DE102009011819A1 - Vakuumisoliermaterialien aus Hartschaum - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Isoliermaterial aus geschlossenzelligem Schaum, dem vor oder während dem Schäumen mindestens ein Additiv zugegeben wird, das das Treibmittel nach dem Aufschäumen in den Schaumwerkstoff einbaut und dadurch die Zellen evakuiert. Aus erfindungsgemäß hergestelltem Schaum gefertigte Hartschaumplatten weisen gegenüber heute üblichen Hartschaumplatten weitgehende Unempfindlichkeit gegen Beschädigungen und hervorragende Bearbeitung bei der Montage auf.

Description

• Die Entwicklung der Polyurethan(PUR)-Hartschäume geht auf Arbeiten von Otto Bayer in den frühen 40er Jahren zurück. Der Durchbruch zum großindustriellen Einsatz von PUR-Hartschaumstoffen erfolgte erst in den 60er Jahren, nachdem drei grundlegende Entwicklungen realisiert wurden, die nicht nur die Schaumstoffeigenschaften deutlich verbesserten, sondern auch das Herstellungsverfahren wesentlich vereinfachten. Mit der Verwendung des um 1960 großtechnisch zur Verfügung stehenden polymeren Diphenylmethandiisocyanats (MDI), den preiswerten Polyetherpolyolen in Verbindung mit Fluoralkanen als Treibmittel waren die Voraussetzungen für die schnelle Ausbreitung der PUR-Hartschäume gegeben. Mit dem polymeren MDI hatte man eine Isocyanatkomponente gefunden, die sich gut nach dem One-Shot-Verfahren verarbeiten ließ. Die in großer Variabilität herstellbaren Polyetherpolyole ermöglichten eine Verbreiterung des Eigenschaftsspektrums der Hartschaumstoffe. Der Einsatz von Fluorchloralkanen als Treibmittel in Kombination mit chemischen Treibmitteln führte zu geschlossenzelligen PUR-Hartschäumen niedriger Rohdichte.
• Neben einer deutlichen Verbesserung der mechanischen Eigenschaften zeigten diese Schaumstoffe eine von anderen Kunststoffen nicht erreichte, extrem niedrige Wärmeleitzahl. Damit erschloss sich eines der wichtigsten Anwendungsgebiete der PUR-Hartschaumstoffe, der Bereich der Wärmedämmung. Aufgrund der unübertroffenen thermischen Dämmwirkung des Materials finden die PUR-Hartschäume gegenwärtig überwiegend Verwendung bei der Wärmedämmung von Kühl- und Gefriergeräten, sowie im Bausektor.
• Durch die laufend steigenden Anforderungen an die Dämmwirkung von Isoliermaterialien werden die geschlossenzelligen PUR-Hartschaumstoffe inzwischen in vielen Fällen durch offenzellige Hartschaumstoffe ersetzt, die im Vakuum evakuiert und mit einem Folienmantel ausgestattet werden. Deren Wärmeleitfähigkeit beträgt nur noch ein Fünftel bis ein Zehntel gegenüber PUR-Hartschaumstoffen, was aber mit dem Nachteil erkauft wird, daß der Fertigungsaufwand enorm steigt und die Verarbeitungsmöglichkeiten der fertigen Vakuum-Isolierplatten sinkt. Ein weiterer Nachteil ist das Risiko, daß durch Oberflächenverletzungen in der Produktion, beim Transport, der Lagerung und der Montage bzw. im Laufe der Nut zung das Vakuum zerstört werden kann und damit die hervorragende Dämmwirkung.
• Die Erfindung stellt sich die Aufgabe einen Schaum zu entwickeln, der sich durch ausgezeichnete Wärmedämmung und sichere Handhabung bei einfacher Herstellung auszeichnet.
• Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 und vorteilhafte Ausbildungen durch die Unteransprüche gelöst.
