsfasern können der Schutzschicht und entsprechend der hitzebeständigen Isolierungszusammensetzung zusätzliche mechanische Festigkeit verleihen. Fasern eines jeglichen Typs können verwendet werden, wie Glasfaser, Aluminiumoxid, Kalziumphos phat, Mineralwolle, Wollastonit, Keramik, Cellulose, Kohlenstoff, Baumwolle, Polyamid, Polybenzimidazol, Polyaramid, Acryl, Phenyol, Polyester, Polyethylen, PEEK, Polypropylen und andere Typen von Polyolefinen oder Mischungen derselben. Bevorzugte Fasern sind hitze- und feuerbeständig wie es Fasern sind, die keine atembaren Stücke aufweisen. Die Fasern können auch von einem Typ sein, der Infrarotstrahlung reflektiert, und können zusätzlich oder an Stelle der vorstehend erwähnten Infrarot reflektierenden Mittel verwendet werden. Z.B. können Kohlefasern oder metallisierte Fasern verwendet werden, die sowohl Verstärkung als auch Infrarot-Reflexionsvermögen bereitstellen. Die Fasern können in Form individueller Fäden einer jeglichen geeigneten Länge vorliegen, die z.B. durch Sprühen der Fasern auf die Isolierungsgrundschicht mit den anderen Komponenten der Schutzschicht (z.B. durch Mischen der Fasern mit einer oder mehreren der anderen Komponenten der Schutzschicht vor dem Sprühen oder durch separates Sprühen der Fasern auf die Isolierungsgrundschicht) aufgebracht werden. Alternativ können die Fasern in Form von Geweben oder Netzen vorliegen, die z.B. auf die Isolierungsgrundschicht aufgerbacht werden können und die anderen Komponenten der Schutzschicht können über das Gewebe oder Netz gesprüht, verteilt oder in anderer Weise aufgebracht werden. Die Fasern können in einer jeglichen Menge verwendet werden, die ausreichend ist, den gewünschten Grad an mechanischer Festigkeit für die jeweilige Anwendung zu ergeben, in der die Isolierungszusammensetzung verwendet werden wird. Typischerweise sind die Fasern in der Schutzschicht in einer Menge von etwa 0,1–50 Gew.-%, wünschenswerterweise in einer Menge von etwa 1–20 Gew.-%, wie in einer Menge von etwa 2–10 Gew.-%, basierend auf dem Gewicht des schützenden Bindemittels und des Infrarot reflektierenden Mittels vorhanden.
  • Die Dicke der Schutzschicht wird teilweise von dem Grad des gewünschten Schutzes und der gewünschten Festigkeit abhängen. Während die Schutzschicht eine jegliche Dicke haben kann, ist es oft wünschenswert, die Dicke der Isolierungszusammensetzung minimal zu halten und so die Dicke der Schutzschicht auf das erforderliche Minimum zu reduzieren, um einen adäquaten Grad an Schutz für die jeweilige Anwendung bereitzustellen. Im Allgemeinen kann ein adäquater Schutz durch eine Schutzschicht bereitgestellt werden, die etwa 1 mm (dick) oder weniger dick ist.
  • Die thermische Leitfähigkeit der Isolierungszusammensetzung wird in erster Linie von der jeweiligen Formulierung der Isolierungsgrundschicht abhängen, obwohl die Formulierung der Schutzschicht einen gewissen Einfluss haben kann. Vorzugsweise ist die Isolie rungszusammensetzung so formuliert, dass sie nach der Trocknung eine thermische Leitfähigkeit von etwa 45 mW/(m·K) oder weniger, starker bevorzugt etwa 42 mW/(m·K) oder weniger, oder sogar etwa 40 mW/(m·K) oder weniger (z.B. etwa 35 mW/(m·K)) aufweist.
