NO309578B1 - Komposittmateriale inneholdende minst ett lag fiberflor og aerogel-partikler og fremgangsmåte for fremstilling og anvendelse av materialet - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår et komposittmateriale som minst oppviser et lag av fiberflor og aerogel-partikler, hvorved fiberfloret inneholder minst ett to-komponent-ifbermateriale og to-komponent-ifbermaterialet oppviser lavere- og høyeresmeltende områder, en fremgangsmåte for fremstilling så vel som en anvendelse av komposittmaterialet.

Aerogeler, særlig slike med porøsiteter over 60% og tetthet under 0,4 g/cm 3 , oppviser påo grunn av deres meget lave tetthet, høy porøsitet og liten porediameter en ytterst lav termisk ledningsevne og finner dessuten anvendelse som varmeisolasjonsmaterialer som f. eks. beskrevet i EP-A-0 171 722.

Den høye porøsiteten fører imidlertid også til en lavere mekanisk stabilitet både for gelen fra hvilken aerogelen er blitt tørket, og også den tørkede aerogelen selv.

Aerogeler i videre betydning, dvs. i betydning av "gel med luft som dispersjonsmiddel", blir fremstilt ved tørking av en egnet gel. Under begrepet "aerogel" i denne sammenheng faller typiske aerogeler i xerogeler og kryogeler. Således blir en tørket gel betegnet som typisk aerogel når væsken i gelen blir fjernet ved temperaturer over kritisk temperatur og ved å utgå fra trykk over kritisk trykk. Blir væsken i gelen derimot underkritisk, f.eks. under dannelse av en væske-damp-grensefase, da betegner man den dannede gelen som xerogel. Det skal bemerkes at gelene ifølge oppfinnelsen dreier seg om aerogeler, i betydning av gel med luft som dispersjonsmiddel.

Formgivingsprosessen av aerogelen blir avsluttet under sol-gel-overgangen. Etter dannelse av den faste gelstrukturen kan den ytre formen bare bli forandret ved oppdeling i mindre deler, f. eks. maling, da materialet er for sprøtt for en annen bearbeidelsesform.

For flere anvendelser er det imidlertid nødvendig å anvende aerogeler i form av bestemte formlegemer. I prinsipp er fremstillingen av formlegemer mulig allerede under gelfremstilling. Imidlertid ville den under fremstilling typisk nødvendig, diffusjonsbestemte utbyttingen av oppløsningsmidler (med hensyn på aerogeler: se f.eks. US-A 4,610,863, EP-A 0 396 076, med hensyn på aerogelkomposittmaterialer: se f.eks. WO 93/06044) og den på samme måte diffusjonsbestemte tørkingen kan føre til uøkonomisk lange produksjonstider. Derfor er det aktuelt i forbindelse med aerogel-fremstilling, dvs. etter tørking, å gjennomføre et formgivingstrinn uten at det finner sted vesentlig endring av den indre strukturen i aerogelen med hensyn på anvendelse.

For flere anvendelser, f.eks. for isolering av bølgede eller uregelmessig formede flater, er det f.eks. nødvendige med fleksible plater hhv. matter av et isolasjonsmateriale.

IDE-A 33 46 180 blir det beskrevet bøyningsfaste plater av presslegemer på basis av utvunnet kieselsyreaerogel fra flammepyrolyse i forbindelse med en forsterkning med mineralske langfibre. Med denne utvunnede kieselsyreaerogel fra flammepyrolyse dreier det seg imidlertid ikke om en aerogel i ovenfor nevnte betydning, da den ikke blir fremstilt gjennom tørking av en gel og oppviser dermed en helt annen porestruktur; derfor er den mekanisk stabilere og kan derfor bli presset uten ødeleggelse av mikrostrukturen, men oppviser en høyere varmeledningsevne enn typiske aerogeler i ovenfor nevnte betydning. Overflaten av slike presslegemer er meget ømfintlig og må således bli herdet på overflaten, f.eks. ved anvendelse av et bindemiddel eller bli beskyttet med folie ved kasjering. Videre er de dannede presslegemene ikke sammenpressbare.

