WO2024037728A1 - Versiegelung verwendbar als wasserstoff-barriere - Google Patents

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WO2024037728A1
WO2024037728A1 PCT/EP2022/078047 EP2022078047W WO2024037728A1 WO 2024037728 A1 WO2024037728 A1 WO 2024037728A1 EP 2022078047 W EP2022078047 W EP 2022078047W WO 2024037728 A1 WO2024037728 A1 WO 2024037728A1
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silicon dioxide
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Gerd THÖNE
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Triton Hydrogen Ltd.
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Definitions

  • Sealing can be used as a hydrogen barrier
  • the invention relates to a seal, a method for producing the seal, a matrix material for fiber composite materials, and a method for producing the matrix material, wherein the seal and the matrix material can be used as a hydrogen barrier.
  • Hydrogen can be produced in places with high levels of renewable energy and transported from there to metropolitan areas where the energy is primarily consumed.
  • the energy can also be temporarily stored or stored in the form of hydrogen.
  • this transport and storage requires containers and pipelines through which the hydrogen is transported or in which the hydrogen is stored.
  • Such containers and pipelines are usually made of steel or can be made of fiber composite materials.
  • the hydrogen atom is the smallest atom in the periodic table, so it places special demands on the materials from which the containers or pipes for the hydrogen are made, as its size tends to penetrate materials such as steel or fiber composite materials.
  • the extent to which a material tends to absorb or allow hydrogen to pass through can be determined using permeability measurements according to DIN EN ISO 17081 and according to EP 3 553 210 Al.
  • a material sample is placed between two electrodes, whereby a current flow occurs between the two electrodes when hydrogen diffuses through the material sample. The higher the recorded current, the higher the hydrogen diffusion through the material sample and vice versa. With steel and fiber composite materials, there is significant hydrogen diffusion through the material.
  • the underlying object of the invention is therefore to provide a seal and a matrix material for fiber-reinforced plastics which have the highest possible diffusion resistance or permeability resistance to hydrogen in order to increase the service life of containers and pipelines, and at the same time are inexpensive to produce. and are easy to process.
  • the seal according to the invention which can be used as a hydrogen barrier, with a base material, is characterized in that the seal comprises plasticizers, nano-silicon dioxide, aluminum powder and zinc powder.
  • the seal is suitable as a barrier to hydrogen, that is, the hydrogen essentially cannot pass through the seal. Essentially not getting through means, in the sense of the application, that the hydrogen passing through the seal corresponds to less than 5%, preferably less than 2%, more preferably less than 1% of the amount of hydrogen that would otherwise enter the surface to be sealed without sealing would have penetrated.
  • the seal can be used as a barrier for hydrogen because the hydrogen molecules are adsorbed by the seal and/or because they cannot penetrate the seal material in the first place. This means that materials such as steel or fiber composite materials can be sealed with the seal so that hydrogen can no longer reach the steel or fiber composite material via the sealed surface, and damage to the materials caused by the hydrogen can be prevented.
  • a dispersion base which is often used in facade paints, for example, can serve as the base material. This means that the sealant can be applied very easily to the surfaces to be protected, as is usual with facade painting. When the seal is dry, the protective effect is fully present, but can also be present in a liquid state that has not yet dried.
  • the layer thickness should be between 0.2 mm and 1 mm, preferably 0.5 mm, to ensure a certain mechanical stability and mechanical stress resistance of the seal. Two successive coats of 0.25 mm each have proven successful in practice. For the protective effect, the surface of the seal only needs to be closed, while the layer thickness can be very small, for example less than 0.2 mm.
  • the core idea of the invention is that, in addition to aluminum powder, zinc powder, nano silicon dioxide and plasticizers are added to the seal, so that after the seal has dried, a coherent layer remains on the surface to be sealed, which itself has a very low, preferably no permeability to hydrogen and at the same time has essentially no cracks or continuous pores through which the hydrogen could reach the surface to be protected.
  • the plasticizer serves to give the matrix of the seal a certain elasticity so that fewer or, if possible, no cracks and pores arise when the seal dries.
  • the nano silicon dioxide also plays a crucial role in ensuring that fewer pores and cracks form when the seal dries.
  • the aluminum powder and the zinc powder form plate-like structures that act as a kind of reinforcement to reinforce the sealing matrix. These aluminum and zinc structures ultimately make the seal impermeable to hydrogen.
  • the base material comprises pure acrylate and/or styrene acrylate and/or styrene butadiene.
  • the base material preferably consists solely of one of these materials or a combination thereof. Pure acrylate has become popular as a base for facade paints because it is less harmful to health than, for example, nitro-based paints or alkyd resin paints, and also has very good properties such as UV resistance and hiding power. Due to the wide use of pure acrylic, it is also cheap and available in good quality.
  • this preferably means a dispersion of methyl acrylate and water, which has a solids content of 35-45%, preferably 40%, and preferably an emulsifier such as pemulene at 2-4%, preferably contains 3%.
  • styrene acrylate and styrene butadiene are also suitable. These substances give the sealing greater mechanical strength and can be used, for example, where surfaces that are exposed to greater mechanical stress need to be sealed.
  • the plasticizer includes Plastilit 3060 from BASF and/or APEO-free polypropylene glycol alkyl phenyl ether.
  • the plasticizer preferably consists solely of one of these substances or a combination thereof.
  • the nano-silicon dioxide preferably essentially completely, has a particle size of less than 10 nm.