  • Die durch die Erfindung bereitgestellte Isolierungszusammensetzung ist wünschenswerterweise hitzebeständig. Der Begriff „hitzebeständig", wie er zur Beschreibung der Isolierungszusammensetzung der Erfindung verwendet wird, bedeutet, dass die Isolierungszusammensetzung unter hohen Hitzebedingungen nicht wesentlich abbaut. Eine Isolierungszusammensetzung wird als hitzebeständig im Sinne der Erfindung angesehen, falls nach Aussetzung gegenüber hohen Hitzebedingungen für eine Zeitdauer von einer Stunde die Isolierungszusammensetzung wenigstens etwa 85%, vorzugsweise wenigstens etwa 90%, starker bevorzugt wenigstens etwa 95% oder sogar wenigstens etwa 98% oder alles ihrer ursprünglichen Masse behält. Speziell werden die hohen Hitzebedingungen bereitgestellt durch die Verwendung eines 250 W Hitzeelements (IRB, hergestellt von Edmund Bühler GmbH, Deutschland) verbunden mit einem Heißluftbläser (HG3002 LCD, hergestellt durch Steinel GmbH, Deutschland) mit dünnen Aluminiumplatten, die um das Element angeordnet sind, um eine Röhre zu bilden. Die Isolierungszusammensetzung ist den hohen Hitzebedingungen (Schutzschicht gegenüberliegend dem Hitzeelement) in einer Entfernung von etwa 20 mm von dem Hitzelement ausgesetzt, wobei der Heißluftbläser (bei voller Gebläseeinstellung und niedrigster Hitzeeinstellung) einen kontinuierlichen Luftstrom zwischen dem Hitzeelement und der Isolierungszusammensetzung bereitstellt. Wünschenswerterweise baut die Isolierungszusammensetzung unter solchen Bedingungen nicht sichtbar ab.
  • Wenn die Isolierungszusammensetzung unter Bedingungen einer bestimmten Flammbarkeitsklassifikation verwendet werden soll, z.B. wo sie offenen Flammen oder extrem hohen Temperaturbedingungen ausgesetzt werden könnte, beinhaltet die Isolierungszusammensetzung wünschenswerterweise einen geeigneten Flammhemmer. Der Flammhemmer kann in der Isolierungsgrundschicht und/oder der Schutzschicht der Isolierungszusammensetzung eingefügt sein. Geeignete Flammhemmer beinhalten Aluminiumhydroxide, Magnesiumhydroxide, Ammoniumpolyphosphate und verschiedene Phosphor enthaltende Substanzen und andere kommerzielle erhältliche Flammhemmer und intumeszente Mittel.
  • Die Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung oder die Isolierungszusammensetzung (z.B. die Isolierungsgrundschicht und/oder die Schutzschicht der Isolierungszusammensetzung) können zusätzlich andere Komponenten umfassen, wie ein jegliches von verschiedenartigen bekannten Additiven. Beispiele solcher Additive beinhalten die Fließeigenschaften kontrollierende Mittel und Eindicker, wie pyrogene Kieselsäure, Polyacrylate, Polycarboxylsäuren, Cellulosepolymere sowie natürliche Gummis, Stärken und Dextrine. Andere Additive beinhalten, wie erforderlich, Lösemittel und Colösemittel sowie Wachse, Tenside und härtende und vernetzende Mittel, unter der Voraussetzung, dass sie in solchen Mengen verwendet werden, dass sie nicht das Bindemittelsystem dazu veranlassen, in die hydrophoben Aerogel-Partikel in irgendeinem signifikanten Maße einzudringen.
  • Verfahren zum Herstellen einer Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung und Isolierungszusammensetzung
  • Die Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung kann durch ein jegliches geeignetes Verfahren bereitgestellt werden. Z.B. können die hydrophoben Aerogel-Partikel, die hohlen, nicht-porösen Partikel und das wässrige Bindemittel durch jegliches geeignetes Verfahren vereinigt werden, um eine Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung zu bilden, die anschließend auf ein Substrat z.B. durch Ausbreiten, Extrudieren oder Sprühen der Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung auf das Substrat aufgebracht werden kann.
  • Vorzugsweise wird die Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung jedoch durch ein anderes Verfahren der Erfindung bereitgestellt. Insbesondere umfasst, besteht im Wesentlichen aus oder besteht das Verfahren zum Herstellen der Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung der Erfindung aus (a) dem Bereitstellen einer Bindemittelzusammensetzung, umfassend, bestehend im Wesentlichen aus oder bestehend aus einem wässrigen Bindemittel und einem Schaumbildner, (b) dem Schütteln der Bindemittelzusammensetzung, um eine geschäumte Bindemittelzusammensetzung bereitzustellen und (c) dem Vereinigen der geschäumten Bindemittelzusammensetzung mit hydrophoben Aerogel-Partikeln und hohlen, nicht-porösen Partikeln, um eine Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung bereitzustellen. Die so hergestellte Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung kann anschließend auf ein Substrat aufgebracht werden.