Videre blir det i tysk patentsøknad P 44 18 843.9 beskrevet en matte av en fiberforsterket xerogel. Disse mattene oppviser riktignok på grunn av den meget høye aerogelandelen en meget lav varmeledningsevne, men under fremstilling er det nødvendig med relativt lange fremstillingstider på grunn av de ovenfor beskrevne diffusjonsproblemene. Særlig er fremstilling av tykkere matter bare mulig gjennom kombinasjon av flere tynne matter og krever dermed ytterligere kostnader.

EP-A-0 269 462 viser en fiberstruktur som oppviser i det vesentlige tre bestanddeler, nemlig et høyeresmeltende fibermateriale, et laveresmeltende fibermateriale samt et adsorberende fibermateriale, hvorved det vises som adsorberende fibermateriale utelukkende aktivkull fibre.

Videre viser US-A-5,256,476 en sammensetning som oppviser de tre vesentlige bestanddelene, nemlig et adsorpsjonsmateriale i partikkelform, kunststoffpartikler og forsterkende fibre. Som adsorpsjonsmaterialer nevnes herved aktivkull, ceolitter og silikageler. Fibrene tjener som forsterkning og kunststoffpartiklene som bindemiddel.

WO93/06044 viser en aerogel-matrikssammensetning som består av en "bulk-aerogel" og deri dispergerte fibre. Fibrene anvendes utelukkende for forsterkning.

Ifølge foreliggende oppfinnelse er det således tilveiebrakt et komposittmateriale av den ovenfor beskrevne typen og som angitt i innledningen til medfølgende krav 1. Komposittmaterialet er kjennetegnet ved de karakteristiske trekkene som er gitt i krav 1 og som er vist nedenfor.

Oppgaven blir løst ved hjelp av et komposittmateriale som minst oppviser et lag av fiberflor og aerogel-partikler, hvorved fiberfloret minst inneholder et to-komponentfibermateriale, og to-kompontent-ifbermaterialet oppviser lavere- og høyeresmeltende områder, kjennetegnet ved at fibrene i floret er både forbundet med aerogel-partiklene og til hverandre ved de laveresmeltende områdene av fibermaterialet. Den termiske festingen av to-komponentfibrene fører til en forbindelse av lavsmeltende deler i to-komponentfibre og sørger således for et stabilt flor. Samtidig binder den lavtsmeltende delen av to-komponentfibrene aerogel-partiklene til fibrene.

Videre gjelder det at den termiske ledningsevnen til aerogelene avtar med tiltagende porøsitet og avtagende tetthet. Av denne grunn er aerosoler med porøsiteter over 60% og tettheter under 0,4 g/cm foretrukket. Varmeledningsevnen til aerogelgranulatene bør være mindre enn 40 mW/mK, fortrinnsvis mindre enn 25 mW/mK.

Foretrukne trekk ved komposittmaterialet ifølge oppfinnelsen fremgår av de medfølgende krav 2 - 11 og er ytterligere vist nedenfor.

To-komponentfibrene er kjemifibre av to fast forbundne polymerer av forskjellig kjemisk og/eller fysikalsk oppbygning, som oppviser områder med forskjellige smeltepunkter, dvs. lavere- og høyeresmeltende områder. Smeltepunktene for de lavere- hhv. høyeresmeltende områdene adskiller seg således fortrinnsvis med minst 10°C. Fortrinnsvis oppviser to-komponentfibrene en kjerne-kappe-struktur. Kjernen til fiberen består således av en polymer, fortrinnsvis en termoplastisk polymer, viss smeltepunkt ligger høyere enn det til den termoplastiske polymeren, som danner kappen. Det blir fortrinnsvis anvendt polyester/kopolyester eller to-komponentfibere. Videre kan også to-komponentfibervariasjoner av polyester/polyolefin f.eks. polyester/polyetylen hhv. polyester/kopolyolefin eller to-komponentfibre, som oppviser en elastisk kappepolymer blir anvendt. Det kan imidlertid også anvendes side-by-side to-komponentfibre.

I tillegg kan fiberfloret ytterligere inneholde minst ett enkelt fibermateriale, som ved termisk sammenføyning blir forbundet med de laveresmeltende områdene til to-komponentfibrene.