  • Nano silicon dioxide is characterized by a particle size in the nano range.
  • the particles have a particle size of less than 10 nm. Since powders generally have a grain size distribution, the particles essentially have a particle size below 10 nm, which means, for example, that at least 90% of the particles have a particle size below 10 nm.
  • the aluminum powder has an average grain size of 0.1 - 50 pm, preferably an average grain size of 30 pm.
  • the average grain size describes the grain size that is most often present within the powder. For example, larger and smaller grains are present in a Gaussian distribution with smaller proportions.
  • the zinc powder has an average grain size of 0.1 - 50 pm, preferably an average grain size of 50 pm.
  • the seal has substances in the specified proportions: a. 50 - 90% pure acrylate and/or b. 1 - 3% white spirit and/or c. 0.1 - 1.0% preservatives and/or d. 1 - 5% nano silicon dioxide and/or e. 3 - 10% plasticizer and/or f. 1 - 10% aluminum powder and/or g. 1 - 10% zinc powder and/or h. 0.5 - 30% water.
  • a seal with the proportions of the respective substances specified above is very suitable as a hydrogen barrier.
  • the white spirit is a mineral spirit and is used to reduce the setting temperature of the seal.
  • Preventol phenylpehnol
  • phenylpehnol can be used as a preservative.
  • a composition of the sealing with the following substances in the following proportions has proven to be particularly preferred: a. 80% pure acrylate and/or b. 2% white spirit and/or c. 0.3% preservative and/or d. 2% nano silicon dioxide and/or e. 5% plasticizer and/or f. 2% aluminum powder and/or g. 5% zinc powder and/or h. 3.7% water.
  • Such a seal has proven to be completely impermeable to hydrogen in laboratory tests according to DIN EN ISO 17081 and according to EP 3 553 210 Al.
  • a sealed substrate according to the invention with a seal is characterized in that the seal comprises plasticizers, nano-silicon dioxide, aluminum powder and zinc powder.
  • the seal is arranged on a surface of the substrate with a layer thickness of at least 0.2 mm.
  • the seal has preferably been applied in two layers, so that the dried seal on the substrate is formed from two layers of at least 0.1 mm each.
  • the substrate comprises iron, and/or steel and/or fiber-reinforced plastic.
  • the substrate preferably consists of one or more of the aforementioned materials.
  • the substrate preferably forms a pipeline or container for transporting or storing hydrogen.
  • the substrate can also form all elements that would come into contact with the hydrogen in pipeline construction or container construction, such as valves, sleeves or fittings.
  • a method according to the invention for producing the seal usable as a hydrogen barrier with a base material is also claimed.
  • the process is characterized by the fact that plasticizers, nano-silicon dioxide, aluminum powder and zinc powder are added to the base material in a mixing process with mechanical mixing.
  • the individual components of the seal are gradually added to the base material with continuous stirring by an agitator and mixed together. It is important that the mechanical mixing is carried out as foam-free as possible.
  • mechanical mixing takes place under vacuum when producing the seal.
  • the previously mechanically mixed materials (base material, plasticizer, nano-silicon dioxide, aluminum powder and zinc powder, and possibly other additives) are fed to a colloidator for processing.
  • base material plasticizer, nano-silicon dioxide, aluminum powder and zinc powder, and possibly other additives
  • the components of the seal are mixed as finely as possible and so the aluminum powder and the zinc powder can form plate-like structures while the seal is setting, which lead to reinforcement of the seal.
  • a matrix material for a fiber composite material can also be used as a hydrogen barrier, with a base material, and which is characterized in that the matrix material comprises plasticizers, nano-silicon dioxide, aluminum powder and zinc powder.
  • the plasticizer, the nano-silicon dioxide, the aluminum powder and the zinc powder also lead to impermeability to hydrogen in a matrix material for fiber composite materials.
  • a fiber composite material with the matrix material according to the invention is in itself impermeable to hydrogen and does not need to be protected against the penetration of hydrogen with an additional seal.
  • the base material comprises a 2K material.
  • 2K materials have the advantage that the setting process can be precisely coordinated and there is often very good solvent resistance after setting.
  • the base material comprises pure acrylate.
  • Epoxy resin is widely used as a matrix material and has proven itself. However, since epoxy resin becomes brittle when it comes into contact with hydrogen and also tends to form pores and cracks when it sets, a different base material must be used. It has come about issued that pure acrylate can be used as a base material for the matrix material and can be made impermeable to hydrogen by the additives according to the invention.
  • a fiber composite plastic according to the invention comprises a fiber material and a matrix material and is characterized in that the matrix material comprises plasticizers, nano-silicon dioxide, aluminum powder and zinc powder.
  • the fiber material is arranged embedded in the matrix material.
  • the fiber material is essentially completely surrounded by the matrix material, whereby essentially completely in the sense of the application means that the fiber material does not necessarily have to be surrounded by matrix material, for example at its ends on subsequently cut edges of a component made of the fiber composite plastic must.
  • the fiber material comprises glass fibers, and/or carbon fibers, and/or Kevlar fibers and/or natural fibers, and/or metallic fibers.
  • the fiber material preferably consists of one or more of the aforementioned materials.
  • a method according to the invention for producing a matrix material for a fiber composite material usable as a hydrogen barrier, with a base material is characterized in that the base material is supplied with plasticizers, nano-silicon dioxide, aluminum powder and zinc powder in a mixing process with mechanical mixing becomes.
