DE102014218931A1

DE102014218931A1 - Sandwichstruktur mit einem Aerogel enthaltenden Kernwerkstoff

Info

Publication number: DE102014218931A1
Application number: DE102014218931.4A
Authority: DE
Inventors: Barbara Milow; Imke Roese-Koerner; Marina Schwan; Jürgen Mosch
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2013-11-27
Filing date: 2014-09-19
Publication date: 2015-05-28
Anticipated expiration: 2034-09-20
Also published as: DE202013010599U1; DE102014218931B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kernwerkstoff aus einem Trägermaterial mit makroskopischen Hohlräumen, in welchem die Hohlräume mit einem Aerogel gefüllt sind sowie eine Sandwichstruktur, welche den Kernwerkstoff umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kernwerkstoff aus einem Trägermaterial mit makroskopischen Hohlräumen, in welchem die Hohlräume mit einem Aerogel gefüllt sind sowie eine Sandwichstruktur, welche den Kernwerkstoff umfasst.
Verbundwerkstoffe oder Faserverbundwerkstoffe werden aufgrund ihrer hohen Steifigkeit und Festigkeit und ihres vergleichsweise geringen Gewichts zunehmend im Fahrzeugbau, insbesondere im Flugzeugbau, verwendet. Sandwichstrukturen werden insbesondere auf Grund ihrer hohen Biegesteifigkeit in diesen Gebieten eingesetzt. Eine Sandwichstruktur besteht üblicherweise aus einem mäßig schubsteifen Kernwerkstoff, welcher mit zwei außenliegenden dehnsteifen Deckschichten schub- und zugfest verbunden ist. Als Kernwerkstoff wird üblicherweise ein leichtgewichtiges Material, das zu einer Vergrößerung des Abstands zwischen den beiden Deckschichten geeignet ist, eingesetzt. Dabei können die Deckschichten jeweils biegesteif sein. Aufgrund ihres Aufbaus sind Sandwichstrukturen sehr gut geeignet um Biegebelastungen zu ertragen. Die durch die Biegung auftretenden Zug- und Drucklasten sind in den Deckschichten maximal. Idealerweise sollten sie daher sehr steif und fest sein. Der Kernwerkstoff wird auf Schub und Druck belastet.
Bekannte Kernwerkstoffe bestehen üblicherweise hauptsächlich aus Schäumen oder Aramid-, Aluminium-, Polypropylen-, Pappkarton-, Polyacryletherketon-, thermoplastischen Polymethacrylemid-, Polyvinylchlorid-, duroplastischem Polyurethanwaben oder Balsa-Stirnholz. Kernwerkstoffe aus Waben sind teilweise in der Lage gegenüber Kernwerkstoffen aus Schäumen höhere mechanische Kräfte aufnehmen ohne zu kriechen und haben eine bessere Dauerfestigkeit. Zudem sind Waben besonders leicht und haben dennoch gute mechanische Eigenschaften.
Zur Erhaltung eines starren und maßhaltigen Kernwerkstoffs kann die Wabenstruktur mit kugeligen oder faserigen Füllstoffen gefüllt werden, wobei die Füllstoffe an ihren Berührungspunkten mit einem Bindemittel miteinander verbunden sind, wie dies beispielsweise in DE 10 2011 082 087 A1 beschrieben ist.
Im Brandfall weisen bekannte Sandwichstrukturen jedoch schnell eine geringe Stabilität auf. Das Matrix-Material und oft auch das Bindemittel beginnen ab Temperaturen von etwa 200°C sich thermisch zu zersetzen, so dass die Struktur bereits nach kurzer Zeit keinerlei Stabilität mehr aufweist.
