DE19634109C2 - Aerogel- und kunststoffhaltiges, transparentes Verbundmaterial, Verfahren zu seiner Herstellung sowie seine Verwendung - Google Patents

Description

Aerogel- und kunststoffhaltiges, transparentes Verbundmaterial, Verfahren zu seiner Herstellung sowie seine Verwendung

Die Erfindung betrifft neuartige Verbundmaterialien beliebiger Formgebung mit hohem Wärmedämmvermögen, die 5 bis 97 Vol.-% transparente oder transluzente Aerogel-Partikel und mindestens einen transparenten oder transluzenten Kunststoff enthalten.

Konventionelle Dämmstoffe auf Basis von Polystyrol, Polyolefinen und Polyurethanen werden unter Verwendung von Treibmitteln, wie z. B. FCKW's oder CO₂, hergestellt. Das in den Zellen des Schaumstoffs eingeschlossene Treibmittel ist für das hohe Wärmedämmvermögen verantwortlich. Derartige Treibmittel belasten jedoch die Umwelt, da sie langsam in die Atmosphäre entweichen. Darüber hinaus sind solche geschäumten Dämmstoffe opak.

Aerogele, insbesondere solche mit Porositäten über 60% und Dichten unter 0,6 g/cm³, sind je nach Herstellungsverfahren transparent, transluzent oder opak und weisen eine äußerst geringe thermische Leitfähigkeit auf. Sie finden deshalb Anwendung als Wärmeisolationsmaterial, wie z. B. in der EP-A-0 171 722 beschrieben.

Aerogele im weiteren Sinn, d. h. im Sinne von "Gel mit Luft als Dispersionsmittel", werden durch Trocknung eines geeigneten Gels hergestellt. Unter den Begriff "Aerogel" in diesem Sinne fallen Aerogele im engeren Sinn, Xerogele und Kryogele. Dabei wird ein getrocknetes Gel als Aerogel im engeren Sinn bezeichnet, wenn die Flüssigkeit des Gels bei Temperaturen oberhalb der kritischen Temperatur und ausgehend von Drücken oberhalb des kritischen Druckes weitestgehend entfernt wird. Wird die Flüssigkeit des Gels dagegen unterkritisch, beispielsweise unter Bildung einer Flüssig-Dampf-Grenzphase entfernt, dann bezeichnet man das entstandene Gel als Xerogel.

Bei der Verwendung des Begriffs Aerogele in der vorliegenden Anmeldung handelt es sich um Aerogele im weiteren Sinn, d. h. im Sinn von "Gel mit Luft als Dispersionsmittel".

Darüber hinaus lassen sich Aerogele grundsätzlich auch in anorganische und organische Aerogele unterteilen, wobei anorganische Aerogele schon seit 1931 bekannt sind (S. S. Kistler, Nature 1931, 127, 741), wohingegen organische Aerogele aus den unterschiedlichsten Ausgangsmaterialien, z. B. aus Melaminformaldehyd, erst seit einigen Jahren bekannt sind (R.W. Pekala, J. Mater. Sci. 1989, 24, 3221).

Die verschiedenen Verfahren zur Herstellung von Aerogelen durch über- bzw. unterkritische Trocknung werden z. B. in der EP-A-0 396 076, der WO 92/03378, der WO 94/25149, der WO 92/20623 und der EP-A-0 658 513 offenbart.

Die durch überkritische Trocknung erhaltenen Aerogele sind im allgemeinen hydrophil oder nur kurzzeitig hydrophob, wohingegen unterkritisch getrocknete Aerogele bedingt durch ihr Herstellungsverfahren (Silylierung vor der Trocknung) dauerhaft hydrophob sind.

Bekannt sind auch opake, aerogelhaltige Verbundmaterialien, die aufgrund ihrer geringen Wärmeleitung als Wärmedämmaterialien eingesetzt werden. Derartige Verbundmaterialien werden beispielsweise in der EP-A-0 340 707, der EP-A-0 667 370, der WO 96/12683, der WO 96/15997 und der WO 96/15998 offenbart.

Die Gemeinsamkeit von diesen Verbundmaterialien ist, daß sie zum Teil zwar transparente Aerogel-Granulate enthalten, die zusätzlichen Komponenten jedoch selber opak sind. Dadurch sind die Systeme insgesamt opak und lassen sich nicht für transparente oder transluzente Anwendungen einsetzen.

Ein transparenter Aerogel- und Xerogelverbundstoff wird in der DE-A-44 30 642 und der DE-A-44 30 669 offenbart.

Dieser Verbundstoff liegt in Form einer Matte vor, die ein Aerogel oder Xerogel und darin verteilte Fasern enthält, wobei die Aerogel- bzw. Xerogelbruchstücke durch die Fasern zusammengehalten werden.