  • Alternativ und entsprechend einem anderen Aspekt der Erfindung kann die Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung durch ein Verfahren, umfassend, bestehend im Wesentlichen aus oder bestehend aus (a) dem Bereitstellen einer Bindemittelzusammensetzung, umfassend, bestehend im Wesentlichen aus oder bestehend aus einem wässrigen Bindemittel und optional einem Schaumbildner, um eine Bindemittelzusammensetzung bereitzustellen, (b) dem Bereitstellen von hydrophoben Aerogel-Partikeln und hohlen, nicht-porösen Partikeln und (c) dem gleichzeitigen Auftragen der Bindemittelzusammensetzung, der hydrophoben Aerogel-Partikel und hohlen, nicht-porösen Partikel auf ein Substrat, woraufhin die Bindemittelzusammensetzung mit der Aerogel-Hohlpartikelzusammensetzung gemischt wird, um eine Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung bereitzustellen.
  • Die Bindemittelzusammensetzung, die hydrophoben Aerogel-Partikel und die hohlen, nicht-porösen Partikel können auf das Substrat entsprechend der Erfindung (z.B. zusammen oder getrennt) durch jegliches geeignetes Verfahren, wie Ausbreiten, oder vorzugsweise Sprühen der Komponenten auf das Substrat aufgebracht werden. Mit „gleichzeitigern Aufbringen" ist gemeint, dass die Bindemittelzusammensetzung, die hydrophoben Aerogel-Partikel und die hohlen, nicht-porösen Partikel separat dem Substrat zur selben Zeit zugeführt werden, wobei die Komponenten während des Zuführungsprozesses gemischt werden (z.B. in dem Fließweg oder auf der Substratoberfläche gemischt werden). Dies kann z.B. durch das gleichzeitige Sprühen der hydrophoben Aerogel-Partikel, der hohlen, nicht-porösen Partikel und der Bindemittelzusammensetzung auf das Substrat erzielt werden, wobei die Bindemittelzusammensetzung, die hydrophoben Aerogel-Partikel und die hohlen, nicht-porösen Partikel mittels separater Fließwege zugeführt werden. Die Fließwege können innerhalb des Sprühapparats verbunden werden, so dass eine vereinigte Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung dem Substrat zugeführt wird oder die Fließwege können gänzlich getrennt sein, so dass die hydrophoben Aerogel-Partikel und die hohlen nicht-porösen Partikel mit der Bindemittelzusammensetzung so lange nicht vereinigt werden, bis die entsprechenden Zusammensetzungen das Substrat erreichen.
  • In dieser Hinsicht stellt die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung sowie eine durch ein solches Verfahren hergestellte Zusammensetzung bereit, welche verwendet werden kann, um eine Isolie rungsgrundschicht der Isolierungszusammensetzung bereitzustellen oder welche für andere Zwecke verwendet werden kann. Durch Vereinigen der hydrophoben Aerogel-Partikel und hohlen, nicht-porösen Partikel mit der Bindemittelzusammensetzung entsprechend diesen Verfahrensschritten, kann eine Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung mit gewünschten, wenn nicht einzigartigen, Eigenschaften bereitgestellt werden, wobei die Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung noch ein anderer Aspekt der Erfindung ist. Insbesondere und ohne durch eine besondere Theorie gebunden sein zu wollen, zeigt die gemäß der Erfindung hergestellte Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung eine verminderte Tendenz, die Aerogel-Partikel und/oder hohlen, nicht-porösen Partikel „auszunässen" („wet-out"), wodurch die Tendenz der Aerogel-Partikel und/oder hohlen, nicht-porösen Partikel vermindert wird, sich von der Zusammensetzung zu trennen. Das Verfahren der Erfindung ermöglicht auch die Verwendung eines hohen Aerogel- und hohlen, nicht-porösen Partikel- zu Bindemittelverhältnisses, das die thermische Leistung der Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung steigert und die Dichte der Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung reduziert. Weiterhin stellt das Verfahren der Erfindung eine sprühbare Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung bereit, die eine Flexibilität in der Anwendung und Verwendung der Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung erlaubt. Die hydrophoben Aerogel-Partikel, die hohlen, nicht-porösen Partikel, die Bindemittelzusammensetzung und der Schaumbildner sind hier vorstehend im Hinblick auf die Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung und die Isolierungszusammensetzung beschrieben.