Eine Möglichkeit einen Sandwichstruktur im Brandfall zu schützen ist die Auswahl eines flammwidrigen Matrix-Systems. Hier kommen häufig Phenol-Formaldehydharze zum Einsatz. Diese haben zwar ein gutes Brandverhalten, sind anderen Systemen hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften jedoch deutlich unterlegen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dem Matrix-System verschiedene Flammschutzmittel zuzusetzen. Hier werden beispielsweise Materialien verwendet, die im Brandfall Wasser abgeben und so den Werkstoff kühlen und die Rauchgase verdünnen. Diese Additive müssen häufig in sehr großen Gewichtsanteilen zugesetzt werden und führen so zu einer Erhöhung des Gewichts und häufig auch zu einer Versprödung des Werkstoffs. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Auftragung von flammschützenden Schichten oder Lacken. Diese können sich unter der Einwirkung von Hitze bis auf das 200fache aufblähen und bilden so eine Barriereschicht aus, die die Wärmeleitung und den Stofftransport behindert.
Ein Verbundwerkstoff mit einem Kernwerkstoff, der ein geringes Gewicht aufweist und gleichzeitig für den Brandschutz geeignet ist, ist in DE 10 2004 046 495 A1 beschrieben. Hier wird ein hydrophobes Aerogel mit einem anorganischen Bindemittel und einem anorganischen hydrophilen Dispergiermittel gemischt. Bei dem Bindemittel handelt es sich um Zement, Gips, Kalk, Lehm, Wasserglass und/oder Ton. Als Dispergiermittel kann beispielsweise Ammoniumfluorid eingesetzt werden. Der dort beschriebene Verbundwerkstoff kann einerseits als tragendes Element in Bauwerken eingesetzt werden. Die Aerogelpartikel verleihen dem Werkstoff Wärmedämmeigenschaften und erlauben auch einen Brandschutz.
Mit aus dem Stand der Technik bekannten, brandgeschützten Verbundwerkstoffen werden üblicherweise die mechanische Eigenschaft der Sandwichstruktur verschlechtert. Häufig nimmt auch das Gewicht des Verbundes zu, so dass eine Verwendung insbesondere im Flugzeugbau nicht mehr möglich ist. Lacke, welche als Brandschutzmittel eingesetzt werden, können abplatzen, so dass keine Flammschutzwirkung mehr vorhanden ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Bereitstellung eines Kernwerkstoffs, der die oben genannten Nachteile beseitigt.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird gelöst durch einen Kernwerkstoff 1 aus einem Trägermaterial mit makroskopischen Hohlräumen, in welchem die Hohlräume mit einem Aerogel gefüllt sind.
In einer weiteren Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung eine Sandwichstruktur 3, welche den erfindungsgemäßen Kernwerkstoff 1 umfasst, wobei der Kernwerkstoff 1 zwischen zwei Deckschichten 2a, 2b angeordnet ist. Eine entsprechende Struktur ist schematisch in 1 dargestellt.
Ein erfindungsgemäßer Kernwerkstoff 1 kann mittels eines Verfahrens hergestellt werden, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Trägermaterial makroskopische Hohlräume aufweist, in welche eine Aerogellösung als Füllstoff eingebracht wird und die Aerogellösung anschließend im Trägermaterial schrumpfungsfrei zu einem Aerogel getrocknet wird. Hierdurch erhält man den erfindungsgemäßen Kernwerkstoff 1 aus einem Trägermaterial mit makroskopischen Hohlräumen in welchem die Hohlräume mit einem Aerogel gefüllt sind.
Aerogele sind hochporöse Festkörper, deren Volumen zum größten Teil aus Poren besteht. Als Werkstoff sind sie seit Jahrzehnten bekannt. Sie zeichnen sich durch einzigartige Eigenschaften wie beispielsweise eine geringe Dichte, eine sehr hohe spezifische Oberfläche, niedrige Wärmeleitfähigkeit sowie eine hohe akustische Impedanz aus.
Weitverbreitet sind Aerogele auf Silikatbasis, also anorganische Aerogele. Darüber hinaus sind auch organische Aerogele bekannt. Diese werden beispielsweise hergestellt auf Basis von Resorcin und Formaldehyd, Melamin und Formaldehyd, Phenol und Furfural, Kresol und Formaldehyd, polymerisierbaren Isocyanaten, Phenol und Melamin oder Polyvinylchloriden. Eine Besonderheit dieser rein organischen Aerogele ist, dass sie durch Pyrolyse in Kohlenstoffaerogele umwandeln lassen, wobei die Struktur der Aerogele erhalten bleibt.