Obgleich mit solchen Materialien gute Ergebnisse erzielt wurden, bleiben Nachteile preislicher Art sowie die Notwendigkeit die Systeme in einem Schritt herzustellen.

Ein transparentes Bauelement mit mindestens zwei parallel angeordneten Scheiben aus transparentem Material, in deren Zwischenraum sich faserverstärkte Aerogelplatten bzw. -matten befinden, wird z. B. in der deutschen Patentanmeldung 195 07 732.6 offenbart. Durch diese Maßnahme wird die Stabilität des Systems wesentlich erhöht, der komplizierte Aufbau und der hohe Preis bleiben jedoch bestehen.

Eine Alternative zu den aerogelhaltigen Verbundstoffen wird in der CA-C-1 288 313, der EP-A-018 955 und der DE-A 41 06 192 beschrieben. Gemäß diesen Schriften werden Aerogelmonolithe zwischen Glasscheiben gebracht, um die Isolationswirkung durch die geringe Wärmeleitfähigkeit des Aerogels zu verbessern und/oder die Schallschwächung solcher Scheiben zu verbessern. Dabei sollen die Aerogelmonolithe z. T. fest mit den Glasplatten verbunden werden.

Auf diese Weise lassen sich zwar annähernd glasklare, transparente Scheiben erzielen, doch ist wegen der geringen mechanischen Stabilität der Aerogele zum einen der Aufwand zur Herstellung entsprechend großer Monolithe zu hoch, zum anderen die Handhabung bei der Herstellung der Scheiben zu kompliziert, um solche Glasscheiben in größerem Umfang einsetzen zu können.

Es ist auch bekannt, den Zwischenraum mit einfacher herzustellendem und auch einfacher handzuhabendem Aerogel-Granulat zu füllen. Die Scheiben sind dann jedoch nicht mehr ganz glasklar, sondern eher transluzent, vergleichbar mit Milchglasscheiben oder strukturierten Glasscheiben. Dies stellt keine wesentliche Einschränkung dar, da es eine Reihe von Anwendungen beispielsweise als Oberlichter gibt, bei denen Schlagschatten durch direkten Lichteinfall vermieden werden sollen, wie z. B. Fenster in Werks-, Lager-, Messe- oder Museumshallen. Aber auch derartige Fenster weisen einige Nachteile auf. So kann das Granulat sich im Laufe der Zeit verdichten, was zu einer Änderung des Füllstandes m Fenster führt, die unerwünscht ist. Die Verdichtung kann z. B. als Folge dauernder kleiner Erschütterungen oder durch Zerstörung von Aerogelkügelchen, insbesondere bei Evakuierung erfolgen. Im Granulat werden nämlich Kräfte zwischen Granulatkügelchen untereinander und/oder zwischen Glasscheibe und Granulatkügelchen nur über sehr kleine Berührungsflächen übertragen. Dadurch treten relativ hohe Druck- und/oder Scherspannungen auf, die zur Zerstörung von Aerogelkörnern führen können.

Daher wurde in der DE-A-35 33 805 vorgeschlagen, das Aerogel-Granulat zwischen zwei Folien zwischen die Glasscheiben zu bringen und den Raum zwischen den Folien zu evakuieren. Durch die Flexibilität der Folie kann die Oberfläche zwischen Folie und Oberfläche der Kügelchen vergrößert werden, was zu einer Verbesserung der Langzeitstabilität führt. Nachteilig ist jedoch, daß der Aufbau der Scheiben sehr kompliziert ist. Darüber hinaus reduzieren die zusätzlichen Folienschichten die Transparenz.

Ferner sind mit Aerogel gefüllte Vakuum Panel Systeme bekannt, wie z. B. in der EP-A-0 468 124, der EP-A- 0 114 687 und der DE-A-33 47 619 offenbart.

Der Nachteil der Vakuum Panel Systeme ist jedoch, daß sie nicht mehr nachträglich am Ort der Verwendung in Form oder Größe verändert werden können.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, ein transparentes, wärmedämmendes Verbundmaterial zu entwickeln, das einfach sowie in beliebiger Form und Größe hergestellt werden kann und am Ort der Verwendung noch in seiner Größe veränderbar ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein kunststoffhaltiges, transparentes Verbundmaterial, das 5 bis 97 Vol.-% transparente oder transluzente Aerogel- Partikel und mindestens einen transparenten oder transluzenten Kunststoff enthält.

Der Kunststoff bildet eine Matrix, die die Aerogel-Partikel verbindet bzw. umschließt und sich als durchgehende Phase durch das gesamte Verbundmaterial zieht.

