DE102004031967B4

DE102004031967B4 - Verfahren zur Herstellung eines Vakuumisolationsformkörpers

Info

Publication number: DE102004031967B4
Application number: DE102004031967.7A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Chem. Dr. Randel Peter; Dipl.-Ing. Norbert (FH) Dr. Schneider; Dipl.-Ing. Thomas (FH) Eyhorn; Dipl.-Ing. Dieter (FH) Henn; Dipl.-Ing. Michael (FH) Hummer; Andreas Rell
Original assignee: Porextherm-Dammstoffe GmbH
Current assignee: Porextherm Daemmstoffe De GmbH
Priority date: 2004-07-01
Filing date: 2004-07-01
Publication date: 2015-01-15
Anticipated expiration: 2024-07-02
Also published as: DE102004031967A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Vakuumisolationsformkörpers, bei dem die Rohstoffe zur Herstellung eines Formkörpers aus einem mikroporösen Material innig miteinander vermischt werden, die Rohstoffe dann in eine Umhüllung eingebracht werden und nach einem Evakuieren luftdicht eingeschweißt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung in einen Beutel/Sack bestehend aus einem luftdurchlässigen Vlies oder Gewebe eingebracht und versiegelt wird und dieser dann in eine metallhaltige Folie eingebracht wird und anschließend die Formung des Formkörpers in einer Vakuumkammer im Vakuum erfolgt, wobei die Form des Formkörpers durch die Form des Folienbeutels und des im Folienbeutel befindlichen Vliesbeutels vorgegeben wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Vakuumisolationsformkörpers.
Die Wärmeleitzahl von Dämmplatten lässt sich drastisch reduzieren, wenn im System ein Vakuum vorliegt. Dies ist z. B. aus US 5,950,450 A1 oder DE 43 39 435 A1 bekannt. Eine Herstellung eines solchen Vakuumisolationsformkörpers beinhaltet eine vorgepresste mikroporöse Wärmedämmplatte, welche in eine Verbundfolie vakuumdicht eingeschweißt wird. Als Verbundfolie dient dabei entweder ein vorgefertigter Folienbeutel, meist ein Siegelrandbeutel, oder zwei Folienzuschnitte, welche dem Prozess zugeführt werden. Bei einer derartigen Herstellung ist ein vielstufiges Verfahren notwendig, da erst ein Formkörper vorgepresst werden muss, der dann wieder in einen Folienbeutel einzuführen ist, um dann im Vakuum verschlossen zu werden.
Aus der DE 696 29 636 T2 ist ein Polyurethanpulvergemisch als Vakuum-Wärmeisolierungsmaterial bekannt, welches in ein nichtgewebtes gasdurchlässiges Tuch gefüllt wird, das seinerseits in ein Metall-Kunststofffilm-Laminat-Gebilde eingebracht wird. Anschließend wird der Innenraum dieses Gebildes mittels einer Vakuumpumpe evakuiert und verschlossen.
Aus der DE 101 14 633 A1 ist ein Vakuumdämmsystem aus einer evakuierten und ständig mit einem Hilfsvakuum beaufschlagten Hohlform bekannt, die mit vorher umhüllten Dämmplatten ausgekleidet ist. Diese Dämmplatten weisen einen Dämmkern aus offenzelligem Pulvermaterial auf, der mit einer Hochbarriere-Folie umhüllt ist.
Die DE 100 58 566 C2 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines evakuierten Wärmedämmkörpers aus einem porösen offenporigen Werkstoff. Aus diesem wird ein Körper geformt, der bereits die spätere Gestalt des Wärmedämmkörpers aufweist. Dieser wird mit einem Bogen einer gasdichten Folie umhüllt, in verschiedenen Schritten an verschiedenen Stellen verschweißt, evakuiert und abschließend vollständig unter Vakuum versiegelt.
Aus der JP H04-198 688 A ist bekannt, ein pulverförmiges Material in einen Beutel einzufüllen, der sich bereits in einer Vakuumkammer befindet. Der Beutel besteht aus einem gasdichten Laminatfilm. Nach Befüllung wird der Beutel versiegelt, vibrationsverdichtet und unter einem Heizkopf in die spätere Form durch pressendes Erhitzen überführt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, die Nachteile des Stands der Technik zu überwinden, insbesondere einen vorzugsweise plattenförmigen, evakuierten und wärmedämmenden Formkörper (Vakuumisolationsformkörper) zur Verfügung zu stellen, welcher preisgünstig herzustellen ist.