  • mechanical mixing takes place under vacuum during the production of the matrix material.
  • mechanical mixing it is important that as far as possible no air bubbles are introduced into the matrix material, as these lead to pores in the matrix material. It is therefore advantageous if the mechanical mixing takes place under vacuum so that no air bubbles are mixed into the matrix material. It can also be helpful if, after mechanical mixing, any air bubbles that may have been mixed in are removed from the matrix material by applying a vacuum.
  • the previously mechanically mixed materials base material, plasticizer, nano-silicon dioxide, aluminum powder and zinc powder, and possibly other additives
  • the aluminum powder and the zinc powder can form plate-like structures while the seal is setting, which lead to reinforcement of the seal.
  • FIG. 1 shows a sealed substrate with a substrate in the form of a steel tube with a seal according to the invention arranged on its inside
  • Figure 2 shows a fiber composite plastic with a fiber material embedded in a matrix material according to the invention
  • Figure 3 shows a sealed substrate made of steel with a seal according to the invention arranged on one side.
  • Figure 1 shows a sealed substrate with a substrate 1 in the form of a steel pipe with a seal 2 arranged on the inside of the steel pipe.
  • the seal 2 is applied in a thin layer compared to the wall of the steel pipe, its thickness being 0.2 mm is, while the wall of the steel pipe is 3 mm. No hydrogen can get through the seal 2, so that the inside of the steel pipe cannot come into contact with the hydrogen. This means that no hydrogen can escape through the steel pipe into the environment.
  • Figure 2 shows a fiber composite plastic with a fiber material 3 embedded in a matrix material 4.
  • the matrix material 4 completely surrounds the fibers of the fiber material 3 and is chemically hardened, so that a me- mechanically stable fiber composite plastic is formed from the fiber material 3 and the matrix material.
  • Figure 3 shows a sealed substrate 1 made of steel with a seal 2 according to the invention arranged on one side.
  • the seal 2 was applied to one side of the substrate 1 made of steel in two layers, each with a layer thickness of approximately 0.1 mm.
  • the seal has a composition with the following substances in the following proportions: a. 80% pure acrylate and/or b. 2% white spirit and/or c. 0.3% preservative and/or d. 2% nano silicon dioxide and/or e. 5% plasticizer and/or f. 2% aluminum powder and/or g. 5% zinc powder and/or h. 3.7% water.
  • the seal 1 has proven to be completely impermeable to hydrogen in the laboratory tests carried out.

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Abstract

Die Erfindung betrifft zum einen eine Versiegelung verwendbar als Wasserstoff-Barriere, mit einem Basis-Werkstoff, und zum anderen einen Matrix-Werkstoff für Faserverbundwerkstoffe mit einem Basis-Werkstoff, und zeichnet sich dadurch aus, dass die Versiegelung bzw. der Matrix-Werkstoff Weichmacher, Nano-Siliziumdioxid, Aluminiumpulver und Zinkpulver umfassen.

Description

Versiegelung verwendbar als Wasserstoff-Barriere
Die Erfindung betrifft eine Versiegelung, ein Verfahren zur Herstellung der Versiegelung, einen Matrixwerkstoff für Faserverbundwerkstoffe, und ein Verfahren zur Herstellung des Matrixwerkstoffs, wobei die Versiegelung und der Matrixwerkstoff als Wasserstoff-Barriere verwendbar sind.
Im Zuge der Umstellung auf erneuerbare Energiequellen gewinnt der Energieträger Wasserstoff mehr und mehr an Bedeutung. Wasserstoff kann an Orten mit hohen erneuerbaren Energieaufkommen produziert werden und von dort in die Ballungsgebiete transportiert werden, in denen die Energie vornehmlich verbraucht wird. Die Energie kann auch sehr gut in Form des Wasserstoffs zwischengespeichert bzw. gelagert werden. Für diesen Transport und die Lagerung sind jedoch Behältnisse und Rohrleitungen notwendig, über die der Wasserstoff transportiert oder in denen der Wasserstoff gespeichert wird. Solche Behälter und Rohrleitungen sind in der Regel aus Stahl oder können aus Faserverbundwerkstoffen hergestellt sein.
Das Wasserstoffatom ist das kleinste Atom aus dem Periodensystem, so dass es besondere Anforderungen an die Materialien stellt, aus denen die Behältnisse oder Rohrleitungen für den Wasserstoff hergestellt sind, da es aufgrund seiner Größe dazu neigt in Stoffe wie Stahl oder Faserverbundwerkstoffe einzudringen.
Wie sehr ein Material dazu neigt Wasserstoff aufzunehmen bzw. durchzulassen, kann mithilfe von Permeabilitäts-Messungen nach DIN EN ISO 17081 und gemäß EP 3 553 210 Al bestimmt werden. Dabei wird eine Werkstoffprobe zwischen zwei Elektroden platziert, wobei ein Stromfluss zwischen den beiden Elektroden entsteht, wenn Wasserstoff durch die Werkstoffprobe durchdiffundiert. Je höher der erfasste Strom ist, desto höher ist die Wasserstoff- Diffusion durch die Werkstoffprobe und umgekehrt. Bei Stahl und bei Faserverbundwerkstoffen kommt es hier zu einer erheblichen Wasserstoff- Diffusion durch den Werkstoff hindurch.