Ved de enkelte fibrene dreier det seg om organiske polymerfibre, f.eks. polyester-, polyolefin- og/eller polyamidfibre, fortrinnsvis polyesterfibre. Fibrene kan være runde, trilobale, pentalobale, oktalobale, små bånd-, juletre-, hantel- eller andre stjerneformede profiler. Likeledes kan man anvende hulfibre. Smeltepunktet til disse enkelte fibrene bør ligge over det til de laveresmeltende områdene til to-komponentfibrene.

For reduksjon av strålingsbidraget til varmeledningsevnen kan to-komponentfibrene, dvs. den høyt- og/eller lavtsmeltende komponenten og eventuelt de enkelte fibrene blir svertet med et IR-mattingsmiddel som f.eks. sot, titandioksid, jernoksider og zirkoniumdioksid eller blandinger av de samme.

For fargegiving kan to-komponentfibrene samt eventuelt de enkelt fibrene også være fargede.

Diameteren til de anvendte fibrene i komposittmaterialet bør fortrinnsvis være mindre enn den midlere diameteren til aerogel-partiklene, for å kunne binde en høy andel av aerogel i fiberfloret. Gjennom valg av meget tynne fiberdiametere kan mattene fremstilles, som er meget fleksible mens tykkere fibre fører på grunn av deres høyere bøyebestandighet til voluminøsere og stivere matter.

Titeren til de enkelte fibrene bør fortrinnsvis ligge mellom 0,8 og 40 dtex, og til to-komponentfibrene bør den fortrinnsvis ligge mellom 2 og 20 dtex.

Det kan også bli anvendt blandinger av to-komponentfibre henholdsvis enkelte fibre av forskjellige materialer, med forskjellige profiler og/eller forskjellige titere.

For på den ene side å oppnå en god festing av floret, og på den annen side en god hefting av aerogelgranulatet bør vektandelen av to-komponentfiber ligge mellom 10 og 100 vekt-%, fortrinnsvis mellom 40 og 100 vekt-%, på basis av fiberandelen.

Volumandelen av aerogelen i komposittmaterialet bør være høyest mulig, minst 40%, fortrinnsvis over 60%. For å oppnå tilstrekkelig mekanisk stabilitet av komposittmaterialet bør andelen imidlertid ikke ligge over 95%, fortrinnsvis ikke over 90%.

Egnede aerogeler for sammensetningene ifølge oppfinnelsen er slike på basis av metalloksider, som er egnet for sol-gel-teknikken (C.J. Brinker, G.W. Scherer, Sol-Gel-

Science, 1990, kap. 2 og 3), f.eks. Si- eller Al-forbindelser eller slike på basis av organiske stoffer, som er egnet for sol-gel-teknikken, som melaminformaldehyd-kondensater (US-A-5,086,085) eller resorcinformaldehydkondensater (US-A-4,873,218). De kan også basere seg på blandinger av de ovenfor nevnte materialene. Det blir fortrinnsvis anvendt aerogeler som inneholder Si-forbindelser, særlig Si02-aerogeler og helt spesielt foretrukket Si02-xerogeler. For reduksjon av strålingsbidraget til varmeledningsevnen, kan aerogelen inneholde JR-mattingsmidler, som f.eks. sot, titandoksid, jernoksider, zirkoniumdioksid eller blandinger av de samme.

I en foretrukket utførelsesform oppviser aerogel-partiklene hydrofobe overflatergrupper. For å unngå en senere kollaps av aerogelene ved kondensasjon av fuktighet i porene, er det nemlig fordelaktig når det på den indre overflaten av aerogelene foreligger kovalent hydrofobe grupper, som ikke blir avspaltet under vannpåvirkning. Foretrukne grupper for varig hydrofobisering er trisubstituerte silylgrupper med generell formel -Si(R)3, spesielt foretrukket trialkyl- og/eller triarylsilylgrupper, der hver R uavhengig av hverandre kan være en ikke-reaktiv, organisk rest som Ci-Cig-alkyl eller C6-Ci4-aryl, fortrinnsvis Ci-C6-alkyl eller fenyl, særlig metyl, etyl, cykloheksyl eller fenyl, som i tillegg ytterligere kan være substituert med funksjonelle grupper. Spesielt fordelaktig for varigheten av hydrofobiseringen av aerogelen er anvendelse av trimetylsilylgrupper. Innføring av disse gruppene kan foregå som beskrevet i WO 94/25149, eller gjennom gassfasereaksjon mellom aerogel og f.eks. et aktivert trialkylsilanderivat, som f.eks. en klortrialkylsilan eller en heksaalkyldisilazan (sammenlign R. Iler, The Chemistry of Silica, Wiley & Sons, 1979).