Bei einem Gehalt an Aerogel-Partikel, der signifikant unter 5 Vol.-% in der Zusammensetzung liegt, würde aufgrund des niedrigen Anteils der Aerogel-Partikel in der Zusammensetzung deren positive Eigenschaften in hohem Maße verloren gehen. Eine solche Zusammensetzung würde nicht mehr niedrige Dichten und Wärmeleitfähigkeiten aufweisen.

Ein Gehalt an Aerogel-Partikel, der signifikant über 97 Vol.-% liegt, würde zu einem Gehalt an Kunststoff von unter 3 Vol.-% führen. In diesem Fall wäre dessen Anteil zu niedrig, um eine ausreichende Verbindung der Aerogel-Partikel untereinander sowie mechanische Druck- und Biegefestigkeit zu gewährleisten.

Vorzugsweise liegt der Anteil der Aerogel-Partikel im Bereich von 10 bis 97 Vol.-% und besonders bevorzugt im Bereich von 40 bis 95 Vol.-%.

Ein besonders hoher Anteil an Aerogel-Partikeln in dem Verbundmaterial läßt sich durch Verwendung einer bimodalen Verteilung der Korngrößen erreichen.

Eine weitere Möglichkeit, einen besonders hohen Anteil von Aerogelpartikeln im Verbundmaterial zu erreichen, ist die Verwendung von Aerogelpartikeln, die eine logarithmische Verteilung der Korngröße aufweisen.

Um einen möglichst hohen Füllgrad zu erreichen, ist es ebenfalls günstig, wenn die Aerogel-Partikel klein sind im Verhältnis zur Gesamtdicke des Formteiles.

Damit die Transparenz des Verbundmaterials möglichst hoch ist, sollten jedoch die Aerogel-Partikel groß genug sein. Dadurch läßt sich die Anzahl an Streuzentren durch Grenzflächen der Aerogelpartikel möglichst gering halten.

Vorzugsweise liegt deshalb die Größe der Aerogel-Partikel im Bereich von 250 µm bis 10 mm.

Darüber hinaus ist es wichtig, daß das Aerogel-Granulat selbst eine möglichst hohe Transparenz aufweist. Dies wird zum einen durch eine möglichst homogene Struktur des Aerogels, d. h. vor allem eine möglichst enge Poren- und Partikelradienverteilung, und zum anderen durch eine möglichst glatte Oberfläche der Aerogel-Partikel (keine Risse, Vertiefungen, Mikrorisse bzw. Dellen) erreicht.

Im allgemeinen verwendete Aerogele für die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen sind solche auf Basis von Metalloxiden, die für die Sol-Gel- Technik geeignet sind (C. J. Brinker, G. W. Scherer, Sol-Gel-Science, 1990, Kap. 2 und 3), wie beispielsweise Si- oder Al-Verbindungen, oder solche auf der Basis organischer Stoffe, die für die Sol-Gel-Technik geeignet sind, wie Melaminformaldehydkondensate (US-A-5 086 085) oder Resorcinformaldehydkondensate (US-A-4 873 218). Die Zusammensetzungen können auch auf Mischungen der obengenannten Materialien basieren. Bevorzugt verwendet werden Aerogele, enthaltend Si-Verbindungen und insbesondere SiO₂- Aerogele.

Zur Reduktion des Strahlungsbeitrags der Wärmeleitfähigkeit kann das Aerogel IR- Trübungsmittel, wie z. B. Titandioxid, Eisenoxide oder Zirkondioxid sowie Mischungen derselben, enthalten. Dabei ist darauf zu achten, daß diese IR- Trübungsmittel die Transparenz im sichtbaren Bereich der Aerogel-Partikel nicht negativ beeinflussen.

In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Aerogel-Partikel dauerhaft hydrophobe Oberflächengruppen auf. Geeignete Gruppen zur dauerhaften Hydrophobisierung sind beispielsweise Silylgruppen der allgemeinen Formel -Si(R)_n, wobei n = 1, 2 oder 3 ist, vorzugsweise trisubstituierte Silylgruppen, wobei die Reste R im allgemeinen unabhängig voneinander gleich oder verschieden je ein Wasserstoffatom oder ein nicht reaktiver, organischer linearer, verzweigter, cyclischer, aromatischer oder heteroaromatischer Rest, vorzugsweise C₁-C₁₈-Alkyl oder C₆-C₁₄-Aryl, besonders bevorzugt C₁-C₆-Alkyl, Cyclohexyl oder Phenyl, insbesondere Methyl oder Ethyl, sind. Besonders vorteilhaft zur dauerhaften Hydrophobisierung des Aerogels ist die Verwendung von Trimethylsilylgruppen. Die Einbringung dieser Gruppen kann, wie in der WO 94/25149 beschrieben, erfolgen, oder durch Gasphasenreaktion zwischen dem Aerogel und beispielsweise einem aktivierten Trialkylsilanderivat, wie z. B. einem Chlortrialkylsilan oder einem Hexaalkyldisilazan (vergleiche R. Iler, The Chemistry of Silica, Wiley & Sons, 1979), geschehen. Verglichen mit OH-Gruppen vermindern die so hergestellten hydrophoben Oberflächengruppen weiterhin den dielektrischen Verlustfaktor und die Dielektrizitätskonstante. Aerogel-Partikel mit hydrophilen Oberflächengruppen können je nach Luftfeuchtigkeit Wasser adsorbieren, was dazu führt, daß die Dielektrizitätskonstante und der dielektrische Verlustfaktor mit der Luftfeuchtigkeit variieren können. Dies ist für elektronische Anwendungen oft nicht erwünscht. Die Verwendung von Aerogel-Partikeln mit hydrophoben Oberflächengruppen verhindert diese Variation, da kein Wasser adsorbiert wird. Die Auswahl der Reste richtet sich außerdem nach der typischen Anwendungstemperatur.