Die Synthese von Aerogelen erfolgt typischerweise mittels eines Sol-Gel-Prozesses. Die Trocknung des erhaltenen Gels erfolgt je nach Herstellungsverfahren und Ausgangsmaterialien überkritisch oder unterkritisch.
Vor der Trocknung des erhaltenen Gels wird die Aerogellösung, also das kolloidale Sol, in die makroskopischen Hohlräume des Trägermaterials eingebracht. Erst vor Ort, also im Trägermaterial, wird die Aerogellösung zum Trocknen gebracht. Dabei erfolgt die Trocknung schrumpfungsfrei, so dass das erhaltene Aerogel fest an dem Trägermaterial haftet.
Erfindungsgemäß können aus dem Stand der Technik bekannte organische oder anorganische Aerogellösungen eingesetzt werden. Der Kernwerkstoff 1 umfasst somit organische oder anorganische Aerogele in den Hohlräumen des Trägermaterials. Vorzugsweise besteht der Kernwerkstoff 1 aus einem organischen oder anorganischen Aerogel und dem Trägermaterial.
Anorganische Aerogellösungen müssen unter überkritischen Bedingungen getrocknet werden, um ein schrumpfungsfreies Trocknen zu ermöglichen. Im Gegensatz hierzu können organische Aerogellösungen, insbesondere Resorcin-Formaldehyd-Aerogellösungen auch bei unterkritischen Bedingungen getrocknet werden. Insbesondere die Herstellung und Trocknung organischer Aerogellösungen ist im Stand der Technik ausführlich beschrieben, wie beispielsweise in der noch nicht veröffentlichten DE 10 2013 216 965 . Anorganische Aerogellösungen sind im Hinblick auf ihre Eigenschaften als Brandschutzmittel bei einer entsprechenden Anwendung bevorzugt. Im Hinblick auf ein einfaches, kostengünstiges Herstellungsverfahren sind organische Aerogellösungen bevorzugt.
Sowohl anorganische als auch organische Aerogellösungen ermöglichen die Herstellung eines dämmenden Kernwerkstoffes. Dabei wird sowohl eine akustische Dämmung (Schalldämmung) als auch eine thermische Dämmung (Wärmedämmung, Kältedämmung) ermöglicht.
Dabei weist der erfindungsgemäße Kernwerkstoff 1 überraschenderweise eine hohe Biegefestigkeit auf. Die Biegefestigkeit des Erfindungsgemäßen Kernwerkstoffs ist etwa 1,7 fach höher als die Biegefestigkeit des reinen Aerogels. Der erfindungsgemäße Kernwerkstoff ermöglicht somit nicht nur eine Dämmung, sondern erhöht auch die Stabilität in einer Struktur, in der er verwendet wird.
Als Trägermaterial können bekannte Trägermaterialen, wie offenporige/offenzellige Schäume oder eine Wabenstruktur Anwendung finden. Bevorzugt wird eine Wabenstruktur eingesetzt. Bei der Wabenstruktur kann es sich erfindungsgemäß um Papierwaben, Pappwaben, Aluminiumwaben, Aramidwaben oder Polymerwaben handeln. Der Vorteil der Wabenstruktur besteht darin, dass diese weit verbreitet sind und somit kostengünstig und auch aus unterschiedlichen Materialien zu erhalten sind. Nachteilig ist, dass durch die Stege der Wabenstruktur eine Wärmebrücke vorhanden ist. Dieser Nachteil wird jedoch durch die Vorteile, welche sich durch das Aerogel als Füllstoff der Hohlräume des Trägermaterials ergeben, wie geringes Gewicht und gute Dämmung, überwogen.