• Der Prozess der PUR-Hartschaumherstellung erfolgt bevorzugt aber nicht ausschließlich durch das One-Shot-Verfahren, bei dem die Komponenten direkt, ohne die Ausbildung von Prepolymer-Zwischenstufen vermischt und verschäumt werden. Um einen PUR-Hartschaum mit den gewünschten Eigenschaften (niedrige Dichte, hohe Druckfestigkeit, Geschlossenzelligkeit und geringe Wärmeleitfähigkeit) zu erhalten, müssen alle den Schaumprozess bestimmenden Parameter, wie Polyol- und Polyisocyanatkomponente, Verarbeitung, Katalysator, Treibmittel und Additive, sorgfältig aufeinander abgestimmt werden.
• Die Wärmeleitung in PUR-Hartschäumen hängt wesentlich von der Zellstruktur bzw. der Zellgröße des Schaumes ab. Dem Einsatz von Schaumstabilisatoren als Additive bei der PUR-Hartschaumherstellung kommt deshalb eine wichtige Rolle zu, da sie den thermodynamisch instabilen Zustand des Schaumes während des Steigvorganges bis zu seiner Aushärtung stabilisieren und dadurch eine Schaumstruktur mit einer einheitlichen Zellgrößenverteilung sowie einem möglichst geringen Zelldurchmesser ermöglichen.
• Polyurethanschäume entstehen durch die Reaktion eines Polisocyanats mit einem Polyol (Polyaddition) in Gegenwart von Treibmitteln, Additiven (z. B. Schaumstabilisatoren) und Katalysatoren ohne externe Wärmezufuhr. Das Prinzip der Schaumherstellung basiert auf dem gleichzeitigen Ablauf von zwei Reaktionen, der Polyurethanbildungsreaktion (Polyol und Polyisocyanat) und der Treibgasreaktion. Bei der PUR-Hartschaumherstellung ist Kohlendioxid als chemisches Treibmittel aus der Isocyanat-Wasser-Reaktion von untergeordneter Bedeutung. Wasser wird dennoch in gewissen Mengen der Schaumformulierung zugegeben, da auf diese Weise Harnstoffgruppen eingeführt werden, die als Verknüpfungs punkte dienen und durch die Ausbildung von gegabelten Wasserstoffbrückenbindungen zusätzlich zur Festigkeit des entstehenden Schaumes beitragen.
• In praktisch allen Fällen werden niedrig siedende Lösungsmittel als physikalische Treibmittel eingesetzt. Bis vor einigen Jahren wurden hauptsächlich Halogenalkane (chlorofluorocarbons, CFSs), insbesondere Monofluortrichlormethan, verwendet. Diese Verbindungen verdampfen durch Reaktionswärme der stark exothermen Polyurethanreaktion und verbleiben in den geschlossenen Zellen des Schaumstoffes.
• Aufgrund ihrer geringen Wärmeleitzahl sind die Fluoralkane für die niedere Wärmeleitfähigkeit des PUR-Hartschaumes verantwortlich. Halogenalkane zeichnen sich allerdings durch ein hohes globales Erwärmungspotential (global warming potential, GWP) sowie durch ihre Anreicherung in der Ozonschicht (ozone depletion potential, ODP) aus, so daß seit einigen Jahren die CFCs sukzessiv durch alternative Treibmittel ersetzt wurden. Die im europäischen Raum am häufigsten verwendeten nicht-fluorierten Treibmittel stellen Kohlenwasserstoffe wie cyclo-, iso-, oder n-Pentan dar.
• Um die Wärmeleitfähigkeit noch weiter zu senken ist die Reduzierung des Gasdruckes in den Zellen auf einen Wert von weniger als 100 millibar, vorzugsweise 40 millibar, besonders bevorzugt 10 millibar abzusenken.
• Bewirkt wird dies durch die Zugabe von wenigstens einem vorzugsweise flüssigen Additiv in mindestens eine Komponente der Hartschaumformulierung vor und/oder während dem Schäumen, das das Treibmittel nach dem Schäumen kondensiert und/oder gasförmig in den Schaumwerkstoff einbaut.