Størrelsen på kornene retter seg etter anvendelse av materialet. For å kunne binde en høy andel av aerogelgranulat, bør partiklene være større enn fiberdiameteren, fortrinnsvis større enn 30 um. For å oppnå en høy stabilitet bør granulatet ikke være for grovkornet, fortrinnsvis bør kornene være mindre enn 2 cm.

For oppnå høyere aerogel-volumandeler kan det fortrinnsvis anvendes granulat med en bimodal kornstørrelsesfordeling. Videre kan også andre egnede fordelinger finne anvendelse.

Brannklassen av komposittmaterialet blir bestemt gjennom brannklassen av aerogelen og fibrene. For å oppnå en mest mulig gunstig brannklasse av fibermaterialet bør tungt brennbare fibertyper, som f.eks. TRFVTRA CS, anvendes.

Består komposittmaterialet bare av fiberflor som inneholder aerogel-partiklene, kan ved mekanisk belastning av komposittmaterialet aerogranulat brekke eller løsne fra fiberen, slik at bruddstykker av floret kan falle ut.

For bestemte anvendelser er det derfor fordelaktig når fiberfloret er forsynt på en eller begge sider med henholdsvis minst ett dekksjikt, hvorved dekksjiktene kan være like eller forskjellige. Dekksjiktene kan være kombinert enten ved termisk sammenføyning over de lavtsmeltende komponentene til to-komponentfiberen eller ved et annet klebemiddel. Dekksjiktene kan f.eks. være et kunststoffolie, fortrinnsvis en metallfolie eller en metallisert kunststoffolie. Videre kan det aktuelle dekksjiktet selv bestå av flere sjikt.

Fortrinnsvis er et fiberflor-aerogel-komposittmateriale i form av matter eller plater, som oppviser et aerogelholdig fiberflor som middelsjikt og på begge sider henholdsvis et dekksjikt hvorved minst ett av dekksjiktene inneholder florlag av en blanding av fine, enkle fibre og fine to-komponentfibre, og de enkelte fibersjiktene er sammenføyd termisk med hverandre.

For utvalg av to-komponentfibre og de enkelte fibrene i dekksjiktet gjelder det samme som for fibrene av fiberfloret, er innbundet i aerogel-patrikkelen.

For å oppnå et mest mulig tett dekksjikt, bør imidlertid de enkelte fibrene som også to-komponentfibrene ha diametere som er mindre enn 30 um, fortrinnsvis mindre enn 15 um.

For å oppnå en større stabilitet eller tetthet av overflatelagene, kan florlagene til dekksjiktene være nålebundet.

Ytterligere er det således tilveiebrakt en fremgangsmåte for fremstilling av komposittmaterialet ifølge oppfinnelsen, som er kjennetegnet ved at min i fiberfloret som inneholder minst ett to-komponent-ifbermateriale med lavere- og høyeresmeltende områder, strør inn aerogelpartiklene og at man øker fastheten til den resulterende komposittsammensetningen termisk, eventuelt under trykk ved temperaturer over den lavere smeltetemperaturen og under den høyere smeltetemperaturen.

Komposittmaterialet ifølge oppfinnelsen kan f.eks. bli fremstilt etter følgende fremgangsmåte: For fremstilling av fiberflor blir det anvendt stapelfibre i form av karder eller kardeinnretninger som er i handel. Mens floret blir belagt på en vanlig fremgangsmåte innenfor fagområdet, blir aerogelgranulatet strødd på. Ved innføring av aerogelgranulatet i fiberkompositten bør man sørge for å oppnå en mest mulig jevn fordeling av granulatkornet. Dette blir oppnådd ved strøinnretninger som er vanlig i handel.

Ved anvendelse av dekksjikt kan det på dekksjiktet bli pålagt fiberfloret under påstrøing av aerogel, etter avslutning av dette blir det øvre dekksjiktet påført.