Werden Aerogel-Partikel mit hydrophoben Oberflächengruppen in Verbindung mit hydrophoben Kunststoffen verwendet, erhält man ein hydrophobes Verbundmaterial.

Darüber hinaus gilt, daß die thermische Leitfähigkeit der Aerogele mit zunehmender Porosität und abnehmender Dichte abnimmt. Bevorzugt sind deshalb Aerogele mit Porositäten über 60% und Dichten unter 0,6 g/cm³. Besonders bevorzugt sind Aerogele mit Dichten unter 0,2 g/cm³.

Grundsätzlich sind alle bekannten Kunststoffe zur Herstellung der erfindungsgemäßen Verbundmaterialien geeignet, wenn diese nach der Herstellung im sichtbaren Lichtwellenlängenbereich transparent oder transluzent vorliegen. Dabei ist nicht entscheidend, ob der Kunststoff amorph, semikristallin und/oder kristallin vorliegt.

Der Kunststoff wird entweder in flüssiger Form, d. h. als Flüssigkeit, Schmelze, Lösung, Dispersion oder Suspension, verwendet oder aber als festes Pulver eingesetzt.

Geeignete transparente oder transluzente Kunststoffe sind z. B. Polymethylmethacrylate (PMMA, z. B. Degalan^®), Cycloolefin Copolymere (COC, z. B. Topas^®), Polyvinylbutyrale (z. B. Mowital^®), Polycarbonate und Polyethylenterephthalate (PET, z. B. Hostaglas^®), wobei Polyvinylbutyrale und Polymethylmethacrylate bevorzugt sind.

Der Kunststoff wird im allgemeinen in einer Menge von 3 bis 95 Vol.-% des Verbundmaterials verwendet, vorzugsweise in einer Menge von 3 bis 90 Vol.-% und besonders bevorzugt in einer Menge von 5 bis 60 Vol.-%. Die Auswahl des Kunststoffes erfolgt je nach den gewünschten mechanischen und thermischen Eigenschaften des Verbundmaterials. Es können auch Mischungen aus unterschiedlichen Kunststoffen verwendet werden.

Bei der Auswahl der Kunststoffe wählt man darüber hinaus vorzugsweise solche Produkte, die im wesentlichen nicht in das Innere der porösen Aerogel-Partikel eindringen. Das Eindringen des Kunststoffes in das Innere der Aerogel-Partikel kann außer über die Auswahl des Kunststoffmaterials auch über verschiedene Parameter, wie Druck, Temperatur oder Verarbeitungszeit, beeinflußt werden.

Darüber hinaus wählt man vorzugsweise solche Kunststoffe aus, die eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen.

Zur Vermeidung starker Lichtstreuung und damit verbundener reduzierter Transmission sollten darüber hinaus die Zwickel zwischen den Aerogelteilchen mit transparentem Kunststoff vorzugsweise möglichst vollständig gefüllt sein.

Zur Reduktion des Strahlungsbeitrags der Wärmeleitfähigkeit kann das Verbundmaterial, solange die Transparenz dadurch nicht wesentlich beeinträchtigt wird, IR-Trübungsmittel, wie z. B. Titandioxid, Eisenoxide oder Zirkondioxid sowie Mischungen derselben enthalten, was besonders für Anwendungen bei höheren Temperaturen und/oder in evakuierten Systemen vorteilhaft ist.

Darüber hinaus kann das Verbundmaterial auch Füllstoffe z. B. zur Färbung oder Erzielung besonderer dekorativer Effekte enthalten.

Des weiteren kann das Verbundmaterial auch noch bis zu 85 Vol.-% an transparenten Füllstoffen, wie z. B. Folienschnipsel und/oder Fasern, beispielsweise zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, enthalten. Vorzugsweise liegt der Anteil der Füllstoffe, bezogen auf das Verbundmaterial, unter 70% und besonders bevorzugt im Bereich von 0 bis 50 Vol.-%.

