EP2004736A2 - Wärmeisolationsmaterial - Google Patents
WärmeisolationsmaterialInfo
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Definitions
- the present invention relates to a thermal insulation material and applications therefor.
- a polyurethane foam is generally used as the insulating material. Foamed with pentane, the thermal conductivity of this foam reaches values of down to 20 mW / K / m.
- Thermal conductivity results from three heat transport mechanisms, heat conduction through the solids content of the foam, d. H. the polyurethane itself, heat conduction through the gases that fill the pores of the foam, and thermal radiation. Possible ways to minimize the contribution of heat radiation are a reduction of the
- the object of the invention is to provide a heat insulating material having a porous substrate of a particulate resin composition in which the particles effectively limit the heat transfer by radiation without at the same time substantially increasing the heat flow through the solid portion of the substrate, even if the particles consist of a material which is more thermally conductive than the resin composition in which they are embedded.
- the particles are of substantially platelet-like shape.
- about 90% of the solid material is concentrated in struts, that is, in elongated structures extending between three adjacent gas bubbles. Only about 10% of the solid is in walls between two adjacent bubbles.
- added particles are homogeneously distributed in the solids content of the foam, they are consequently 90% concentrated in the struts, where they have little influence on the heat radiation, but make a significant contribution to the heat conduction through the solid.
- surface tension effects cause the particles to accumulate in the struts as they foam, while the walls deplete of particles.
- the approach of the invention is to cause, by a flat shape of the particles, that they fit better into the walls of the substrate and thus reduce the tendency for accumulation in the struts.
- the mean diameter of the particles is preferably between 0.1 times and 10 times the average diameter of the pores. If the diameter is less than 0.1 times the pore diameter, then the particles will fit too well into the struts to cause accumulation in the walls. With a diameter of more than 10 times the average pore diameter, the viscosity of a flowable synthetic resin composition from which the thermal insulating material of the present invention is obtained by foaming may be increased, impairing the processability of the flowable composition.
- the mean diameter of the particles is approximately equal to the mean diameter of the pores.
- the preferred mean diameter of the particles may be between 10 and 1000 micrometers.
- the optimal thickness of the particles is determined by two effects. In order to keep the thermal conductivity of the substrate low, the thickness of the particles should also be small, suitably not more than five times the thickness of the struts, better still no more than the simple thickness of the struts.
- the thickness of the struts may vary from 1 to 50 micrometers, depending on the composition of the resin, resulting in a preferred thickness of no more than 10 to 50 microns for the particles.
- the particles can hinder the transport of heat via radiation by absorption or by reflection.
- their thickness should be approximately equal to the absorption length of the heat radiation in the material of the particles, in order to achieve efficient absorption. H. that length at which the intensity of heat radiation propagating through the material of the particles decreases to 1 / e.
- the thickness of the particles should be as small as possible.
- the invention also provides a flowable synthetic resin composition which is acted upon by particles of a substantially platelet-shaped form and can be foamed into a heat-insulating material as described above.
- such a flowable synthetic resin composition may be a polyurethane resin based composition added with platy graphitic material.
- the graphitic material may be commercially available natural or synthetic flake graphite, but it is also possible to use carbon blacks or graphites embedded in a synthetic resin matrix for better particle shape resistance.
- the heat-insulating material is obtainable by foaming with a propellant gas such as pentane in a manner well known to those skilled in the art.
- the foaming may occur in conjunction with the injection of the resin composition into a cavity which is filled by the post-injection expanding resin.
- a cavity may in particular be a housing for a household appliance that is initially hollow Walls is then joined, and in which the particle-loaded resin composition is then injected into the cavity or cavities of the walls and allowed to expand and cure.
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Abstract
Ein Wärmeisolationsmaterial hat ein poröses Substrat aus einer mit Partikeln von im wesentlichen plättchenförmiger Gestalt beaufschlagten Kunstharzzusammensetzung. Der mittlere Durchmesser der Partikel kann zwischen dem 0,1-fachen und dem 10-fachen des mittleren Durchmessers der Poren betragen.
Description
Wärmeisolationsmaterial
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wärmeisolationsmaterial und Anwendungen dafür.