Dersom dekksjiktene blir anvendt av et finere fibermateriale, blir først det underste florsjiktet av fine fibere og/eller to-komponentfibere belagt og eventuelt nålbundet etter kjente fremgangsmåter. Deretter blir, som beskrevet over, den aerogelholdige fiberkompositten påført. For et ytterligere, øvre dekksjikt kan, som for det underste florsjiktet legges og eventuelt nålbindes et lag av fine fibre og/eller to-komponentfibre.

Den resulterende fiberkompositten blir eventuelt termisk sammenføyd under trykk ved temperaturer mellom smeltetemperaturen til kappematerialet og den lavere av smeltetemperaturene til det enkelte fibermaterialet og høytsmeltende komponent til to-komponentfibrene. Trykket ligger mellom normaltrykk og trykkfasthet til den anvendte aerogelen.

Hele bearbeidingsforløpet kan fortrinnsvis bli fremstilt kontinuerlig i et anlegg som er kjent innenfor fagområdet.

Ifølge oppfinnelsen er det således tilveiebrakt en anvendelse av komposittmaterialet av den ovenfor beskrevne typen og som angitt i krav 13 og som vist nedenfor i beskrivelsen.

Platene og mattene ifølge oppfinnelsen egner seg på grunn av deres lave varmeledningsevne som varmeisolasjonsmateriale.

I tillegg kan platene og mattene ifølge oppfinnelsen bli anvendt som lydadsorpsjonsmaterialer direkte eller i form av resonansabsorberer, da de oppviser lav lydhastighet, sammenlignet med monolittiske aerogeler, oppviser en høyere lyddemping. I tillegg til demping av aerogelmaterialet inntrer nemlig avhengig av permeabiliteten til fiberfloret, en ytterligere demping gjennom luftfriksjon mellom porene i flormaterialet. Denne permeabiliteten i fiberfloret kan bli påvirket gjennom forandring av fiberdiameter, flortetthet og kornstørrelse av aerogelpartiklene. Inneholder floret ytterligere dekksjikt, så bør dekksjiktene muliggjøre inntrengning av lyden i floret og ikke føre til en vidtgående refleksjon av lyden.

Platene og mattene ifølge oppfinnelsen egner seg videre på grunn av porøsitet av floret og særlig den store porøsitet og spesifikke overflate av aerogelene også som absorpsjonsmaterialer for væsker, damp og gasser. Videre kan man ved modifikasjon av aerogel-overflatene oppnå en spesifikk absorpsjon.

Oppfinnelsen blir beskrevet i det følgende ved hjelp av utførelseseksempler.

Eksempel 1:

Fra 50 vekt-% TRE VIRA 290, 0,8 dtex/38 mm hm og 50 vekt-% PES/Co-PES to-komponentfibre av type TREVIRA 254, 2,2, dtex/50 mm hm ble pålagt et fiberflor med en flatevekt på 100 g/m<2.>Under påføring ble det strødd på et hydrofobt aerogelgranulat på basis av TEOS med en tetthet på 150 kg/m<3>og en varmeledningsevne på 23 mW/mK med kornstørrelser fra 1 til 2 mm diameter.

Det således dannede florkomposittmaterialet ble termisk sammenføyd ved en temperatur på 160°C i 5 minutter og komprimert til en tykkelse på 1,4 cm.

Volumandelen av aerogelen i den sammenføyde matten utgjorde 51%. Den resulterende matten oppviste en flatevekt på 1,2 kg/m<2>. Den lot seg lett bøye og også sammentrykke. Varmeledningsevnen ble bestemt med en platemetode etter DIN 52 612 del 1 til 28 mW/mK.

Eksempel 2:

Fra 50 vekt-% TREVIRA 120 stapelfibre med en titer på 1,7 dtex, lengde 38 mm, spinnsvart og 50 vekt-% PES/Co-PES to-komponentfibre av type TREVIRA 254, 2,2 dtex/50 mm hm ble det først lagt et flor, som tjente som underste dekksjikt. Dette dekksjiktet hadde en flatevekt på 100 g/m<2>. På dette ble det som middelsjikt påført et fiberflor av 50 vekt-% TREVIRA 292, 40 dtex/60 mm hm og 50 vekt-% PES/Co-PES to-komponentfibre av type TREVIRA 254, 4,4 dtex/50 mm hm med en flatevekt på 100 g/m2. Under pålegging ble det strødd inn et hydrofobt aerogelgranulat på basis av TEOS med tetthet på 150 kg/m og en varmeledningsevne på 23 mW/mK med kornstørrelser fra 2 til 4 mm diameter. På dette aerogelholdige fiberfloret ble det lagt et dekksjikt, som var bygget opp som det underste dekksjiktet.