Sollte das Verbundmaterial aufgrund des verwendeten Kunststoffes und/oder aufgrund von hydrophilen Aerogel-Partikeln hydrophil sein, kann gegebenenfalls eine nachträgliche Behandlung erfolgen, die dem Verbundmaterial hydrophobe Eigenschaften verleiht. Dazu eignen sich alle dem Fachmann für diesen Zweck bekannten Stoffe, die dem Verbundmaterial eine hydrophobe Oberfläche verleihen, wie z. B. Lacke, Folien, Silylierungsmittel, Silikonharze, anorganische und/oder organische Bindemittel.

Weiterhin können auch beim Verkleben sogenannte "coupling agents" eingesetzt werden. Sie bewirken einen besseren Kontakt der Kunststoffe mit der Oberfläche der Aerogel-Partikel und können darüber hinaus eine feste Bindung sowohl mit den Aerogel-Partikeln als auch mit dem Kunststoff eingehen.

Die erfindungsgemäß aus Aerogel-Granulat hergestellten Formkörper weisen vorzugsweise eine Dichte von weniger als 0,6 g/cm³ und vorzugsweise eine Wärmeleitfähigkeit von weniger als 100 mW/mK auf. Besonders bevorzugt liegt die Wärmeleitfähigkeit unter 50 mW/mK.

Die Brandklasse des nach der Trocknung erhaltenen Verbundmaterials wird durch die Brandklasse des Aerogels und des Kunststoffes bestimmt. Um eine möglichst günstige Brandklasse des Verbundmaterials zu erhalten (schwer entflammbar oder unbrennbar), können die Verbundmaterialien noch mit geeigneten Materialien kaschiert werden, wie z. B. Fensterscheiben oder Silikonharzklebstoffen. Weiterhin ist die Verwendung von dem Fachmann bekannten Brandschutzmitteln möglich.

Darüber hinaus sind auch sämtliche dem Fachmann bekannten Beschichtungen möglich, die z. B. schmutzabweisend, IR-semitransparent und/oder hydrophob sind.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, ein Herstellungsverfahren für die oben beschriebenen Verbundmaterialien zu entwickeln.

Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Verbundmaterialien werden die Aerogel- Partikel mittels mindestens einem Kunststoff miteinander verbunden. Die Verbindung der einzelnen Partikel miteinander kann dabei quasi punktförmig erfolgen. Eine solche oberflächliche Beschichtung kann beispielsweise durch Besprühen der Aerogel-Partikel mit dem Kunststoff erreicht werden. Die beschichteten Partikel werden dann beispielsweise in eine Form eingefüllt und in der Form ausgehärtet.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials, enthaltend 5 bis 97 Vol.-% transparente oder transluzente Aerogelpartikel und mindestens einen transparenten oder transluzenten Kunststoff, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß man Aerogel und Kunststoff mischt, in die gewünschte Form bringt und aushärtet.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird zusätzlich auch das Zwickelvolumen zwischen den einzelnen Partikeln ganz oder teilweise vom Kunststoff ausgefüllt. Eine solche Zusammensetzung läßt sich beispielsweise herstellen, indem man die Aerogel-Partikel mit dem Kunststoff-Granulat mischt.

Das Mischen kann dabei in jeder nur denkbaren Weise durchgeführt werden. So ist es einerseits möglich, die mindestens zwei Komponenten gleichzeitig in die Mischvorrichtung einzubringen, andererseits kann aber auch eine der Komponenten vorgelegt und die andere(n) dann zugesetzt werden.

Auch die für das Mischen notwendige Mischvorrichtung ist in keinster Weise beschränkt. Es kann jede dem Fachmann für diesen Zweck bekannte Mischvorrichtung verwendet werden.

Der Mischvorgang wird solange durchgeführt, bis eine annähernd gleichmäßige Verteilung der Aerogel-Partikel in der Zusammensetzung vorliegt. Dabei kann der Mischvorgang sowohl über die Zeitdauer als auch beispielsweise über die Geschwindigkeit der Mischvorrichtung geregelt werden.

