DE102009042526A1 - Flexible Wärmedämmstofffasermatten mit integriertem nanoporösen Wärmedämmstoff - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft faserförmige, mineralische Wärmedämmstoffe, deren Makrohohlräume zwischen den Fasergelegen gezielt mit nanoporösen, anorganischen Füllstoffen gefüllt sind, um die Konvektion von Luftmolekülen zu vermindern und eine niedrige Wärmeleitzahl zu erreichen, sowie die Herstellung dieser Wärmedämmstoffe. Die gezielte Bindung der nanoporösen Wärmedämmstoffe auf der Mineralfaseroberfläche erfolgt durch elektrostatische Anziehung bzw. durch chemische Bindung. Die nanoporösen, anorganischen Füllstoffe können, je nach Einsatz- und Anwendungsgebiet sowohl hydrophil, als auch hydrophob gestaltet sein.
Description
- Die zur Zeit verwendeten künstlichen wie natürlichen faserförmigen Wärmedämmstoffe wie Mineralwollen, Zellulose Dämmstoffe, Holz-, Hanf- oder Flachsdämmstoffe weisen aufgrund der freien Beweglichkeit der Luftmoleküle zwischen den Fasergelegen Wärmeleitfähigkeiten zwischen 0,030 und 0,050 W/mK auf. Die Wärmeleitfähigkeit dieser Dämmstoffe wird wesentlichen durch die Konvektion von Stickstoff/Sauerstoff/CO2-Molekülen in den Makro-Hohlräumen zwischen den einzelnen Fasern bestimmt. Additiv zu der Konvektion kommen zur Gesamtwärmeleitfähigkeit die Anteile der Festkörperleitfähigkeit der Fasern, sowie die Durchlässigkeit von Infrarotstrahlung hinzu. Aus diesem Grund sind Wärmeleitfähigkeiten < 0,035 W/mK mit Faserdämmstoffen nicht bzw. nur unter großem Aufwand darstellbar. Eine gute Wärmedämmung kann daher nur durch extrem hohe Dämmstärken erreicht werden. Vorteile dieser Faserdämmstoffe sind ihre hohe Flexibilität.
- Eine extrem geringe Wärmeleitfähigkeit weisen dagegen nano- oder mikroporöse Wärmedämmstoffe auf, die aus der allgemeinen Literatur bekannt sind als die sogenannten mikro- bzw. nanoporösen Wärmedämmstoffe auf Basis von Metalloxiden wie Silizium oder Aluminium, bzw. auf Basis von Kohlenstoff. Diese werden großtechnisch entweder pyrogen (fumed silica), über Sol/Gel (Aerogele) oder über nasschemische Verfahren hergestellt. Diese nanoporösen Systeme weisen Porenradien < 100 nm auf. Diese Porenradien liegen im Bereich der mittleren freien Weglänge eines Sauerstoff-, bzw. Stickstoffmoleküls (80 nm bei Raumtemperatur). Somit ist die Beweglichkeit und auch die Wärmeübertragung durch Stoßmechanismen der Gasmoleküle (Konvektion) erheblich eingeschränkt. Solche nanoporösen Systeme weisen Wärmeleitfähigkeiten zwischen 0,013 W/mK (Aerogele) und 0,022 W/mK (fumed silica) auf. Zum Vergleich: stehende Luft hat eine Wärmeleitfähigkeit von 0,026 W/mK. Diese nano- oder mikroporösen Wärmedämmfüllstoffe werden mit sogenannten Trübungsmitteln versetzt, um einen Wärmedämmverlust durch Infrarotstrahlung (Radiation) zu verhindern. Die nanoporösen Wärmedämmstoffe können sowohl als pulverförmiger Füllstoff, als auch in Form gepresster Platten eingesetzt werden.
- Nachteilig bei diesen Wärmedämmstoffen sind ihre ungenügenden mechanischen Eigenschaften und ihre geringe Flexibilität. Eine Vereinigung beider Systeme war bisher nicht möglich, da es nicht gelungen ist, den nanoporösen Wärmedämmstoff in die Fasermatten einzubringen und dort nachhaltig zu fixieren.