Einmal in die Werkstoffe eingedrungener Wasserstoff führt bei den üblicherweise verwendeten Stahlsorten im Behälter- und Rohrleitungsbau zu einer Veränderung der Kristallstrukturen des Stahls und damit zu einer mechanischen Schwächung des Stahls. Faserverbundwerkstoffe mit einer Matrix aus zum Beispiel Epoxidharz neigen dazu zu verspröden. Die Behälter und Rohrleitungen aus Stahl oder Faserverbundwerkstoffen verlieren also über die Zeit ihre mechanische Festigkeit und müssen ausgetauscht werden.
Die zugrundeliegende Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Versiegelung und einen Matrixwerkstoff für faserverstärkte Kunststoffe bereit zu stellen, die einen möglichst hohen Diffusionswiderstand bzw. Permeabilitätswiderstand gegenüber Wasserstoff aufweisen, um die Lebensdauer von Behältern und Rohrleitungen zu erhöhen, und gleichzeitig günstig in der Herstellung, sowie leicht zu verarbeiten sind.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände und Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche der vorliegenden Anmeldung gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die jeweiligen Unteransprüche.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können (auch über Kategoriegrenzen, beispielsweise zwischen Verfahren und Vorrichtung, hinweg) und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
Es sei ferner darauf hingewiesen, dass eine hierin verwendete, zwischen zwei Merkmalen stehende und diese miteinander verknüpfende Konjunktion „und/oder" stets so auszulegen ist, dass in einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gegenstands lediglich das erste Merkmal vorhanden sein kann, in einer zweiten Ausgestaltung lediglich das zweite Merkmal vorhanden sein kann und in einer dritten Ausgestaltung sowohl das erste als auch das zweite Merkmal vorhanden sein können.
Die erfindungsgemäße Versiegelung verwendbar als Wasserstoff-Barriere, mit einem Basis-Werkstoff zeichnet sich dadurch aus, dass die Versiegelung Weichmacher, Nano-Siliziumdioxid, Aluminiumpulver und Zinkpulver umfasst. Die Versiegelung ist als eine Barriere für Wasserstoff geeignet, das heißt der Wasserstoff kann im Wesentlichen nicht durch die Versiegelung hindurch gelangen. Im Wesentlichen nicht hindurch gelangen meint im Sinne der Anmeldung, dass der durch die Versiegelung dringende Wasserstoff weniger als 5%, vorzugsweise weniger als 2%, weiter vorzugsweise weniger als 1% der Menge des Wasserstoffs entspricht, welcher ansonsten ohne Versiegelung in die zu versiegelnde Oberfläche eingedrungen wäre.
Die Versiegelung kann als Barriere für Wasserstoff eingesetzt werden, weil die Wasserstoff-Moleküle von der Versiegelung adsorbiert werden und/oder weil sie erst gar nicht in den Versiegelungswerkstoff eindringen können. Somit können Werkstoffe wie Stahl oder Faserverbundwerkstoffe mit der Versiegelung versiegelt werden, so dass über die versiegelte Oberfläche kein Wasserstoff mehr an den Stahl oder Faserverbundwerkstoff gelangen kann, und so die Schädigung der Werkstoffe durch den Wasserstoff verhindert werden kann.
Als Basis-Werkstoff kann eine Dispersions-Basis dienen, die häufig zum Beispiel bei Fassadenfarben eingesetzt wird. Dadurch kann die Versiegelung sehr einfach, wie von Fassadenanstrichen üblicher Weise gewohnt, auf die zu schützenden Oberflächen aufgetragen werden. Im abgetrockneten Zustand der Versiegelung ist die Schutzwirkung vollständig vorhanden, kann aber auch schon im noch nicht abgetrockneten, flüssigen Zustand vorhanden sein.
Die Schichtdicke sollte sich im Rahmen 0,2 mm bis 1 mm, vorzugsweise 0,5 mm bewegen, damit eine gewisse mechanische Stabilität und mechanische Bean- spruchbarkeit der Versiegelung gewährleistet ist. Zwei aufeinander folgende Anstriche von je 0,25 mm haben sich in der Praxis bewährt. Für die Schutzwirkung muss die Oberfläche der Versiegelung lediglich geschlossen sein, während die Schichtdicke sehr gering, beispielsweise unter 0,2 mm sein kann.
Es ist bekannt, dass Zusätze auf Aluminiumbasis die Wasserstoffpermeabilität von Werkstoffen herabsetzen können. Jedoch führt das Aluminium in den meisten gängigen Dispersions-Basis-Werkstoffen zu einer Rissbildung und/oder Porenbildung beim Abtrocknen der Versiegelung, so dass der Wasserstoff zwar nicht mehr durch die Versiegelung selbst dringen kann, dafür aber durch die Ris- se und Poren gelangen kann, so dass die vor dem Wasserstoff zu schützende Oberfläche letztendlich nicht geschützt ist.
Daher ist die Kernidee der Erfindung, dass der Versiegelung neben Aluminiumpulver auch Zinkpulver, Nano Siliziumdioxid und Weichmacher beigemengt werden, so dass nach der Abtrocknung der Versiegelung eine zusammenhängende Schicht auf der zu versiegelnden Oberfläche zurückbleibt, die zum einen selbst eine sehr geringe, vorzugsweise keine Permeabilität gegenüber Wasserstoff aufweist und gleichzeitig im Wesentlichen keine Risse oder durchgängigen Poren aufweist, durch die der Wasserstoff auf die zu schützende Oberfläche gelangen könnte.