  • Obwohl das Bindemittel allein oder in Kombination mit dem Schaumbildner vorzugsweise durch Schütteln oder Mischen geschäumt wird, können andere Schäumungsverfahren verwendet werden. Z.B. kann das Bindemittel unter Verwendung verdichteter Gase oder Treibmittel geschäumt werden oder das Bindemittel kann durch Durchführen des Bindemittels durch eine Düse (z.B. eine Düse, die eine hohe Scherkraft (high-shear) oder Wirbelstrom erzeugt) geschäumt werden.
  • Die Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Herstellen einer Isolierungszusammensetzung bereit, umfassend, bestehend im Wesentlichen aus oder bestehend aus (a) dem Bereitstellen einer Isolierungsgrundschicht auf einem Substrat, umfassend, bestehend im Wesentlichen aus oder bestehend aus der Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung wie hier beschrieben und (b) dem Aufbringen einer Schutzschicht auf eine Oberfläche der Isolierungsgrundschicht, wobei die Schutzschicht ein schützendes Bindemittel und optional ein Infrarot reflektierendes Mittel und/oder Verstärkungsfasern umfasst, im Wesentlichen daraus besteht oder daraus besteht. Die Komponenten der Schutzschicht sind wie hier vorstehend beschrieben. Vorzugsweise werden die Komponenten der Schutzschicht unter Mischen vereinigt, um eine schützende Beschichtungszusammensetzung bereitzustellen, die anschließend auf die Oberfläche der Isolierungsgrundschicht durch jegliches geeignetes Verfahren, z.B. durch Ausbreiten oder Sprühen, aufgebracht wird.
  • Obwohl Klebemittel oder Kopplungsmittel verwendet werden können, um die Schutzschicht an die Isolierungsgrundschicht zu kleben, sind solche Klebemittel entsprechend der Erfindung insofern nicht erforderlich, als das Bindemittel in der Isolierungsgrundschicht oder Schutzschicht die gewünschte Adhäsion bereitstellen kann. Die Schutzschicht wird vorzugsweise auf die Isolierungsgrundschicht aufgebracht, während die Isolierungsgrundschicht nass ist, kann jedoch aufgebracht werden, nachdem die Isolierungsgrundschicht getrocknet ist. Die Isolierungszusammensetzung (z.B. die Isolierungsgrundschicht und/oder die Schutzschicht der Isolierungszusammensetzung) oder Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung kann unter Umgebungsbedingungen oder durch Erhitzen, z.B. in einem Ofen, getrocknet werden.
  • Anwendungen und End-Verwendungen
  • Die Isolierungszusammensetzung und die Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung der Erfindung sowie die Verfahren zu deren Herstellung können natürlich für jeden geeigneten Zweck verwendet werden. Die Isolierungszusammensetzung und die Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung der Erfindung sind jedoch speziell geeignet für Anwendungen, die eine Isolierung erforderlich machen, die eine thermische Stabilität, mechanische Festigkeit und/oder Flexibilität in der Anwendungsart bereitstellt. Zum Beispiel sind die Isolierungszusammensetzung und die Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung entsprechend bevorzugter Formulierungen, insbesondere sprühbarer Formulierungen, geeignet zum Abschirmen von Oberflächen vor hohen Temperaturen und können leicht auf Oberflächen aufgebracht werden, die andernfalls durch konventionelle Verfahren schwierig oder kostspielig zu schützen wären. Beispiele solcher Anwendungen beinhalten verschiedenartige Komponenten von motorisierten Fahrzeugen und Einheiten, wie Motorraum, Feuerschutzwand, Treibstoff tank, Lenksäule, Ölwanne, Kofferraum und Ersatzreifen oder irgendeine andere Komponente eines motorisierten Fahrzeuges oder einer motorisierten Einheit. Die Isolierungszusammensetzung ist besonders gut geeignet zum Isolieren des Unterbodens eines motorisierten Fahrzeuges, insbesondere als Abschirmung für Komponenten nahe der Abgasanlage. Natürlich kann die Isolierungszusammensetzung und die Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung der Erfindung dazu verwendet werden, eine Isolierung in vielen anderen Anwendungen bereitzustellen. Z.B. kann die Isolierungszusammensetzung und die Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung zum Isolierungen von Rohren, Wänden und heizenden oder kühlenden Rohrleitungen verwendet werden. Obwohl bevorzugte Formulierungen der Isolierungszusammensetzung und der Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung sprühbare Formulierungen sind, kann die Isolierungszusammensetzung und die Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung auch extrudiert oder geformt werden, um Isolierungsartikel wie Fließen, Platten oder verschiedenartige geformte Artikel bereitzustellen. In dieser Hinsicht stellt die Erfindung auch ein Substrat wie irgendeines der vorstehend genannten bereit, umfassend eine Isolierungszusammensetzung oder Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung der Erfindung sowie ein Verfahren zum Isolieren eines Substrats, umfassend die Verwendung von irgendeinem der Isolierungszusammensetzung, der Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung oder Verfahren zu deren Herstellung oder Verwendung.