- Ebenso war es bisher technisch nicht möglich, mikroporöse Pulver und langfaserige Fasern zu mischen. Einmal wurden beim Mischvorgang werden die Langfasern zerschlagen, zum anderen konnten pulverförmige Mischungen mit mehr als 20 Gew.% Fasern nicht zu stabilen Formkörpern verpresst werden.
- Es wurde nun gefunden, dass durch geeignete Kombination von Faserdämmstoffen, in erster Linie sogenannten „Künstlichen Mineralfasern” (KMF) wie Glas- und Mineralwolle und nanoporösen Füllstoffen, es zu synergistischen Effekten beider Systeme kommt. Zum einen konnte zum ersten Mal die Wärmeleitfähigkeit auf Werte < 0,030 W/mK gesenkt werden, sowie ein wesentlich verbessertes Handling der sehr fragilen nanoporösen Dämmstoffplatten aufgrund der erreichten Flexibilität solcher Verbundsysteme erreicht werden. Je nach verwendeten Füllstoffen und Füllgraden konnten so Wärmeleitfähigkeiten zwischen 0,020 und 30,00 W/mK erzielt werden und flexible Platten mit einer Dichte von 60–150 kg/m3, vorzugsweise von 80–100 kg/m3 hergestellt werden. Aufgrund des geringen Anteils an nanoporösen Füllstoffen zwischen 20 und 80 Gew.%, vorzugsweise zwischen 30 und 60 Gew.% konnten erstmals Faserdämmmatten mit integrierten nanoporösen Füllungen wirtschaftlich sinnvoll dargestellt werden.
- Erfindungsgemäß erfolgt die Kombination der künstlichen Mineralfasern mit den nanoporösen Füllstoffen im statum nascendi, d. h. direkt nach der Herstellung der Faser aus der Schmelze. Die pulverförmigen nanoporösen Füllstoffe werden mittels eines feinen Sprühnebels auf die heißen Fasern aufgesprüht. Aufgrund der unterschiedlichen elektrostatischen Aufladung beider Systeme kommt es zu einer Anhaftung der Pulver und zu einer punktförmigen Agglomeratbildung auf den Fasern. Die elektrostatische Aufladung der Komponenten kann auch unter Benutzung von Sprühkatoden erfolgen. Im Bedarfsfall können auch vor oder nach dem Aufsprühen der nanoporösen Füllstoffe organische Bindemittel wie Phenolharze oder thermoplastische Bindemittel wie vinylacetatbasierte Systeme aufgesprüht werden um eine bessere Bindung zwischen den Fasergelegen zu erzielen. Die so erhaltenen Verbundsysteme werden anschließend zu der gewünschten Enddichte und Endstärke verpresst.
- Um ein besseres Handling zu erreichen können die gepressten Verbundplatten oder -matten generell umhüllt werden, vorzugsweise in Schrumpffolien auf PE- oder PET-Basis oder Vliese. Zweckmäßiger Weise werden diese Folien oder Vliese in Flammenresistenter Ausführung eingesetzt.
- Je nach Anwendung dieser Dämmmatten können diese auch hydrophob ausgestattet werden. Die Hydrophobie kann „in situ” oder auch nach der Herstellung der Dämmmatten durchgeführt werden, vorzugsweise werden Organosilane zur Hydrophobierung eingesetzt.