Dabei dient der Weichmacher dazu der Matrix der Versiegelung eine gewisse Elastizität zu verleihen, so dass weniger oder möglichst keine Risse und Poren beim Abtrocknen der Versiegelung entstehen. Auch das Nano-Siliziumdioxid trägt entscheidend dazu bei, dass weniger Poren und Risse beim Abtrocknen der Versiegelung entstehen.
Das Aluminiumpulver und das Zinkpulver bilden plättchenartige Strukturen aus, die als eine Art Bewehrung die Matrix der Versiegelung verstärken. Diese Strukturen aus Aluminium und Zink führen letztendlich zur Undurchlässigkeit der Versiegelung gegenüber Wasserstoff.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Varianten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Die in den Unteransprüchen einzeln aufgeführten Merkmale können in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander als auch mit den in der nachfolgenden Beschreibung näher erläuterten Merkmale kombiniert werden und andere vorteilhafte Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen.
In einer Ausgestaltungsform der Versiegelung umfasst der Basis-Werkstoff Rein- Acrylat, und/oder Styrol -Acry lat und/oder Styrol-Butadien. Vorzugsweise besteht der Basiswerkstoff allein aus einem dieser Stoffe oder aus einer Kombination daraus. Rein-Acrylat hat sich bei der Verwendung als Basis für Fassadenfarben durchgesetzt, da es weniger gesundheitsschädlich ist als beispielsweise Farben auf Nitro- Basis oder Alkydharzlacke, und zudem sehr gute Eigenschaften wie UV- Beständigkeit und Deckungskraft aufweist. Durch die breite Verwendung von Rein-Acrylat ist es darüber hinaus günstig und in guter Qualität verfügbar. Sofern in dieser Anmeldung von Rein-Acrylat die Rede ist, ist damit vorzugsweise eine Dispersion aus Methylacrylat und Wasser gemeint, die einen Festkörperanteil von 35-45% aufweist, vorzugsweise 40%, und vorzugsweise einen Emulgator wie beispielsweise Pemulen zu 2-4%, vorzugsweise 3% enthält.
Neben Rein-Acrylat eignen sich aber auch Styrol-Acrylat und Styrol-Butadien. Diese Stoffe verleihen der Versiegelung eine höhere mechanische Belastbarkeit und können beispielsweise dort eingesetzt werden, wo Oberflächen versiegelt werden müssen, die einer größeren mechanischen Belastung ausgesetzt sind.
In einer weiteren Ausgestaltung der Versiegelung umfasst der Weichmacher Plas- tilit 3060 der Firma BASF und/oder APEO-freien Polypropylenglykol Alkylphenylether. Vorzugsweise besteht der Weichmacher allein aus einem dieser Stoffe oder aus einer Kombination daraus.
In einer weiteren Ausführungsform der Versiegelung weist das Nano- Siliziumdioxid, vorzugsweise im Wesentlichen vollständig, eine Partikelgröße kleiner 10 nm auf. Nano-Siliziumdioxid zeichnet sich durch eine Partikelgröße im Nanobereich aus. Vorteilhafterweise liegen die Partikel in einer Pratikelgröße unterhalb von 10 nm vor. Da Pulver in der Regel eine Korngrößenverteilung aufweisen, liegen die Partikel im Wesentlichen in einer Partikelgröße unterhalb von 10 nm vor, das heißt beispielsweise, dass wenigstens 90% der Partikel eine Partikelgröße unterhalb von 10 nm aufweisen.
In einer weiteren Ausführungsform der Versiegelung weist das Aluminiumpulver eine mittlere Korngröße von 0,1 - 50 pm, vorzugsweise eine mittlere Korngröße von 30 pm auf. Die mittlere Korngröße beschreibt die Korngröße, die am häufigsten innerhalb des Pulvers vorliegt. Größere und kleinere Körner liegen beispielsweise in einer Gauß-Verteilung mit geringeren Anteilen vor. In einer weiteren Ausführungsform der Versiegelung weist das Zinkpulver eine mittlere Korngröße von 0,1 - 50 pm, vorzugsweise eine mittlere Korngröße von 50 pm auf.
In einer weiteren Ausführungsform der Versiegelung weist die Versiegelung Stoffe in den ausgewiesenen Anteilen auf: a. 50 - 90 % Rein-Acrylat und/oder b. 1 - 3 % Testbenzin und/oder c. 0,1 - 1,0 % Konservierungsmittel und/oder d. 1 - 5 % Nano-Siliziumdioxid und/oder e. 3 - 10 % Weichmacher und/oder f. 1 - 10 % Aluminiumpulver und/oder g. 1 - 10 % Zinkpulver und/oder h. 0,5 - 30 % Wasser.
Eine Versiegelung mit den oben angegebenen Anteilen der jeweiligen Stoffe ist sehr gut als Wasserstoff-Barriere geeignet.
Das Testbenzin ist ein Lackbenzin und dient der Herabsetzung der Abbinde- Temperatur der Versiegelung. Als Konservierungsmittel kann beispielsweise Prä- ventol (Phenylpehnol) verwendet werden.