  • Die folgenden Beispiele illustrieren die Erfindung weiter, sollen jedoch natürlich nicht dahingehend ausgelegt werden, dass sie in irgendeiner Weise deren Umfang beschränken.
  • BEISPIEL 1
  • Dieses Beispiel veranschaulicht die Herstellung und Leistung einer Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung entsprechend der Erfindung.
  • Eine Bindemittelzusammensetzung wurde hergestellt durch Vereinigen von 200 g eines wässrigen acrylischen Bindemittels (LEFASOLTM 168/1, hergestellt von Lefatex Chemie GmbH, Deutschland), 1,7 g eines Schaumbildners (HOSTAPURTM OSB, hergestellt von Clariant GmbH, Deutschland) und 30 g eines Ammoniumpolyphosphat-Flammhemmers (EXOLITTM AP420, hergestellt von Clariant GmbH, Deutschland) in einem konventionellen Mischer. Die Bindemittelzusammensetzung wurde gemischt bis 3 dm3 einer ge schäumten Bindemittelzusammensetzung erhalten wurden. Anschließend wurden 50 g trübender, hydrophober Aerogel-Kügelchen (NANOGELTM Kügelchen, hergestellt von Cabot Nanogel GmbH, Deutschland) und 50 g Glasmikrokugeln (B23/500, hergestellt von 3M Inc., Minnesota) langsam unter Mischen zugegeben, um das Volumen bei 3 dm3 zu belassen, wodurch eine Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung bereitgestellt wurde (Probe 1A).
  • Zwei zusätzliche Zusammensetzungen wurden in der gleichen Weise wie Beispiel 1A hergestellt mit der Ausnahme, dass die Zusammensetzungen 100 g Glasmikrokugeln ohne irgendwelche Aerogel-Partikel (Probe 1B) oder 100 g trübender Aerogel-Partikel ohne irgendwelche Glasmikrokugeln (Probe 1C) enthielten. Jede der Proben wurde mittels eines Spatels auf einen 25 cm × 25 cm Rahmen mit einer Tiefe von 1,5 cm aufgebracht. Die Rahmen wurden mit Aluminiumfolie beschichtet. Die Zusammensetzungen wurden für zwei Stunden bei 130°C getrocknet. Nachdem die Zusammensetzungen gekühlt worden waren, wurden 20 cm × 20 cm Proben aus den Rahmen geschnitten und die thermische Leitfähigkeit einer jeden Probe wurde unter Verwendung eines thermischen Leitfähigkeitsmessinstruments LAMBDA CONTROLTM A50 (hergestellt von Hesto Elektronik GmbH, Deutschland) mit einer oberen Tiegeltemperatur von 36°C und einer unteren Tiegeltemperatur von 10°C gemessen. Die Dichten der Proben wurden durch Teilen des Gewichts einer jeden Probe durch deren Dimensionen bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt. Tabelle 1
    Probe Typ Dichte (g/cm3) Thermische Leitfähigkeit (mW·m–1·K–1)
    1A Aerogel/Mikrokugeln 0,11 38
    1B Nur Mikrokugeln 0,08 42
    1C Nur Aerogel 0,12 33
  • Die Ergebnisse zeigen, dass eine Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung entsprechend der Erfindung hergestellt werden kann, die eine gute thermische Leitfähigkeit und geringe Dichte aufweist.