In den Gehäusen von modernen Haushaltskältegeräten wird im allgemeinen als Isolationsmaterial ein Polyurethanschaum verwendet. Mit Pentan aufgeschäumt erreicht das Wärmeleitvermögen dieses Schaums Werte von bis hinunter zu 20 mW/K/m. Das
Wärmeleitvermögen resultiert aus drei Wärmetransportmechanismen, Wärmeleitung durch den Feststoffanteil de Schaums, d. h. das Polyurethan selbst, Wärmeleitung durch die Gase, die die Poren des Schaums ausfüllen, und Wärmestrahlung. Mögliche Wege, um den Beitrag der Wärmestrahlung zu minimieren, sind eine Verringerung der
Porengröße oder eine Verstärkung der Strahlungsabsorption oder -reflexion durch die
Porenwände.
Ein üblicher Optimierungsansatz ist, die chemische Zusammensetzung des aufzuschäumenden Kunstharzes zu optimieren, um die Porengröße des resultierenden
Schaums zu verringern. Ein zweiter Ansatz ist, das Kunstharz mit Kohlenstoffpartikeln zu beaufschlagen. Auf Grund seines starken Absorptionsvermögens verringert der
Kohlenstoff den Beitrag der Wärmestrahlung zum Gesamt-Wärmeleitvermögen, andererseits erhöht er die Wärmeleitung des Kunstharzmaterials, dessen Wärmeleitvermögen durch den Zusatz des Kohlenstoffs zunimmt.
Aufgabe der Erfindung ist, ein Wärmeisolationsmaterial mit einem porösen Substrat aus einer mit Partikeln beaufschlagten Kunstharzzusammensetzung zu schaffen, bei dem die Partikel den Wärmetransport durch Strahlung wirksam begrenzen, ohne gleichzeitig den Wärmefluss durch den Feststoffanteil des Substrats wesentlich zu erhöhen, und zwar selbst dann, wenn die Partikel aus einem Material bestehen, das besser wärmeleitend ist als die Kunstharzzusammensetzung, in die sie eingebettet sind.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Partikel von im wesentlichem plättchenförmiger Gestalt sind.
In den gegenwärtig als wärmeisolierende poröse Substrate verbreiteten Polyurethanschäumen ist nämlich etwa 90% des festen Materials in Streben konzentriert, d. h. in langgestreckten Strukturen, die sich zwischen drei benachbarten Gasblasen erstrecken. Nur ca. 10 % des Feststoffs befindet sich in Wänden zwischen zwei benachbarten Blasen. Wenn man annimmt, das sich zugesetzte Partikel homogen im Feststoffanteil des Schaums verteilen, so sind sie folglich zu 90% in den Streben konzentriert, wo sie die Wärmestrahlung nur wenig beeinflussen, aber einen erheblichen Beitrag zur Wärmeleitung durch den Feststoff leisten. Tatsächlich jedoch führen Oberflächenspannungseffekte dazu, dass sich die Partikel beim Aufschäumen in den Streben anreichern, während die Wände an Partikeln verarmen.
Der Ansatz der Erfindung liegt darin, durch eine flache Gestalt der Partikel zu bewirken, dass diese sich besser in die Wände des Substrats einfügen und somit die Tendenz zur Anreicherung in den Streben verringert wird.
Darüber hinaus kann durch eine ausreichende Größe der Partikel sichergestellt werden, dass diese nicht ohne Weiteres in die Streben hineinpassen. So wird anstelle einer Tendenz zur Anreicherung der Partikel in den Streben eine Tendenz zu ihrer Anreicherung in den Wänden erzielt. Hierfür beträgt der mittlere Durchmesser der Partikel vorzugsweise zwischen dem 0,1 -fachen und dem 10-fachen des mittleren Durchmessers der Poren. Ist der Durchmesser kleiner als das 0,1 -fache des Porendurchmessers, so passen die Partikel zu gut in die Streben hinein, um eine Anreicherung in den Wänden zu bewirken. Bei einem Durchmesser von mehr als dem 10-fachen des mittleren Porendurchmessers kann die Viskosität einer fließfähigen Kunstharzzusammensetzung, aus der das erfindungsgemäße Wärmeisolationsmaterial durch Aufschäumen erhalten wird, erhöht sein, was die Verarbeitbarkeit der fließfähigen Zusammensetzung beeinträchtigt.
Idealerweise entspricht der mittlere Durchmesser der Partikel in etwa dem mittleren Durchmesser der Poren.
Bei einem typischen Porendurchmesser herkömmlicher Isolationsschäume von ca. 100 bis 500 Mikrometer kann als bevorzugter mittlerer Durchmesser der Partikel ein Wert zwischen 10 und 1000 Mikrometer angegeben werden.