Danach erfolgt die Formgebung und das Aushärten des Gemisches in der Form, was je nach Art des Kunststoffes durch Erwärmen und/oder Verdampfen des verwendeten Lösungs- und/oder Dispersionsmittels oder aber, bei Verwendung von Schmelzen, durch Abkühlen unter die Schmelztemperatur des Kunststoffes erfolgt.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Gemisch verpreßt. Dabei ist es dem Fachmann möglich, für den jeweiligen Anwendungszweck die geeignete Presse und das geeignete Preßwerkzeug auszuwählen. Aufgrund des hohen Luftanteils der aerogelhaltigen Preßmassen ist der Einsatz von Vakuum-Pressen vorteilhaft. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die aerogelhaltigen Preßmassen zu Platten verpreßt. Um ein Anbacken der Preßmasse an das Prewerkzeug, beispielsweise Preßstempel, zu vermeiden, kann das zu verpressende, aerogelhaltige Gemisch mit Trennpapier bzw. Trennfolie gegen das Preßwerkzeug abgetrennt werden. Die mechanische Festigkeit der aerogelhaltigen Platten kann durch Auflaminieren von Siebgeweben, Folien oder Glasscheiben auf die Plattenoberfläche verbessert werden. Die Siebgewebe, Folien oder Glasscheiben können sowohl nachträglich als auch bei der Herstellung des Verbundmaterials auf die aerogelhaltigen Platten aufgebracht werden. Letzteres ist bevorzugt und kann vorzugsweise in einem Arbeitsschritt durch Einlegen der Siebgewebe, Folien oder Glasscheiben in die Preßform und Auflegen auf die zu verpressende aerogelhaltige Preßmasse und anschließendes Verpressen unter Druck und Temperatur zu einer aerogelhaltigen Verbundplatte erfolgen.

Das Verpressen findet in Abhängigkeit vom verwendeten Kunststoff im allgemeinen bei Pressdrücken von 1 bis 1000 bar und Temperaturen von 0 bis 300°C in beliebigen Formen statt.

Bei Verbundmaterialien, die einen besonders hohen Volumenanteil an Aerogel- Partikeln enthalten und deren Wärmeleitfähigkeit entsprechend schlecht ist, kann zusätzlich mit Hilfe geeigneter Strahlungsquellen Wärme in die Platten gebracht werden. Koppelt, wie im Falle von Polyvinylbutyralen, der verwendete Kunststoff mit Mikrowellen, so ist diese Strahlungsquelle bevorzugt.

Die erfindungsgemäßen Verbundmaterialien eignen sich nach ihrer Härtung aufgrund ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit beispielsweise als Wärmeisolationsmaterialien.

Aufgrund ihrer Transparenz bzw. Transluzenz eignen sie sich darüber hinaus z. B. als Fenster in Werks-, Lager-, Messe- oder Museumshallen. Einen weiteren Anwendungsbereich stellen Oberlichter und sogenannte Daylighting-Systeme dar. Aufgrund der einfachen Herstellung können auch leicht beliebig gewölbte Flächen oder andere kompliziertere Geometrien hergestellt werden. Sie eignen sich daher auch besonders zur Herstellung von Lichtkuppeln.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben, ohne dadurch eingeschränkt zu werden.

Die hydrophoben Aerogele wurden analog dem in der DE-A-43 42 548 offenbarten Verfahren hergestellt.

Die Wärmeleitfähigkeiten der Aerogel-Granulate wurden mit einer Heizdrahtmethode (siehe z. B. O. Nielsen, G. Rüschenpöhler, J. Groß, J. Fricke, High Temperatures-High Pressures, Vol. 21, 267-274 (1989) gemessen.

Die Wärmeleitfähigkeiten der Formkörper wurden nach DIN 52612 gemessen.

Die Transparenz der Formkörper wurde mit einer Apparatur, bestehend aus einem Spannungsmeßgerät (Keithley-Multimeter), einem Pyranometer (Firma Lambrecht, Typ CM3, Sensitivity +/- 0,5%, 16,30.10^-6 V/Wm²), einem innen mattweiß gestrichenen Aluminiumwürfel und einem Halogenstrahler (500 W), gemessen. Die Formkörper sind dabei unmittelbar vor der runden Öffnung (Ø 80 mm) des innen mattweiß gestrichenen Aluminiumwürfels plaziert. Als Lichtquelle dient der in 400 mm aufgestellte Halogenstrahler. Das in dem Aluminiumwürfel hinter einer Blende plazierte Pyranometer wandelt das detektierte Licht in eine Spannung um. Durch Messung der anfallenden Spannung ohne (I₀) und mit der jeweiligen Dämmplatte (I_D) wurde die Transmission in Prozent von I₀ bestimmt.

Beispiel 1a Formkörper aus 50 Vol.-% Aerogel und 50 Vol.-% Polyvinylbutyral

Es werden 50 Vol.-% hydrophobes Aerogel-Granulat (Festkörperdichte 130 kg/m³) und 50 Vol.-% eines Polyvinylbutyralpulvers (Festkörperdichte 1100 kg/m³) innig vermischt. Das prozentuale Volumen bezieht sich dabei auf das Zielvolumen des Formkörpers. Das hydrophobe Aerogel-Granulat hat eine Korngröße größer 650 µm, eine BET-Oberfläche von 640 m²/g und eine Wärmeleitfähigkeit von 11 mW/mK. Als Polyvinylbutyralpulver wird ^®Mowital (Polymer F) (Hoechst AG, Frankfurt, Deutschland) mit einer Körnung um 50 µm verwendet.