  • BEISPIEL 2
  • Dieses Beispiel veranschaulicht die Herstellung und Leistung von Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzungen entsprechend der Erfindung.
  • Eine Bindemittelzusammensetzung wurde hergestellt durch Vereinigen von 100 g eines wässrigen acrylischen Bindemittels (WORLEECRYLTM 1218, hergestellt von Worlee Chemie GmbH, Deutschland), 1,2 g eines Schaumbildners (HOSTAPURTM OSB, hergestellt von Clariant GmbH, Deutschland) und 10 g Wasser in einem Oakes-Schäumer (hergestellt von E.T. Oakes Corporation, Hauppauge, New York) unter Verwendung einer Rotor-Stator-Geschwindigkeit von etwa 1.000 Upm, einer Pumpgeschwindigkeit von etwa 25% Durchsatz und einem Luftfluss von etwa 2,4 dm3/min. Anschließend wurden 80 g getrübte, hydrophobe Aerogel-Kügelchen (NanogelTM Kügelchen, hergestellt von Cabot Nanogel GmbH, Deutschland) und 5 g thermoplastische Harzkügelchen (EXPANCEL® 091 DE 40 d30 Mikrokugeln, hergestellt von Akzo Nobel) langsam unter Verwendung eines konventionellen Mischers zugegeben, um das Volumen der Mischung beizubehalten, wodurch eine Aerogel-Hohlpartikel-Bindemitteizusammensetzung (Probe 2A) bereitgestellt wurde.
  • Drei zusätzliche Zusammensetzungen wurden in der gleichen Weise wie Beispiel 2A hergestellt mit der Ausnahme, dass verschiedene hohle, nicht-poröse Partikelzusammensetzungen verwendet wurden. Insbesondere bestanden die hohlen, nicht-porösen Partikel in der Probe 26 aus 33,3 g Mikrokugeln EXPANCEL® 551 WE 40 d36 (auch hergestellt von Akzo Nobel) und 80 g getrübten, hydrophoben Aerogel-Kügelchen. Die hohlen, nicht porösen Partikel der Probe 2C bestanden aus 5 g Mikrokugeln EXPANCEL® 091 DE 40 d30, 40 g Kügelchen NANOGELTM und 45 g Glasmikrokugeln B23/500 (hergestellt von 3 M, Inc., Minnesota). Schließlich bestanden die hohlen, nicht-porösen Partikel der Probe 2D aus 33,3 g Mikrokugeln EXPANCEL® 551 WE 40 d36, 40 g Kügelchen NANOGELTM und 45 g Glasmikrokugeln B23/500. Jede der Proben wurde unter Verwendung eines Spatels auf einen 25 cm × 25 cm Rahmen mit einer Tiefe von 1,5 cm aufgetragen. Die Rahmen wurden mit Aluminiumfolie beschichtet. Die Zusammensetzungen wurden für zwei Stunden bei 130°C getrocknet. Nachdem die Zusammensetzungen gekühlt worden waren, wurden 20 cm × 20 cm Proben aus dem Rahmen geschnitten und die thermische Leitfähigkeit einer jeden Probe wurde unter Verwendung eines thermischen Leitfähigkeitsmessinstruments LAMBDA CONTROLTM A50 (hergestellt von Hesto Elektronik GmbH, Deutschland) mit einer oberen Tiegeltemperatur von 36°C und einer unteren Tiegeltemperatur von 10°C gemessen. Die Dichten der Proben wurden durch Teilen des Gewichts einer jeden Probe durch deren Dimensionen bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt. Tabelle 2
    Probe Typ Dichte (g/cm3) Thermische Leitfähigkeit (mW·m–1·K–1)
    2A Aerogel/thermoplastische Harzmikrokugeln 0,097 29,4
    2B Aerogel/thermoplastische Harzmikrokugeln 0,071 43
    2C Aerogel/thermoplastische Harzmikrokugeln/Glasmikrokugeln 0,093 36,5
    2D Aerogel/thermoplastische Harzmikrokugeln/Glasmikrokugeln 0,076 44
  • Die Ergebnisse zeigen, dass Mischungen verschiedener hohler, nicht-poröser Partikel verwendet werden können, um Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzungen entsprechend der Erfindung zu erhalten. Die mit den Zusammensetzungen geformten Substrate zeigen eine geringe thermische Leitfähigkeit und eine geringe Dichte.