Die Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Vakuumisolationsformkörpers, bei dem die Rohstoffe zur Herstellung eines Formkörper aus einem mikroporösen Material innig miteinander vermischt werden, die Rohstoffe dann in eine Umhüllung eingebracht werden und nach einem Evakuieren luftdicht eingeschweißt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Form des Formkörpers im Vakuum erfolgt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Form des Formkörpers nicht durch Pressen gebildet, sondern erfolgt im Vakuum in der Vakuumkammer, indem der Formkörper mittels einer vorgegebenen Geometrie seine Form ausbildet, d. h. dass die Form des Formkörpers im Wesentlichen durch die Geometrie, also die Form des Folienbeutels und/oder durch die Form des gegebenenfalls im Folienbeutel befindlichen Vliesbeutels vorgegeben wird. Des Weiteren kann in der Vakuumkammer durch vorzugsweise metallische Begrenzungen eine definierte Form ausgebildet wird, in die der mit Füllmaterial gefüllte Folienbeutel gelegt wird, um dann die entsprechende Form auszubilden. Dies eignet sich vorzugsweise zur Herstellung von gekrümmten Oberflächen. Bevorzugt wird die Geometrie durch den Vliesbeutel bestimmt, der dann in einen größeren Folienbeutel eingebracht wird. Die bevorzugte Variante ist jedoch diese, dass die Geometrie durch den Folienbeutel bestimmt wird, in welchem vorzugsweise ein ähnlich großer Vliesbeutel mit der Mischung eingebracht wird. Die Mischung kann jedoch auch gleich in den Folienbeutel eingebracht werden. Hier kommen auch bevorzugt sogenannte Seitenfaltenbeutel mit einer Mittelnaht zum Einsatz. Aber auch Siegelrandbeutel sind realisierbar.
Der erfindungsgemäß hergestellte Vakuumisolationsformkörper kann jede Form annehmen, wie platten-, würfel-, quaderförmig, wobei die plattenförmige Form bevorzugt ist.
Ein loses, mikroporöses Material wird in einen Vliesbeutel eingefüllt und verschlossen. Der Vliesbeutel wird in einen Folienbeutel eingebracht, gegebenenfalls egalisiert und in einer Vakuumkammer evakuiert und gasdicht versiegelt. Vorzugsweise kann die Mischung noch vor dem Befüllen in den Vlies- oder Folienbeutel z. B. mit leichtem Unterdruck oder über Vakuumwalzen entlüftet werden, um die Schüttdichte zu erhöhen. Gegebenenfalls kann die Mischung, nachdem sie in den Vliesbeutel eingefüllt wurde, auch über eine mechanische Einwirkung, wie eine Presse vorverdichtet werden. Beim Belüften der Vakuumkammer wird die lose Mischung zu einem festen Formkörper verpresst.
Als mikroporöses Material kommen pyrogene Kieselsäuren, gefällte Kieselsäuren, Aerogele, leichte organische und anorganische wie sie in DE 39 15 170 A1 beschrieben sind, vorzugsweise Trübungsmittel wie Ruß, Siliciumcarbid, Rutil, Zirkonsilicat, Ilmenit und artverwandte Stoffe sowie faserige Stoffe wie Zellstoffe, Zellwollen, Recyclate von organischen und anorganischen Fasern, Hohlkugeln, aufgeblähte Materialien wie Perlite, Vermiculite und ähnliche und deren Mischungen zum Einsatz. Bevorzugt enthalten die Mischungen mehr als 30 Gew.% pyrogen hergestellte Kieselsäure und/oder Aerogele sowie mehr als 10 Gew.% Trübungsmittel.
Die Rohstoffe werden innig miteinander vermischt. Bei der Verwendung von nur einem Rohstoff entfällt dieser Mischungsschritt.
Diese Mischung kann vorzugsweise auch zu einem rieselfähigen Granulat verarbeitet werden, wobei die Schüttdichte des Granulates um den Faktor 1,2–10 größer liegt als die der Ausgangsmischung, vorzugsweise um den Faktor 1,5–5.
Der umhüllende, offenporige Beutel wird hergestellt aus organischen oder anorganischen Geweben oder Vliesen, perforierten Folien oder Papieren und dient dem Staubschutz. Vorzugsweise werden Vliese aus Polypropylen mit einem Flächengewicht von 15–100 g/m2 verwendet, wie aus DE 100 58 566 C2 bekannt.