Der Boden der Preßform mit einer Grundfläche von 30 cm × 30 cm wird mit Trennpapier ausgelegt. Darauf wird die aerogelhaltige Preßmasse gleichmäßig verteilt und das ganze mit einem Trennpapier abgedeckt. Es wird bei 220°C für 30 Minuten auf eine Dicke von 18 mm gepreßt.

Der erhaltene Formkörper hat eine Dichte von 481 kg/m³ und eine Wärmeleitfähigkeit von 57 mW/mK. Die Transmission beträgt 28%.

Beispiel 1b Formkörper aus 50 Vol.-% Aerogel und 50 Vol.-% Polyvinylbutyral

Es werden 50 Vol.-% hydrophobes Aerogel-Granulat (Festkörperdichte 130 kg/m³) und 50 Vol.-% eines Polyvinylbutyralpulvers (Festkörperdichte 1100 kg/m³) innig vermischt. Das prozentuale Volumen bezieht sich dabei auf das Zielvolumen des Formkörpers. Das hydrophobe Aerogel-Granulat hat eine Korngröße kleiner 650 µm, eine BET-Oberfläche von 640 m²/g und eine Wärmeleitfähigkeit von 11 mW/mK. Als Polyvinylbutyralpulver wird ^®Mowital (Polymer F) (Hoechst AG, Frankfurt, Deutschland) mit einer Körnung um 50 µm verwendet.

Der Boden der Preßform mit einer Grundfläche von 30 cm × 30 cm wird mit Trennpapier ausgelegt. Darauf wird die aerogelhaltige Preßmasse gleichmäßig ver­ teilt und das ganze mit einem Trennpapier abgedeckt. Es wird bei 220°C für 30 Minuten auf eine Dicke von 18 mm gepreßt.

Der erhaltene Formkörper hat eine Dichte von 510 kg/m³ und eine Wärme­ leitfähigkeit von 59 mW/mK. Die Transmission beträgt 20%.

Beispiel 2 Formkörper aus 65 Vol.-% Aerogel und 35 Vol.-% Polyvinylbutyral

Es werden 65 Vol.-% hydrophobes Aerogel-Granulat (Festkörperdichte 130 kg/m³) und 35 Vol.-% eines Polyvinylbutyralpulvers (Festkörperdichte 1100 kg/m³) innig vermischt. Das prozentuale Volumen bezieht sich dabei auf das Zielvolumen des Formkörpers. Das hydrophobe Aerogel-Granulat hat eine Korngröße größer 650 µm, eine BET-Oberfläche von 640 m²/g und eine Wärmeleitfähigkeit von 11 mW/mK. Als Polyvinylbutyralpulver wird ^®Mowital (Polymer F) (Hoechst AG, Frankfurt, Deutschland) mit einer Körnung um 50 µm verwendet.

Der Boden der Preßform mit einer Grundfläche von 30 cm × 30 cm wird mit Trennpapier ausgelegt. Darauf wird die aerogelhaltige Preßmasse gleichmäßig ver­ teilt und das ganze mit einem Trennpapier abgedeckt. Es wird bei 220°C für 30 Minuten auf eine Dicke von 18 mm gepreßt.

Der erhaltene Formkörper hat eine Dichte von 539 kg/m³ und eine Wärmeleitfähigkeit von 32 mW/mK. Die Transmission beträgt 31%.

Beispiel 3a Formkörper aus 50 Vol.-% Aerogel und 50 Vol.-% Polymethylmethacrylat (PMMA)

Es werden 50 Vol.-% hydrophobes Aerogel-Granulat (Festkörperdichte 130 kg/m³) und 50 Vol.-% eines Polymethylmethacrylats (Festkörperdichte 1200 kg/m³) innig vermischt. Das prozentuale Volumen bezieht sich dabei auf das Zielvolumen des Formkörpers. Das hydrophobe Aerogel-Granulat hat eine Korngröße größer 650 µm, eine BET-Oberfläche von 640 m²/g und eine Wärmeleitfähigkeit von 11 mW/mK. Als Polymethylmethacrylat wird ^®Degalan (PMMA) (DEGUSSA, Frankfurt, Deutschland) mit einer Körnung um 50 µm verwendet.

Der Boden der Preßform mit einer Grundfläche von 30 cm × 30 cm wird mit Trennpapier ausgelegt. Darauf wird die aerogelhaltige Preßmasse gleichmäßig ver­ teilt und das ganze mit einem Trennpapier abgedeckt. Es wird bei 220°C für 30 Minuten auf eine Dicke von 18 mm gepreßt.