  • BEISPIEL 3
  • Dieses Beispiel zeigt die Hitzebeständigkeit einer Isolierungszusammensetzung, umfassend eine Schutzschicht und die Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung der Erfindung als eine Isolierungsgrundschicht.
  • Eine Beschichtungszusammensetzung wurde hergestellt durch Vereinigen von 58 g eines wässrigen acrylischen Bindemittels (WORLEECRYLTM 1218, hergestellt von Worlee Chemie GmbH, Deutschland) mit 22,6 g pyrogener Kieselsäure als Anti-Absetzungsmittel (CAB-O-SPERSETM, hergestellt von Cabot Corporation Massachusetts) und 19,4 g einer Aluminiumpigmentpaste als einem Infrarot reflektierenden Mittel (STAPATM Hydroxal WH 24 n.l., hergestellt von Eckart GmbH, Deutschland). Die Mischung wurde unter Verwendung eines Magnetrührers vorsichtig gerührt. Die Beschich tungszusammensetzung wurde anschließend auf die Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzungen des Beispiels 2 (Probe 2A-2D) bis zu einer Dicke von annähernd 1 mm aufgetragen, wodurch Isolierungszusammensetzungen (entsprechende Proben 3A-3D) erhalten wurden.
  • Jede der Isolierungszusammensetzungen wurde anschließend in einen Apparat gestellt, der darauf ausgelegt war, die Hitzebeständigkeit der Isolierungszusammensetzung zu bestimmen. Insbesondere umfasste das Gerät ein 250 W Heizelement (IRB, hergestellt von Edmund Bühler GmbH, Deutschland), das mit einem Heißluftgebläse (HG3002 LCD, hergestellt von Steinel GmbH, Deutschland) mit dünnen Aluminiumplatten verbunden war, die um die Einheit unter Bildung einer Röhre angeordnet waren. Die Isolierungszusammensetzung wurde den hohen Hitzebedingungen für etwa 30 Minuten in einer Entfernung von etwa 20 mm von dem Heizelement (Schutzschicht entgegengesetzt dem Heizelement) ausgesetzt und das Heißluftgebläse (bei voller Gebläseeinstellung und geringster Hitzeeinstellung) stellte einen kontinuierlichen Luftstrom zwischen dem Heizelement und der Isolierungszusammensetzung bereit. Die Temperatur der Rückseite der Isolierungszusammensetzung (d.h. der der Schutzschicht und dem Heizelement entgegengesetzten Seite) wurde durch den Test überwacht, um die maximal ausgehaltene Temperatur zu bestimmen. Die Ergebnisse dieser Messungen sind in Tabelle 3 dargestellt. Tabelle 3
    Probe Teilchen Rückseitige Temperatur (°C)
    3A Aerogel/thermoplastische Harzmikrokugeln 27
    36 Aerogel/thermoplastische Harzmikrokugeln 24
    3C Aerogel/thermoplastische Harzmikrokugeln/Glasmikrokugeln 29
    3D Aerogel/thermoplastische Harzmikrokugeln/Glasmikrokugeln 26
  • Diese Ergebnisse zeigen, dass eine Isolierungszusammensetzung, umfassend eine Schutzschicht und die Aerogel-Hohlpartikel-Bindemitteizusammensetzung der Erfindung hitzebeständig ist und gute thermische Isolierungseigenschaften unter hohen Hitzebedingungen aufweist.