Der Folienbeutel wird aus mehrschichtigen Kunststofffolien hergestellt, vorzugsweise mit mindestens einer Schicht Aluminium oder mindestens einer Schicht metallisierter Folie welche thermisch versiegelbar ist. Vorzugsweise werden Mehrschichtverbundfolien mit metallisierten Schichten verwendet. Folien mit nicht metallischen Sperrschichten können ebenso verwendet werden, wie Verbundfolien oder einfache Folien. Kommen Verbundfolien zum Einsatz, bei welchen mindestens eine Schicht eine Vorstreckung aufweist, so genannte Schrumpffolien, so werden durch die Wärmebehandlung die vorhandenen Folienüberstände verringert und Falten geglättet.
Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass diese Schrumpffolien auch eine oder mehrere metallisierte Schichten oder Metallschichten aufweisen können.
Gegebenenfalls kann dieser befüllte und verschlossene Vliesbeutel einem Trocknungsprozess zugeführt werden. Auch die Rohstoffe können vor oder nach Erstellung der Mischung getrocknet werden.
Der befüllte Folienbeutel wird in einer Vakuumkammer bei einem Druck von 0,05–10 mbar evakuiert und gasdicht versiegelt.
Der so erhaltene Formkörper wird vorzugsweise in Bereichen eingesetzt, in welchen keine genaue Maßhaltigkeit gefordert ist, wie z. B. in Kühl- oder Gefriergeräten, Fassaden- und Fußbodenelementen, Transportfahrzeugen oder Transportbehältern.
Durch das bevorzugte Erwärmen auf eine Temperatur von über 80°C gibt es folgende Vorteile der Erfindung: – Ein flächiges Verschweißen der Unter- mit der Oberfolie, welche im evakuierten Bereich liegen; dadurch besteht die Möglichkeit des Beschneidens des Folienüberstandes, auch hinter der ursprünglichen Schweißnaht unter Beibehaltung des Vakuums. Es ist auch möglich Aussparungen, die nicht im Randbereich liegen, sondern zum Beispiel mittig, zu ermöglichen. – Die flächige Abdichtung der Folien über die Schweißnaht hinaus, was zur Verminderung einer Leckage und zur Erhöhung der Dauerhaltbarkeit des Vakuums führt. – Die Erhöhung der Steifigkeit der Platten, da sich die Kleberschicht der Folie innig mit der Oberfläche des Kernmaterials, insbesondere der Faser, oder des Vliesbeutels verbindet. – Eine Längenänderung der Folie bei der Verwendung von Schrumpffolien führt zu faltenarmen Platten, da durch die Wärmebehandlung die Vorstreckung der Folie aufgehoben wird und die Folie sich selbst glättet.
Gegebenenfalls ist in dem mikroporösen Material Ammoniak in Mengen von mehr als 0,1 Normliter pro 10 kg mikroporöses Material vorhanden.
Vorzugsweise ist in dem mikroporösen Material 0,2 bis zu 50 Normliter Ammoniak pro 10 kg mikroporöses Material vorhanden.
Die durch das Erwärmen auf über 80°C hergestellten Platten finden Verwendung als Vakuumwärmedämmung in den bekannten Anwendungen, insbesondere dort, wo geringe Folienüberstände, evtl. in Verbindung mit nicht rechteckigen Konturen mit Aussparungen oder Durchbrüchen, faltenarme Oberflächen, hohe Steifigkeiten und eine hohe Lebensdauer gefordert sind.
Besonders bevorzugt handelt es sich um Mischungen enthaltend pyrogene Kieselsäure, insbesondere bevorzugt pyrogene Kieselsäuren mit einer BET vorzugsweise > 50 m2/g, bevorzugt > 80 g/m2, besonders bevorzugt > 120 g/m2. Die Plattendichte liegt vorzugsweise bei > 80 kg/m3, bevorzugt bei > 120 kg/m3 besonders bevorzugt bei bis 300 kg/m3.
Eine Wärmedämmplatte im erfindungsgemäßen Formkörper setzt sich beispielsweise wie folgt zusammen:
20–100 Gew.% feinteiliges Metalloxid mit einer BET > 50 m2/g
0–50 Gew. Trübungsmittel wie z. B. SiC, Rutil, Zirkonsilicat, Ilmenit,
0–10% armierende organische oder anorganische Fasern
0–50% organische oder anorganische Füllstoffe sowie gegebenenfalls Ammoniak einer Menge größer 0,1 Normliter/10 kg Mischung.
Bei der metallhaltigen Folie handelt es sich vorzugsweise um eine Verbundfolie mit einer oder mehreren metallisierten Schichten oder um eine Verbundfolie mit einer Schicht aus Metall, vorzugsweise Aluminium.
Der getemperte Formkörper weist an seiner Oberfläche weniger Falten auf als herkömmliche Vakuumisolationsformkörper, welche ohne Folien mit Vorstreckung hergestellt wurden.