- Um eine entsprechende elektrostatische bzw. chemische Bindung der nanoporösen Füllstoffe zu erzielen, werden die Fasern bzw. die Füllstoffe entsprechend vorbehandelt. Die nanoporösen Füllstoffe werden nach der Herstellung mit gasförmigem Ammoniak behandelt. Hierdurch entstehen Ammonium-Verbindungen mit den Hydroxygruppen (dies sind bei pyrogenen Kieselsäuren im wesentlichen Silanolgruppen) auf der Oberfläche der Füllstoffe. Den Fasern werden als Bindemittel auf der Oberfläche organische Harze aufgesprüht, dies sind im wesentlichen Phenolharze bzw. bevorzugt Epoxyharze. Die Phenolharze besitzen negativ geladene Hydroxygruppen auf der Oberfläche. Bei den bevorzugt eingesetzten Epoxyharzen sind die nicht abreagierten epoxyfunktionellen Gruppen für die negative Oberfläche auf den Fasern verantwortlich. Diese Epoxy-Gruppen sind im schwach sauren Medium nicht stabil und können leicht unter Bildung von negativ geladenen Sauerstoff-Ionen reagieren. Die Silanol-Gruppen, bzw. Sauerstoff-Ionen aus den Epoxygruppen können nun mit den positiv geladenen Ammonium-Ionen auf den nanoporösen Oberflächen reagieren und somit eine Bindung eingehen. Die nanoporösen Füllstoffe werden somit als Agglomerate mit einem Durchmesser von 60–90 μm an der Oberfläche der Fasern gebunden und führen nach dem Verpressen zur gewünschten Enddichte zu einer gleichmäßigen Auffüllung der Hohlräume zwischen den Fasergelegen.
- Die Herstellung der mikroporösen Dämmstoffmischung kann generell in diversen Mischaggregaten stattfinden. Bevorzugt kommen jedoch Planetenmischer zur Anwendung.
- Zuerst werden die nanoporösen Systeme mit den Trübungsmitteln/anorganischen Füllstoffen gemischt.
- Als letztes in der Mischabfolge geschieht die Behandlung mit positiv geladenen Verbindungen, vorzugsweise mit Ammoniak.
- Nach Beendigung des Mischprozesses kann das Schüttgewicht der Mischung, je nach Art und Menge der Komponenten zwischen 40–180 g/l, vorzugsweise 50–90 g/l, betragen. Die Rieselfähigkeit der resultierenden mikroporösen Mischung ist sehr gut, so dass sie problemlos und homogen in die Hohlräume der mit den organischen Bindemitteln vorbehandelten Fasergelege verbracht und verpresst werden kann.
- Durch das anschließende Verpressen des Gesamtsystems aus Fasern und Füllstoffen werden Dichten zwischen 60 und 200 g/l, vorzugsweise 80–120 g/l erreicht. Nach der Beendigung des Verdichtungs- und Pressvorganges, dem Entspannen, findet durch einen „spring back-effect” eine zusätzliche Verzahnung und Verkrallung der nanoporösen Kernmischung in den Hohlräumen statt.
- Das erfindungsgemäße Kernmaterial für die Hohlräume der Faserstrukturen besteht aus nanoporösen Füllstoffen, die als Basismaterial bevorzugt pyrogenen Kieselsäuren enthalten, weiter können mit eingesetzt werden Siliciumdioxid-Aerogele, gefällte Kieselsäuren, sowie Lichtbogenkieselsäuren. Zur Erhöhung des wärmedämmenden Effektes können auch sog. Trübungsmittel und/oder andere Füllstoffe mit eingesetzt werden.
- Pyrogene Kieselsäuren werden durch Flammenhydrolyse von flüchtigen Siliciumverbindungen wie z. B. organischen und anorganischen Chlorsilanen hergestellt. Diese pyrogenen Kieselsäuren weisen sich durch eine hohe poröse Struktur aus. Siliciumdioxid-Aerogelen werden durch spezielle Trocknungsverfahren von wässrigen Siliciumdioxidgelen hergestellt und weisen eine sehr hohe Porenstruktur auf und sind daher hoch wirksame Dämmstoffe. Ebenso können Kieselsäuren, die durch nasschemische Fällung von Alkali- und Erdalkalisilikaten mit Säuren wie Schwefel- und Salzsäure und anschließender Reinigung und Trocknung eingesetzt werden.