Det således dannede komposittmaterialet ble termisk sammenføyd ved en temperatur på i 160°C i 5 minutter og komprimert til en tykkelse på 1,5 cm. Volumandelen av aerogelen i den sammenføyde matten utgjorde 51%.

Den resulterende matten oppviste en flatevekt på 1,4 kg/m<2>. Varmeledningsevnen ble bestemt med en platemetode i henhold til DIN 52612 del 1 til 27 mW/mK.

Matten lot seg lett bøye og sammentrykke. Fra matten falt heller ikke etter bøying noe aerogranulat ut.

Claims (13)

1. Komposittmateriale som minst oppviser et lag fiberflor og aerogel-partikler, hvorved fiberfloret minst inneholder et to-komponentfibermateriale og to-komponentfibermaterialet oppviser lavere- og høyeresmeltende områder,karakterisert vedat fibrene i floret er både forbundet med aerogel-partiklene og til hverandre ved de laveresmeltende områder av fibermaterialet og at aerogelpartiklene oppviser porøsiteter over 60%, tettheter under 0,4 g/cm<3>og en varmeledningsevne på mindre enn 40 mW/mK, fortrinnsvis mindre enn 25 mW/mK.

2. Komposittmaterialet ifølge krav 1,karakterisert vedat to-komponentfibermaterialet oppviser en kjerne/kappestruktur.

3. Komposittmateriale ifølge krav 1 eller 2,karakterisertv e d at fiberfloret i tillegg inneholder minst ett enkelt fibermateriale.

4. Komposittmateriale ifølge minst ett av kravene 1 til 3,karakterisert vedat titeren til to-komponent-fibermaterialet ligger i området fra 2 til 20 dtex og titeren for de enkelte fibrene i området fra 0,8 til 40 dtex.

5. Komposittmateriale ifølge minst ett av kravene 1 til 4,karakterisert vedat andelen av aerogel-partikler i komposittmaterialet utgjør minst 40 volum-%.

6. Komposittmateriale ifølge minst ett av kravene 1 til 5,karakterisert vedat aerogelen er en Si02-aerogel.

7. Komposittmateriale ifølge minst ett av kravene 1 til 6,karakterisert vedat to-komponent-ifbermaterialet, det enkelte fibermaterialet og/eller aerogelpartiklene inneholder minst ett IR-mattingsmiddel.

8. Komposittmateriale ifølge minst ett av kravene 1 til 8,karakterisert vedat aerogelpartiklene oppviser hydrofobe overflategrupper, fortrinnsvis trisubstituerte silylgrupper med den generelle formelen Si(R)3.

9. Komposittmateriale ifølge minst ett av kravene 1 til 8,karakterisert vedat fiberfloret er forsynt på en eller begge sider med henholdsvis minst ett dekksjikt, hvor dekksjiktene kan være like eller forskjellige.

10. Komposittmateriale ifølge krav 9,karakterisert vedat dekksjiktene inneholder kunststoffolier, metallfolier, metalliserte kunstfolier eller fortrinnsvis florlag av fine enkelte fibre og/eller fine to-komponentfibre.

11. Komposittmateriale ifølge minst ett av kravene 1 til 10,karakterisert vedat det foreligger i form av en plate eller matte.

12. Fremgangsmåte for fremstilling av et komposittmateriale ifølge krav 1,karakterisert vedat man i fiberfloret, som minst inneholder et to-komponent-fibermateriale med lavere- og høyeresmeltende områder, strør inn aerogel-partiklene og termisk sammenføyer den resulterende komposittsammensetningen, eventuelt under trykk ved temperaturer over den lavere smeltetemperaturen og under den høyere smeltetemperaturen.

13. Anvendelse av et komposittmateriale ifølge minst ett av kravene 1 til 11 for varmeisolering, lydisolering og/eller som absorpsjonsmateriale for gasser, damp og væsker.