Die erfindungsgemäß hergestellten Formkörper werden mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt. Dabei werden zunächst die einzelnen Rohstoffe zur Herstellung einer Wärmedämmplatte innig miteinander in einem Mischaggregat vermischt, wobei während des Mischvorgangs gegebenenfalls gasförmiger Ammoniak in Mengen von 0,1 Normliter bis 50 Normliter/10 kg Mischung oder Ammoniak freisetzende Substanzen in Mengen, die Ammoniak in den genannten Mengen freisetzen, zugegeben werden kann, wodurch sich eine gleichmäßige Verteilung ergibt. Anschließend wird die Mischung in eine Umhüllung wie einen Folienbeutel aus vorzugsweise einer metallhaltigen Folie oder zuerst noch in einen Vliesbeutel eingebracht, der dann in den Folienbeutel eingebracht wird und nach einem Evakuieren in die Umhüllung luftdicht eingeschweißt.
Dieser evakuierte, versiegelte Formkörper wird bei einer Ausführungsform einer Temperaturbehandlung bei Temperaturen unterzogen, welche in etwa größer/gleich den Temperaturen für das thermische Verschweißen sind, mindesten jedoch 80°C. Die Höhe und Dauer der Temperaturbehandlung ist abhängig von dem verwendeten Verfahren, dem innenliegenden Kernmaterial und richtet sich danach, dass die Folie komplett durchwärmt werden kann, so dass die gewünschte thermische Verschweißung ganzflächig erfolgen kann. Typische Werte liegen bei 1–20 Minuten.
Die Temperatur der Wärmebehandlung ist abhängig von dem Folienaufbau und den zu verschweißenden Schichten. Ist die Innenschicht PE, so liegt die Schweißtemperatur bei ca. 130°C. Bei Schichten mit höherer Temperaturbeständigkeit bzw. mit höherer Erweichungstemperatur wie z. B. aus PE/PP Copolymere, PP oder amorphes PET kann dies bis 250°C betragen. Werden organische Kernmaterialien verwendet, so darf die Temperaturbehandlung nicht zu einer wesentlichen Veränderung der Eigenschaften des Kernmaterials führen. Vorteilhaft ist es, wenn sich in diesem Fall die Folie mit der Oberfläche des Kernmaterials thermisch verbindet.
Diese Temperaturbehandlung kann für den gesamten Formkörper angewendet werden: Im Durchlauf – oder Kammerofen/Kammertrockner/Umlufttrockner. Der Formkörper kann auch partiell mit Temperatur beaufschlagt werden, mittels z. B. Heißluftföhn oder Strahlungsheizeinrichtungen.
Die erfindungsgemäß hergestellten Platten können auch umschäumt (Umhüllung mit z. B. Polyurethan Schaum für Kühlschränke oder Umhüllung mit z. B. Polystyrol bei Bauanwendungen) werden oder mehrschichtig stoßversetzt verbaut werden.
Die nach der Erfindung hergestellten Vakuumisolationskörper können in Behältern wie Transportbehältern, oder Kühlschränken, oder flächigen Anwendungen wie Fassadenelementen, oder Fußböden verwendet werden.
Die erfindungsgemäß hergestellten Formkörper eignen sich insbesondere zur großflächigen Dämmung wie sie z. B. für Kühlschränke, Transportkisten, Fassadenelementen und Fußböden notwendig ist.
Beispiel 1
800 g homogene Mischung, bestehend aus 85 Gew.% einer pyrogenen Kieselsäure, erhältlich unter der Bezeichnung N20 der Wacker Chemie GmbH München, und 15 Gew.% SiC Pulver, erhältlich unter der Bezeichnung P8 der Fa. ESK SiC GmbH, Grefrath wird in einen vorgefertigten Vliesbeutel mit den Maßen 300 × 300 mm2 bestehend aus einem Polypropylenspinnvlies mit einem Flächengewicht von 40 g/m2, erhältlich bei Corovin GmbH in Peine, eingefüllt und der Vliesbeutel thermisch versiegelt. Dieser Beutel wird in einen vorgefertigten Folienbeutel mit den Maßen 300 × 350 mm2 bestehend aus einer Folie mit der Bezeichnung V08621 erhältlich bei Fa. Hanita in Israel eingebracht. Dieser Folienbeutel wird in einer Vakuumkammer bei 0,5 mbar evakuiert und gasdicht verschweißt. Nach dem Belüften der Vakuumkammer weist der so entstandene Formkörper eine Dichte von 135 kg/m3 und eine mittlere Dicke von 20 mm auf. Die Wärmeleitzahl dieses Formkörpers beträgt bei Raumtemperatur 0,0031 W/mK.