- Wie oben erwähnt, können weitere Komponenten dieser Mischung zugesetzt werden, die Wärmestrahlen im Infrarotbereich adsorbieren, streuen und reflektieren können. Sie werden allgemein als Trübungsmittel bezeichnet. Vorzugsweise weisen diese Trübungsmittel im Infrarot-Spektralbereich ein Maximum zwischen 1,5 und 10 μm auf. Die Partikelgröße dieser Teilchen liegt vorzugsweise zwischen 0,5–15 μm. Beispiele für derartige Substanzen sind Titanoxide, Zirkonoxide, Ilmenit, Eisentitanat, Eisenoxid, Zirkonsilikat, Siliciumcarbid, Manganoxid und Ruß.
- Aus technischen und wirtschaftlichen Gründen können der Mischung anorganische Füllmaterialien zugesetzt werden. Zum Einsatz kommen verschiedene, synthetisch hergestellte Modifikationen von Siliciumdioxid wie z. B. gefällte Kieselsäuren, Lichtbogenkieselsäuren, SiO2-haltige Flugstäube, die durch Oxidationen von flüchtigem Siliciummonoxid, die bei der elektrochemischen Herstellung von Silicium oder Ferrosilicium entstehen. Ebenso Kieselsäuren, die durch Auslaugen von Silkaten wie Calziumsilicat, Magnesiumsilicat und Mischsilicaten wie z. B. Olivin (Magnesium-Eisensilicat) mit Säuren hergestellt werden. Ferner kommen zum Einsatz natürlich vorkommende SiO2-haltige Verbindungen wie Diatomenerden und Kieselguren. Ebenfalls können zur Anwendung kommen: thermisch aufgeblähte Mineralien wie Perlite und Vermiculite. Je nach Bedarf können feinteilige Metalloxide wie Aluminiumoxid, Titandioxid, Eisenoxid zugesetzt werden.
- Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2007 020 716 A1 zum Beispiel ist es bekannt, pyrogene Kieselsäuren mit Organosilanen umzusetzen und damit hydrophob, d. h. Wasser abweisend zu machen. - Die Hydrophobierung der nanoporösen Füllstoffe erfolgt durch Verwendung von Organosilanen vorzugsweise während des Mischvorganges und der Reaktion derselben, unmittelbar während des Verdichtungs- und Pressvorganges. Ebenfalls möglich ist eine Hydrophobierung nach dem Verpressen der Komponenten. Die Bindung der Füllstoffe im hydrophoben Zustand wird durch Verwendung von negativ (im wesentlichen Epoxyharzen) geladenen Oberflächen der Fasern und positiv geladenen Oberflächen der Füllstoffe (im wesentlichen Ammonium Gruppenunmittelbar während des Pressvorganges erreicht.
- BEISPIEL
- Im Folgenden ist ein Beispiel des erfindungsgemäßen separaten Füllmaterials für Mineralfasern wiedergegeben.
- Die Mischungen wurden in einem Zyklonmischer bei 3000 UpM durchgeführt.
- Zur Messung der Wärmeleitzahl (λ-Wert), wurde der Formkörper bestehend aus Faser und oberflächlich gebundener nanoporöser Kieselsäure auf einer hydraulischen Presse bei einem Druck von ca. 50 kg/cm2 ein Formkörper mit den Dimensionen 250 × 250 × 25 mm gepresst. Rezeptur:
Pyrogene Kieselsäure (BET-Oberfläche 200 m2/g) 850 g Rutil (Korngröße ca. 10 μm) 150 g NH3 50 l Gewicht der Pulvermischung: 1000 g - 150g Rutil und 850 g Kieselsäure wurden zunächst 3 min lang gemischt. Anschließend wurde diese Mischung 2 min lang mit 50 l NH3 gespült.
- Die fertige Mischung wurde dann in den Vorlagebehälter eines Druckluftsprühgerätes gegeben.