  • Die Verwendung der Begriffe „ein" und „der" und ähnliche Bezugszeichen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erfindung (insbesondere im Zusammenhang mit den folgenden Ansprüchen) sollen dahingehend ausgelegt werden, dass sie sowohl den Singular als auch den Plural umfassen, sofern nicht anderweitig hier angezeigt oder durch den Zusammenhang eindeutig widerlegt. Die Begriffe „umfassend", „aufweisend", „beinhaltend" und „enthaltend" sollen als nicht-beschränkende Begriffe ausgelegt werden (d.h. mit der Bedeutung „beinhaltend, aber nicht beschränkt auf"), sofern nicht anders angemerkt. Die Angabe von Bereichen von Werten hier soll lediglich als stenographisches Verfahren dazu dienen, auf jeden einzelnen Wert innerhalb des Bereichs individuell Bezug zu nehmen, sofern hier nicht anders angezeigt, und jeder separate Wert ist in die Beschreibung aufgenommen, als ob dieser hier einzeln aufgeführt worden wäre. Alle hier beschriebenen Verfahren können in jeder geeigneten Reihenfolge durchgeführt werden, sofern nicht anders hier angezeigt oder durch den Zusammenhang klar anderweitig widerlegt. Die Verwendung irgendeines oder aller Beispiele oder beispielhafter Sprache (z.B. „wie") wie hier verwendet, soll lediglich dazu dienen, die Erfindung besser zu veranschaulichen und stellt keine Beschränkung für den Umfang der Erfindung dar, sofern nicht anders beansprucht. Keine Redeweise in der Beschreibung soll dahingehend ausgelegt werden, dass sie anzeigen würde, dass irgendein nicht beanspruchtes Element wesentlich für die Praxis der Erfindung wäre.

Claims (14)

  1. Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung, umfassend ein wässriges Bindemittel, hydrophobe Aerogelpartikel und hohle, nicht-poröse Partikel.
  2. Die Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung hydrophobe Aerogelpartikel und hohle, nicht poröse Partikel in einer kombinierten Menge von etwa 5 bis 99 Vol.-% umfasst.
  3. Die Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Zusammensetzung versprüht werden kann.
  4. Die Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung eine thermische Leitfähigkeit von etwa 45 mW/(m·K) oder weniger nach dem Trocknen aufweist.
  5. Die Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung eine Dichte von etwa 0,5 g/cm3 oder weniger nach dem Trocknen aufweist.
  6. Isolierungszusammensetzung, umfassend (a) eine Isolierungsgrundbeschichtung, umfassend die Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und (b) eine Schutzschicht, umfassend ein schützendes Bindemittel.
  7. Die Isolierungszusammensetzung gemäß Anspruch 6, wobei die Schutzschicht im Wesentlichen frei von hydrophoben Aerogelpartikeln ist.
  8. Substrat, umfassend die Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
  9. Substrat, umfassend die Isolierungszusammensetzung nach einem der Ansprüche 6 bis 8.
  10. Das Substrat nach Anspruch 8 oder 9, wobei das Substrat eine Komponente eines motorisierten Fahrzeugs oder Apparats ist.
  11. Das Substrat nach Anspruch 10, wobei das Substrat der Unterbau eines motorisierten Fahrzeugs oder ein Teil desselben ist.
  12. Verfahren zum Herstellen einer Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung, umfassend (a) das Bereitstellen einer Bindemittelzusammensetzung, umfassend ein wässriges Bindemittel und einen Schaumbildner, (b) das Schütteln der Bindemittelzusammensetzung, um eine geschäumte Bindemittelzusammensetzung bereitzustellen und (c) das Vereinigen der geschäumten Bindemittelzusammensetzung mit hydrophoben Aerogelpartikeln und hohlen, nicht porösen Partikeln, um eine Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung bereitzustellen.
  13. Verfahren zum Herstellen einer Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung, umfassend (a) das Bereitstellen einer Bindemittelzusammensetzung, umfassend ein wässriges Bindemittel, (b) das Bereitstellen von hydrophoben Aerogelpartikeln und hohlen, nicht-porösen Partikeln und (c) das gleichzeitige Auftragen der Bindemittelzusammensetzung, der hydrophoben Aerogelpartikel und der hohlen, nicht porösen Partikel auf ein Substrat, woraufhin die Bindemittelzusammensetzung mit den hydrophoben Aerogelpartikeln und den hohlen, nicht-porösen Partikeln gemischt wird, um eine Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung bereitzustellen.
  14. Verfahren zum Herstellen einer Isolierungszusammensetzung, umfassend (a) das Bereitstellen einer Isolierungsgrundschicht auf einem Substrat, wobei die Schicht eine Aerogel-Hohlpartikel-Bindemittelzusammensetzung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 umfasst und (b) das Auftragen einer Schutzschicht, umfassend ein schützendes Bindemittel, auf eine Oberfläche der Isolierungsgrundschicht.
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