Beispiel 2
800 g homogene Mischung, bestehend aus 85 Gew.% einer pyrogenen Kieselsäure, erhältlich unter der Bezeichnung N20 der Wacker Chemie GmbH München, und 15 Gew.% SiC Pulver, erhältlich unter der Bezeichnung P8 der Fa. ESK SiC GmbH, Grefrath werden zu einem Granulat mit einer Schüttdichte von 80 kg/m3 verdichtet und in einen unter Beispiel 1 beschriebenen Folienbeutel eingebracht und zu einem Formkörper analog Beispiel 1 gefertigt. Dieser Formkörper weist eine Dichte von 145 kg/m3 und eine mittlere Dicke von 20 mm auf. Die Wärmeleitzahl dieses Formkörpers beträgt bei Raumtemperatur 0,0035 W/mK.
Beispiel 3
Es wird vorgegangen wie im Beispiel 1 mit dem Unterschied, dass der Folienbeutel in einer Vakuumkammer bei 0,5 mbar evakuiert, gasdicht verschweißt und der Vakuumisolationsformkörper wird in einem Umlufttrockner für 7 Minuten mit 130°C beaufschlagt. Nach dem Belüften der Vakuumkammer weist der so entstandene Formkörper eine Dichte von 135 kg/m3 und eine mittlere Dicke von 20 mm auf. Die Wärmeleitzahl dieses Formkörpers beträgt bei Raumtemperatur 0,0035 W/mK.
Beispiel 4:
80 Gew. pyrogener Kieselsäure mit einer spezifischen Oberfläche von 300 m2/g, HDK T30, käuflich erhältlich bei der Fa. Wacker Chemie GmbH, München unter der Bezeichnung HDK T30, 15 Gew.% SiC Pulver der Spezifikation P8, käuflich erhältlich bei der Fa. ESK SiC GmbH, Grefrath, unter Zugabe von 3 Normlitern Ammoniak pro 10 kg Mischung und 5 Gew.% Zellstoff käuflich erhältlich bei der Fa. J. Rettenmaier & Söhne, Rosenberg unter der Bezeichnung Arbocell FIF 400 werden innig vermischt in einen vorgefertigten Vliesbeutel mit den Maßen 300 × 300 mm2 bestehend aus einem Polypropylenspinnvlies mit einem Flächengewicht von 40 g/m2, erhältlich bei Corovin GmbH in Peine, eingefüllt und der Vliesbeutel thermisch versiegelt. Dieser Beutel wird in einen vorgefertigten Folienbeutel mit den Maßen 300 × 350 mm2 bestehend aus einer Folie mit der Bezeichnung V08621 erhältlich bei Fa.
Hanita in Israel eingebracht. In diesem Zustand wird mittels einer mechanischen Presse die Dicke um 50% reduziert. Dieser Folienbeutel mit der vorverdichteten Mischung wird in einer Vakuumkammer bei 0,5 mbar evakuiert und gasdicht verschweißt. Nach dem Belüften der Vakuumkammer weist der so entstandene Formkörper eine Dichte von 145 kg/m3 und eine mittlere Dicke von 20 mm auf. Die Wärmeleitzahl dieses Formkörpers beträgt bei Raumtemperatur 0,0038 W/mK.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Vakuumisolationsformkörpers, bei dem die Rohstoffe zur Herstellung eines Formkörpers aus einem mikroporösen Material innig miteinander vermischt werden, die Rohstoffe dann in eine Umhüllung eingebracht werden und nach einem Evakuieren luftdicht eingeschweißt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung in einen Beutel/Sack bestehend aus einem luftdurchlässigen Vlies oder Gewebe eingebracht und versiegelt wird und dieser dann in eine metallhaltige Folie eingebracht wird und anschließend die Formung des Formkörpers in einer Vakuumkammer im Vakuum erfolgt, wobei die Form des Formkörpers durch die Form des Folienbeutels und des im Folienbeutel befindlichen Vliesbeutels vorgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während der Vermischung der Rohstoffe gasförmiger Ammoniak in Mengen von 0,1 Normliter bis 50 Normliter/10 kg Mischung oder eine Ammoniak freisetzende Substanz in Mengen die Ammoniak in den genannten Mengen freisetzt, in die Mischung eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der evakuierte versiegelte Formkörper einer Temperaturbehandlung > 80°C unterzogen wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die metallhaltige Folie ein vorgefertigter Beutel ist.