Die optimale Dicke der Partikel ist durch zwei Effekte festgelegt. Um die Wärmeleitfähigkeit des Substrats gering zu halten, sollte auch die Dicke der Partikel klein sein, zweckmäßigerweise nicht mehr als das fünffache der Dicke der Streben, besser noch nicht mehr als die einfache Dicke der Streben. Die Dicke der Streben kann je nach Zusammensetzung des Kunstharzes zwischen 1 und 50 Mikrometer variieren, so dass sich für die Partikel eine bevorzugte Dicke von nicht mehr als 10 bis 50 Mikrometer ergibt.
Die Partikel können den Wärmetransport über Strahlung durch Absorption oder durch Reflexion behindern. Wenn die Partikel aus einem Wärmestrahlung absorbierenden Material bestehen, sollte ihre Dicke, um eine effiziente Absorption zu erzielen, in etwa der Absorptionslänge der Wärmestrahlung in dem Material der Partikel entsprechen, d. h. derjenigen Länge, auf der die Intensität von sich durch das Material der Partikel ausbreitender Wärmestrahlung auf 1/e abnimmt. Im Falle eines im Wesentlichen durch Reflexion wirksamen Materials sollte die Dicke der Partikel so gering wie möglich sein.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine fließfähige Kunstharzzusammensetzung, die mit Partikeln von im wesentlichen plättchenförmiger Gestalt beaufschlagt ist und zu einem Wärmeisolationsmaterial wie oben beschrieben aufschäumbar ist.
Als Ausführungsbeispiel der Erfindung kann eine solche fließfähige Kunstharzzusammensetzung eine Zusammensetzung auf der Grundlage von Polyurethanharz sein, die mit plättchenförmigem graphitischem Material versetzt ist. Bei dem graphitischen Material kann es sich um kommerziell verfügbaren natürlichen oder synthetischen Flockengraphit handeln, es kommen aber auch Ruße oder Graphite in Betracht, die der besseren Beständigkeit der Partikelform wegen in eine Kunstharzmatrix eingebettet sind. Aus einer solchen partikelbeaufschlagten Kunstharzzusammensetzung ist das Wärmeisolationsmaterial durch Aufschäumen mit einem Treibgas wie etwa Pentan in den Fachmann an sich vertrauter Weise erhältlich.
Das Aufschäumen kann in Verbindung mit dem Einspritzen der Kunstharzzusammensetzung in einen Hohlraum erfolgen, welcher durch das nach dem Einspritzen expandierende Kunstharz ausgefüllt wird. Ein solcher Hohlraum kann insbesondere ein Gehäuse für ein Haushaltsgerät sein, dass zunächst mit hohlen
Wänden zusammengefügt wird, und bei dem die partikelbeaufschlagte Harzzusammensetzung anschließend in den oder die Hohlräume der Wände eingespritzt und darin expandieren und aushärten gelassen wird.
Claims
1 . Wärmeisolationsmaterial mit einem porösen Substrat aus einer mit Partikeln beaufschlagten Kunstharzzusammensetzung, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel von im wesentlichen plättchenförmiger Gestalt sind.
2. Wärmeisolationsmaterial nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel einen mittleren Durchmesser aufweisen, der zwischen dem 0,1 -fachen und dem 10-fachen des mittleren Durchmessers der Poren beträgt.
3. Wärmeisolationsmaterial nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Durchmesser der Partikel zwischen dem 0,5-fachen und dem 2-fachen des mittleren Durchmessers der Poren beträgt.
4. Wärmeisolationsmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Durchmesser der Partikel zwischen 10 und 1000 μm beträgt.
5. Wärmeisolationsmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Dicke der Partikel nicht mehr als das
Fünffache der Dicke von Streben des porösen Substrats beträgt.
6. Wärmeisolationsmaterial nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Dicke der Partikel nicht mehr als die Dicke der Streben beträgt.
7. Wärmeisolationsmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Dicke der aus Wärmestrahlung absorbierendem Material bestehenden Partikel der Absorptionslänge der Wärmestrahlung in dem Material der Partikel entspricht.
8. Wärmeisolationsmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel graphitischen Kohlenstoff enthalten.
9. Gehäuse für ein Haushaltsgerät, gekennzeichnet durch wenigstens eine wärmeisolierende Wand, die ein Wärmeisolationsmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
10. Mit Partikeln von im wesentlichen plättchenförmiger Gestalt beaufschlagte, fließfähige Kunstharzzusammensetzung, die zu einem Wärmeisolationsmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 8 aufschäumbar ist.
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