Eine Zusammensetzung der Versiegelung mit den folgenden Stoffen in folgenden Anteilen hat sich als besonders bevorzugt herausgestellt: a. 80 % Rein-Acrylat und/oder b. 2 % Testbenzin und/oder c. 0,3 % Konservierungsmittel und/oder d. 2 % Nano-Siliziumdioxid und/oder e. 5 % Weichmacher und/oder f. 2 % Aluminiumpulver und/oder g. 5 % Zinkpulver und/oder h. 3,7 % Wasser. Eine solche Versiegelung hat sich in den Labortests nach DIN EN ISO 17081 und gemäß EP 3 553 210 Al als vollständig undurchlässig für Wasserstoff erwiesen.
Ein erfindungsgemäßes versiegeltes Substrat mit einer Versiegelung zeichnet sich dadurch aus, dass die Versiegelung Weichmacher, Nano-Siliziumdioxid, Aluminiumpulver und Zinkpulver umfasst.
In einer Ausführungsform des versiegelten Substrats ist die Versiegelung auf einer Oberfläche des Substrats mit einer Schichtdicke von wenigstens 0,2 mm angeordnet. Vorzugsweise ist die Versiegelung in zwei Schichten aufgetragen worden, so dass die abgetrocknete Versiegelung auf dem Substrat aus zwei Schichten zu je wenigstens 0,1 mm gebildet ist.
In einer weiteren Ausführungsform des versiegelten Substrats umfasst das Substrat Eisen, und/oder Stahl und/oder faserverstärkten Kunststoff. Vorzugsweise besteht das Substrat aus einem oder mehreren der vorgenannten Materialien. Das Substrat bildet vorzugsweise eine Rohrleitung oder einen Behälter zum Transport oder zur Lagerung von Wasserstoff. Das Substrat kann auch sämtliche Elemente, die im Rohrleitungsbau oder Behälterbau mit dem Wasserstoff in Berührung kommen würden wie beispielsweise Ventile, Muffen oder Fittinge, ausbilden.
Neben der Versiegelung wird auch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung der Versiegelung verwendbar als Wasserstoff-Barriere, mit einem Basis- Werkstoff beansprucht. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass dem Basis-Werkstoff in einem Mischprozess unter mechanischem Mischen Weichmacher, Nano-Siliziumdioxid, Aluminiumpulver und Zinkpulver beigemengt wird.
In dem Mischprozess werden dem Basis-Werkstoff beispielsweise unter kontinuierlichem Rühren durch ein Rührwerk nach und nach die einzelnen Bestandteile der Versiegelung zugeführt und miteinander vermischt. Wichtig ist, dass das mechanische Mischen möglichst Schaumfrei erfolgt.
In einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt bei der Herstellung der Versiegelung das mechanische Mischen unter Vakuum. Beim mechanischen Mischen ist es wichtig, dass möglichst keine Luftblasen in die Versiegelung eingebracht wer- den, da diese später zu Poren in der Versiegelung führen. Daher ist es von Vorteil, wenn das mechanische Mischen unter Vakuum geschieht, so dass keine Luftblasen in die Versiegelung eingemischt werden. Es kann ebenso zielführend sein, wenn nach dem mechanischen Mischen evtl, eingemischte Luftblasen durch Anlegen eines Vakuums aus der Versiegelung entfernt werden.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung der Versiegelung werden die zuvor mechanisch gemischten Stoffe (Basis-Werkstoff, Weichmacher, Nano-Siliziumdioxid, Aluminiumpulver und Zinkpulver, sowie ggf. weiteren Zuschlagstoffen) zur Bearbeitung einem Kolloidator zugeführt. Dies hat zur Folge, dass die Bestandteile der Versiegelung möglichst fein vermischt werden und so das Aluminiumpulver und das Zinkpulver plättchenartige Strukturen während des Abbindens der Versiegelung ausbilden können, die zu einer Bewehrung der Versiegelung führen.
Erfindungsgemäß ist auch ein Matrix-Werkstoff für einen Faserverbundwerkstoff verwendbar als Wasserstoff- Barriere, mit einem Basis-Werkstoff, und der sich dadurch auszeichnet, dass der Matrix-Werkstoff Weichmacher, Nano- Siliziumdioxid, Aluminiumpulver und Zinkpulver umfasst. Der Weichmacher, das Nano-Siliziumdioxid, das Aluminiumpulver und das Zinkpulver führen auch in einem Matrix-Werkstoff für Faserverbundwerkstoffe zu einer Undurchlässigkeit für Wasserstoff. Ein Faserverbundwerkstoff mit dem erfindungsgemäßen Matrix- Werkstoff ist also an sich schon undurchlässig für Wasserstoff und muss nicht mit einer zusätzlichen Versiegelung gegen das Eindringen von Wasserstoff geschützt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Matrix-Werkstoffs umfasst der Basis- Werkstoff einen 2K Werkstoff. 2K Werkstoffe haben den Vorteil, dass der Abbindeprozess genau abgestimmt werden kann und häufig eine sehr gute Lösemittel- Resistenz nach dem Abbinden gegeben ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Matrix-Werkstoffs umfasst der Bas is- Werkstoff Rein-Acrylat. Epoxidharz ist als Matrix-Werkstoff weit verbreitet und hat sich bewährt. Da Epoxidharz jedoch beim Kontakt mit Wasserstoff versprödet und darüber hinaus dazu neigt Poren und Risse beim Abbinden auszubilden, muss ein anderer Basis-Werkstoff eingesetzt werden. Es hat sich her- ausgestellt, dass Rein-Acrylat als Basis-Werkstoff für den Matrix-Werkstoff genutzt werden kann und durch die erfindungsgemäßen Zuschlagstoffe für Wasserstoff undurchlässig gemacht werden kann.