- Bei der Herstellung der Mineralfasern wurden die aus der Glasherstellung bekannten Grundstoffe Quarzsand, Soda und Kalkstein eingesetzt. Den Rohstoffen wurden ca. 70% Altglas zugesetzt. Die Schmelze wurde zu Fasern geschleudert. Direkt nach der Entstehung der Faser wurde diese mit ca. 5% eines Epoxidharzes versetzt. Anschließend wurde dieses System aus Faser und Binder direkt mit der oben beschriebenen Pulvermischung mittels Druckluft besprüht. Dadurch entstanden Agglomerate aus Pulvermischung und Epoxidharz-Binder mit Dicken von ca. 0,5–2,0 mm. Das Gesamtsystem aus Faser/Harz und Pulver wurde dann entnommen und zu einem Formkörper verpresst. Nach dem Verpressen des Formkörpers (250·250·25 mm) wurde dieser zwecks verbesserten Handlings in eine PE-Schrumpffolie eingeschweißt. Ergebnisse:
Material Maße (mm) Gewicht (g) Rohdichte (kg/m3) Wärmeleitfähigkeit (W/mK) Faser + Füllstoff 250·250·25 156 100 0,026 Faser 250·250·25 75 48 0,038 - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102007020716 A1 [0019]
Claims (10)
- Flexible Wärmedämmstofffasermatten mit integriertem nanoporösen Wärmedämmstoff, dadurch gekennzeichnet, dass der nanoporöse Wärmedämmstoff nachhaltig in den Makrohohlräumen der Fasergelege elektrostatisch oder durch Bindemittel fixiert wird.
- Flexible Wärmedämmstofffasermatten mit integriertem nanoporösen Wärmedämmstoff, nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, dass der nanoporöse Wärmedämmstoff auf die Faser, vorzugsweise im statum nascendi aufgesprüht wird.
- Flexible Wärmedämmstofffasermatten mit integriertem nanoporösen Wärmedämmstoff, nach Anspruch 1. bis 2 dadurch gekennzeichnet, dass die elektrostatische Aufladung mit Hilfe Ammoniak und Sprühkathoden, vorzugsweise Ammoniak, herbeigeführt wird.
- Flexible Wärmedämmstofffasermatten mit integriertem nanoporösen Wärmedämmstoff, nach Anspruch 1. bis 3. dadurch gekennzeichnet, dass der nanoporöse Wärmedämmstoff pyrogenen Kieselsäuren, Siliciumdioxid-Aerogele, gefällte Kieselsäuren, sowie Lichtbogenkieselsäuren enthält, vorzugsweise aber pyrogene Kieselsäuren.
- Flexible Wärmedämmstofffasermatten mit integriertem nanoporösen Wärmedämmstoff, nach Anspruch 1. bis 4. dadurch gekennzeichnet, dass diesem nanoporösem Füllstoff Trübungsmittel hinzugefügt werden können.
- Flexible Wärmedämmstofffasermatten mit integriertem nanoporösen Wärmedämmstoff, nach Anspruch 1. bis 5. dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Fasern, den Gesamtanteil an nanoporösen Füllstoffen deutlich übertrifft.
- Flexible Wärmedämmstofffasermatten mit integriertem nanoporösen Wärmedämmstoff, nach Anspruch 1. bis 6. dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverbundmatte eingehüllt wird, vorzugsweisen in perforierte Schrumpffolie oder Vlies.
- Flexible Wärmedämmstofffasermatten mit integriertem nanoporösen Wärmedämmstoff, nach Anspruch 1. bis 7. dadurch gekennzeichnet, dass die eingesetzten Bindemittel Harze wie Phenolharze vorzugsweise Epoxyharze sind oder thermoplastische Bindemittel wie vinylacetatbasierte Systeme sind.
- Flexible Wärmedämmstofffasermatten mit integriertem nanoporösen Wärmedämmstoff, nach Anspruch 1. bis 8. dadurch gekennzeichnet, dass der nanoporöse Wärmedämmfüllstoff hydrophob sein kann.
- Flexible Wärmedämmstofffasermatten mit integriertem nanoporösen Wärmedämmstoff, nach Anspruch 9. dadurch gekennzeichnet, dass als Hydrophobiermittel Siliciumorganische Verbindungen eingesetzt werden.
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- 2009-09-22 DE DE200910042526 patent/DE102009042526A1/de not_active Withdrawn
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