Der erhaltene Formkörper hat eine Dichte von 615 kg/m³ und eine Wärmeleitfähigkeit von 59 mW1 m.K. Die Transmission beträgt 25%.

Beispiel 3b Formkörper aus 50 Vol.-% Aerogel und 50 Vol.-% Polymethylmethacrylat (PMMA)

Es werden 50 Vol.-% hydrophobes Aerogel-Granulat (Festkörperdichte 130 kg/m³) und 50 Vol.-% eines Polymethylmethacrylats (Festkörperdichte 1200 kg/m³) innig vermischt. Das prozentuale Volumen bezieht sich dabei auf das Zielvolumen des Formkörpers. Das hydrophobe Aerogel-Granulat hat eine Korngröße kleiner 500 µm, eine BET-Oberfläche von 640 m²/g und eine Wärmeleitfähigkeit von 11 mW/mK. Als Polymethylmethacrylat wird ^®Degalan (PMMA) (DEGUSSA, Frankfurt, Deutschland) mit einer Körnung um 50 µm verwendet.

Der Boden der Preßform mit einer Grundfläche von 30 cm × 30 cm wird mit Trennpapier ausgelegt. Darauf wird die aerogelhaltige Preßmasse gleichmäßig ver­ teilt und das ganze mit einem Trennpapier abgedeckt. Es wird bei 220°C für 30 Minuten auf eine Dicke von 18 mm gepreßt.

Der erhaltene Formkörper hat eine Dichte von 628 kg/m³ und eine Wärmeleitfähigkeit von 64 mW/mK. Die Transmission beträgt 17%.

Beispiel 4 Formkörper aus 50 Vol.-% Aerogel und 50 Vol.-% Cycloolefin Copolymer (COC)

Es werden 50 Vol.-% hydrophobes Aerogel-Granulat (Festkörperdichte 130 kg/m³) und 50 Vol.-% eines Cycloolefin Copolymers (Festkörperdichte 1200 kg/m³) innig vermischt. Das prozentuale Volumen bezieht sich dabei auf das Zielvolumen des Formkörpers. Das hydrophobe Aerogel-Granulat hat eine Korngröße größer 650 µm, eine BET-Oberfläche von 640 m²/g und eine Wärmeleitfähigkeit von 11 mW/mK. Als Cycloolefin Copolymer wird ^®Topas (COC) (Hoechst AG, Frankfurt, Deutschland) mit einer Körnung um 250 µm verwendet.

Der Boden der Preßform mit einer Grundfläche von 30 cm × 30 cm wird mit Trennpapier ausgelegt. Darauf wird die aerogelhaltige Preßmasse gleichmäßig ver­ teilt und das ganze mit einem Trennpapier abgedeckt. Es wird bei 220°C für 30 Minuten auf eine Dicke von 18 mm gepreßt.

Der erhaltene Formkörper hat eine Dichte von 585 kg/m³ und eine Wärmeleitfähigkeit von 62 mW/mK. Die Transmission beträgt 25,6%.

Claims (11)

1. Verbundmaterial zur Wärmedämmung, das 5 bis 97 Vol.-% transparente oder transluzente Aerogel- Partikel und mindestens einen transparenten oder transluzenten Kunststoff enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Aerogel-Partikel dauerhaft hydrophobe Oberflächengruppen aufweisen, daß die Aerogel-Partikel Porositäten über 60% und Dichten unter 0,6 g/cm³ aufweisen und die Größe der Aerogel-Partikel im Bereich von 250 µm bis 10 mm liegt.

2. Verbundmaterial gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Aerogel-Partikel SiO₂-Aerogel-Partikel verwendet werden.

3. Verbundmaterial gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Kunststoff, ein Polymethylmethacrylat, ein Cycloolefin-Copolymer, ein Polyvinylbutyral, ein Polycarbonat und/oder ein Polyethylenterephthalat verwendet wird.

4. Verbundmaterial gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als transparenter Kunststoff ein Polyvinylbutyral oder ein Polymethylmethacrylat verwendet wird.

5. Verbundmaterial gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aerogel-Partikel und/oder das Verbundmaterial IR- Trübungsmittel enthalten.

6. Verbundmaterial gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbundmaterial Füllstoffe und/oder Fasern enthält.

7. Verbundmaterial gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitfähigkeit weniger als 100 mW/mK beträgt.

8. Verbundmaterial gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbundmaterial auf mindestens einer Seite beschichtet ist.

9. Verwendung eines Verbundmaterials gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Wärmedämmung.

10. Verfahren zur Herstellung eines Aerogels gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man Aerogel und Kunststoff mischt, in die gewünschte Form bringt und aushärtet.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß Formgebung und Aushärten durch Verpressen bei einem Druck von 1 bis 1000 bar und einer Temperatur von 0 bis 300°C erfolgen.