Ein erfindungsgemäßer Faserverbund-Kunststoff umfasst ein Fasermaterial, und einen Matrix-Werkstoff und zeichnet sich dadurch aus, dass der Matrix-Werkstoff Weichmacher, Nano-Siliziumdioxid, Aluminiumpulver und Zinkpulver umfasst.
In einer Ausführungsform des Faserverbund-Kunststoffs ist das Fasermaterial in dem Matrix-Werkstoff eingebettet angeordnet. Das Fasermaterial wird dazu im Wesentlichen vollständig von dem Matrix-Werkstoff umgeben, wobei im Wesentlichen vollständig im Sinne der Anmeldung meint, dass das Fasermaterial beispielsweise an seinen Enden an nachträglich geschnittenen Kanten eines Bauteils aus dem Faserverbund-Kunststoff nicht zwingend von Matrix-Werkstoff umgeben sein muss.
In einer weiteren Ausführungsform des Faserverbund-Kunststoffs umfasst das Fasermaterial Glasfasern, und/oder Kohlenstoff- Fasern, und/oder Kevlar-Fasern und/oder Naturfasern, und/oder metallische Fasern. Vorzugsweise besteht das Fasermaterial aus einem oder mehreren der vorgenannten Materialien.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Matrix-Werkstoffes für einen Faserverbundwerkstoff verwendbar als Wasserstoff- Barriere, mit einem Basis-Werkstoff, zeichnet sich dadurch aus, dass dem Basis-Werkstoff in einem Mischprozess unter mechanischem Mischen Weichmacher, Nano-Siliziumdioxid, Aluminiumpulver und Zinkpulver zugeführt wird.
In einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt bei der Herstellung des Matrix- Werkstoffes das mechanische Mischen unter Vakuum. Beim mechanischen Mischen ist es wichtig, dass möglichst keine Luftblasen in den Matrix-Werkstoff eingebracht werden, da diese zu Poren in dem Matrix-Werkstoff führen. Daher ist es von Vorteil, wenn das mechanische Mischen unter Vakuum geschieht, so dass keine Luftblasen in den Matrix-Werkstoff eingemischt werden. Es kann ebenso zielführend sein, wenn nach dem mechanischen Mischen evtl, eingemischte Luftblasen durch Anlegen eines Vakuums aus dem Matrix-Werkstoff entfernt werden. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform zur Herstellung des Matrix Werkstoffes werden die zuvor mechanisch gemischten Stoffe (Basis-Werkstoff, Weichmacher, Nano-Siliziumdioxid, Aluminiumpulver und Zinkpulver, sowie ggf. weiteren Zuschlagstoffen) zur Bearbeitung einem Kolloidator zugeführt. Dies hat zur Folge, dass das Aluminiumpulver und das Zinkpulver plättchenartige Strukturen während des Abbindens der Versiegelung ausbilden können, die zu einer Bewehrung der Versiegelung führen.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren eingehend erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein versiegeltes Substrat mit einem Substrat in Form eines Stahlrohrs mit einer auf seiner Innenseite angeordneten erfindungsgemäßen Versiegelung,
Figur 2 einen Faserverbund-Kunststoff mit einem Fasermaterial eingebettet in einen erfindungsgemäßen Matrix-Werkstoff
Figur 3 ein versiegeltes Substrat aus Stahl mit einer einseitig angeordneten erfindungsgemäßen Versiegelung.
In den Figuren bezeichnen - soweit nicht anders angegeben - gleiche Bezugszeichen gleiche oder einander entsprechende Komponenten mit gleicher Funktion.
Figur 1 zeigt ein versiegeltes Substrat mit einem Substrat 1 in Form eines Stahlrohrs mit einer auf der Innenseite des Stahlrohrs angeordneten Versiegelung 2. Die Versiegelung 2 ist dabei in einer im Vergleich zu der Wandung des Stahlrohrs dünnen Schicht aufgetragen, wobei deren Dicke 0,2 mm beträgt, während die Wandung des Stahlrohrs 3 mm beträgt. Durch die Versiegelung 2 kann kein Wasserstoff gelangen, so dass die Innenseite des Stahlrohrs nicht mit dem Wasserstoff in Kontakt gelangen kann. Dadurch kann auch kein Wasserstoff durch das Stahlrohr hindurch nach außen in die Umgebung gelangen.
Figur 2 zeigt einen Faserverbund-Kunststoff mit einem Fasermaterial 3 eingebettet in einen Matrix-Werkstoff 4. Der Matrix-Werkstoff 4 umgibt dabei die Fasern des Fasermaterials 3 vollständig und ist chemisch ausgehärtet, so dass ein me- chanisch stabiler Faserverbund-Kunststoff aus dem Fasermaterial 3 und dem Matrix-Werkstoff gebildet wird.
Figur 3 zeigt ein versiegeltes Substrat 1 aus Stahl mit einer einseitig angeordneten erfindungsgemäßen Versiegelung 2. Die Versiegelung 2 wurde dazu in zwei Schichten mit jeweils einer Schichtdicke von etwa 0,1 mm einseitig auf das Substrat 1 aus Stahl aufgetragen.