• Bevorzugt wird ein dem jeweiligen Treibmittel angepasstes Additiv, das nicht nur in der Lage ist durch die wenigstens teilweise Elimination des gas- oder/und dampfförmigen Treibmittels den Zellendruck zu reduzieren, sondern auch die Zellwände zu verstärken und/oder deren Permeabilität zu reduzieren.
• Eine weitere Verbesserung kann erreicht werden indem wenigstens ein weiteres Additiv zugemischt wird, das mögliche Ausgasungen des Schaumwerkstoffes verhindert oder diese Gase ebenfalls in den Schaumwerkstoff einbaut.
• Um die Widerstandsfähigkeit gegen Umwelteinflüsse während und/oder nach der Fertigung zu erhöhen bietet sich die Beschichtung des Schaumes durch flüssigen Kunststoff mittels Tauch- und/oder Spritz- und/oder Streichbeschichtung an.
• Dabei werden die (frisch) geschäumten Platten zusätzlich außen verstärkt und abgedichtet und bei Bedarf gegen UV-Strahlung stabilisiert.
• Eine weitere Verbesserung der Isolierwirkung kann durch die Beimischung von Graphitpulver in die Hartschaumformulierung bewirkt werden, da dadurch eine interne Durchstrahlungshürde für elektromagnetische Strahlung errichtet wird. Die Verwendung von Titandioxid als oder/und in einem Beschichtungsmedium sorgt für größtmögliche Reflexion an der Oberfläche des Schaumes.
• Die erfindungsgemäßen Hartschaumplatten können auch sandwichartig mit oder ohne eine Zwischenschicht geschichtet, miteinander verbunden verwendet werden.
• Derart ausgebildete Hartschaumplatten können auf der Baustelle zugeschnitten, gesägt und genagelt werden, ohne daß ihre Wärmedämmeigenschaften nennenswert beeinträchtigt wird. Verletzungen oder Bearbeitungen an ihnen führen nicht zum Verlust des Vakuums der ganzen Platte, sondern nur lokal an der Stelle wo eine oder mehrere Zellen geschädigt wurden, bei Nägeln oder Schrauben also nur unmittelbar an deren Oberfläche. Dadurch, daß der Schaum sich selbst evakuiert und die Platten an ihrem Einsatzort mit den üblichen Handwerkszeugen angepasst werden können, ist eine schnelle, sichere und äußerst einfache Produktion in Standardgrößen großtechnisch möglich.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung von Isoliermaterialien aus geschlossenzelligem Schaum, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schaum vor dem und/oder während dem Schäumen mindestens ein Additiv zugegeben wird, das das gasförmige Treibmittel nach dem Aufschäumen in den Schaumwerkstoff einbaut und dadurch die Zellen evakuiert.
2. Verfahren zur Herstellung von Isoliermaterialien aus geschlossenzelligem Schaum nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schaum vor dem und/oder während dem Schäumen mindestens ein Additiv zugegeben wird, das die Gasdurchlässigkeit der Zellwände des Schaumwerkstoffes minimiert.
3. Verfahren zur Herstellung von Isoliermaterialien aus geschlossenzelligem Schaum nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß geschäumte Platten durch die Beschichtung mit flüssigem Kunststoff imprägniert und verstärkt werden.
4. Verfahren zur Herstellung von Isoliermaterialien aus geschlossenzelligem Schaum nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schaum Additive zur besseren Reflektion von Wärmestrahlung in Form von Graphitpulver beigemischt wird.
5. Verfahren zur Herstellung von Isoliermaterialien aus geschlossenzelligem Schaum nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaum UV-stabil ausgebildet ist.
6. Verfahren zur Herstellung von Isoliermaterialien aus geschlossenzelligem Schaum nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaum zumindest oberflächlich durch Beimischung von Titandioxid hochreflektiv ausgebildet ist.