Die Versiegelung weist eine Zusammensetzung mit den folgenden Stoffen in folgenden Anteilen auf: a. 80 % Rein-Acrylat und/oder b. 2 % Testbenzin und/oder c. 0,3 % Konservierungsmittel und/oder d. 2 % Nano-Siliziumdioxid und/oder e. 5 % Weichmacher und/oder f. 2 % Aluminiumpulver und/oder g. 5 % Zinkpulver und/oder h. 3,7 % Wasser.
Das mit der Versiegelung 2 einseitig versiegelte Substrat 1 aus Fig. 3 wurde mithilfe einer elektrochemischen Messeinrichtung einer Permeations-Messung nach DIN EN ISO 17081 und gemäß EP 3 553 210 Al unterzogen. Die Versiegelung 1 hat sich in den durchgeführten Labortests als vollständig undurchlässig für Wasserstoff erwiesen.
Bezugszeichenliste
1 Substrat 2 Versiegelung
3 Fasermaterial
4 Matrix-Werkstoff

Claims

Patentansprüche Versiegelung verwendbar als Wasserstoff- Barriere, mit einem Basis-
Werkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass die Versiegelung Weichmacher, Nano-Siliziumdioxid, Aluminiumpulver und Zinkpulver umfasst. Versiegelung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Basis-Werkstoff Rein-Acrylat, und/oder Styrol-Acrylat und/oder Styrol-Butadien umfasst, vorzugsweise daraus besteht. Versiegelung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Weichmacher Plastilit und/oder freier Polypropylenglykol Al- kylphemylether umfasst, vorzugsweise daraus besteht. Versiegelung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Nano-Siliziumdioxid, vorzugsweise im Wesentlichen vollständig, eine Partikelgröße kleiner 10 nm aufweist. Versiegelung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiumpulver eine mittlere Korngröße von 0,1 - 50 pm, vorzugsweise eine mittlere Korngröße von 30 pm aufweist. Versiegelung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zinkpulver eine mittlere Korngröße von 0,1 - 50 pm, vorzugsweise eine mittlere Korngröße von 50 pm aufweist. Versiegelung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Versiegelung Stoffe in den ausgewiesenen Anteilen aufweist: a. 50 - 90 % Rein-Acrylat und/oder b. 1 - 3 % Testbenzin und/oder c. 0,1 - 1,0 % Konservierungsmittel und/oder d. 1 - 5 % Nano-Siliziumdioxid und/oder e. 3 - 10 % Weichmacher und/oder f. 1 - 10 % Aluminiumpulver und/oder g. 1 - 10 % Zinkpulver und/oder h. 0,5 - 30 % Wasser.
8. Versiegeltes Substrat mit einer Versiegelung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Versiegelung Weichmacher, Nano-Siliziumdioxid, Aluminiumpulver und Zinkpulver umfasst.
9. Versiegeltes Substrat nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Versiegelung auf einer Oberfläche des Substrats mit einer Schichtdicke von wenigstens 0,2 mm angeordnet ist, vorzugsweise, dass die Versiegelung zwei Schichten zu je wenigstens 0,1 mm umfasst.
10. Versiegeltes Substrat nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat Eisen, und/oder Stahl und/oder faserverstärkten Kunststoff umfasst, vorzugsweise, daraus besteht.
11. Verfahren zur Herstellung einer Versiegelung verwendbar als Wasserstoff- Barriere, mit einem Basis-Werkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass dem Basis-Werkstoff in einem Mischprozess unter mechanischem Mischen Weichmacher, Nano-Siliziumdioxid, Aluminiumpulver und Zinkpulver zugeführt wird.
12. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Herstellung der Versiegelung das mechanische Mischen unter Va- kuum erfolgt. erfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Herstellung der Versiegelung ein Kolloidator zur Bearbeitung der der mechanisch gemischten Stoffe verwendet wird. Matrix-Werkstoff für einen Faserverbund-Kunststoff verwendbar als Wasserstoff-Barriere, mit einem Basis-Werkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass der Matrix-Werkstoff Weichmacher, Nano-Siliziumdioxid, Aluminiumpulver und Zinkpulver umfasst. Matrix-Werkstoff nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Basis-Werkstoff einen 2K Werkstoff umfasst. Matrix-Werkstoff nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Basis-Werkstoff Rein-Acrylat umfasst, vorzugsweise daraus besteht. Faserverbund-Kunststoff umfassend ein Fasermaterial, und ein Matrix- Werkstoff gemäß einem der vier vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Matrix-Werkstoff Weichmacher, Nano-Siliziumdioxid, Aluminiumpulver und Zinkpulver umfasst. Faserverbund-Kunststoff nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Fasermaterial in dem Matrix-Werkstoff eingebettet angeordnet ist. Faserverbund-Kunststoff nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fasermaterial Glasfasern, und/oder Kohlenstoff- Fasern, und/oder Kevlar-Fasern und/oder Naturfasern, und/oder metallische Fasern umfasst, vorzugsweise, daraus besteht. erfahren zur Herstellung eines Matrix-Werkstoffes für einen Faserverbundwerkstoff verwendbar als Wasserstoff-Barriere, mit einem Basis- Werkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass dem Basis-Werkstoff in einem Mischprozess unter mechanischem Mischen Weichmacher, Nano-Siliziumdioxid, Aluminiumpulver und Zinkpulver zugeführt wird. erfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Herstellung des Matrix-Werkstoffes das mechanische Mischen unter Vakuum erfolgt. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Herstellung des Matrix-Werkstoffes ein Kolloidator zur Bearbeitung der mechanisch gemischten Stoffe verwendet wird.
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