Eine Wabenstruktur hat, wie auch andere Trägermaterialien mit makroskopischen Hohlräumen, üblicherweise zwei offene Seiten, durch welche eine Flüssigkeit durchfließen kann. Gibt man beispielsweise eine Flüssigkeit auf die erste offene Seite des Trägermaterials, so fließt diese aus der zweiten offenen Seite heraus. Damit dies beim Einbringen der Aerogellösung erfindungsgemäß nicht geschieht, wird bevorzugt vor dem Einbringen der Aerogellösung auf der ersten offenen Seite des Trägermaterials eine erste Materialschicht aufgebracht. Wird die Trägerstruktur auf eine Oberfläche gestellt, die das Durchfließen der Aerogellösung verhindert, von der jedoch die Aerogellösung beziehungsweise das später ausgehärtete Aerogel leicht entfernt werden kann, ist das Aufbringen einer Materialschicht vor dem Einbringen der Aerogellösung nicht notwendig. Eine solche Materialschicht ist auch dann nicht notwendig, wenn die Trägerstruktur in die Aerogellösung eingetaucht wird, wodurch die Aerogellösung ebenfalls in die Hohlräume der Trägerstruktur eingebracht wird. Häufig weisen Trägerstrukturen, insbesondere Wabenstrukturen, auf Grund Ihres Herstellungsverfahrens bereits auf einer Seite eine Materialschicht auf, wodurch eine offene Seite bereits verschlossen ist. In diesem Fall erübrigt sich das Aufbringen einer weiteren Materialschicht.
Wird vor dem Einbringen der Aerogellösung die erste offene Seite des Trägermaterials nicht mit einer Materialschicht abgedeckt, so kann dies auch nach dem Trocknen der Aerogellösung erfolgen. Weiterhin kann nach dem Trocknen der Aerogellösung auch auf die zweite offene Seite, welche der ersten offenen Seite des Trägermaterials gegenüber liegt, eine Materialschicht aufgebracht werden. Diese Materialschicht auf der zweiten offenen Seite des Trägermaterials kann mit der ersten Materialschicht gleich sein. Es können jedoch auch voneinander verschiedene Materialschichten aufgebracht werden. Ein erfindungsgemäßer Kernwerkstoff 1 kann somit an den einander gegenüberliegenden offenen Seiten eine Materialschicht aufweisen.
Bei den Materialien, die als Materialschicht auf die offenen Seiten der Trägerstruktur aufgebracht werden, kann es sich beispielsweise um Filter aus Vlies oder Papier handeln.
Das Verfahren ermöglicht ein vollständiges Auffüllen der Hohlräume des Trägermaterials mit einem nach der Trocknung erhaltenen Aerogel. Damit das Trägermaterial mit dem Aerogel vollständig bedeckt ist und keine Hohlräume bestehen, ist es möglich, dass man das Einbringen der Aerogellösung in die Trägerstruktur unter Einwirkung von Ultraschall ausführt. Durch Ultraschall werden eventuell vorhandene Gasblasen aus dem Trägermaterial beziehungsweise der Aerogellösung herausgetragen.
Um einen stabilen und kompakten Kernwerkstoff 1 zu erhalten, kann es ebenfalls notwendig sein, die Hydrophobie beziehungsweise Hydrophilie des Trägermaterials mit der des Aerogels beziehungsweise der Aerogellösung abzustimmen. Dabei kann die Materialhaftung des Aerogels beispielsweise auf einer Folie getestet werden, welche aus dem gleichen Material besteht, wie das Trägermaterial. Insbesondere durch Variation des pH-Werts der Aerogellösung kann die Haftung des Aerogels mit dem Trägermaterial eingestellt und verbessert werden.
Weiterhin ist es möglich, die Trägerstruktur vor dem Einbringen der Aerogellösung mit einer Beschichtung zu versehen. Diese Beschichtung ist auf die Hydrophobie beziehungsweise Hydrophilie der Aerogellösung abgestimmt und ermöglicht dadurch eine verbesserte Haftung zwischen Aerogel und Trägerstruktur. Hier umfasst der Kernwerkstoff 1 dann eine beschichtete Trägerstruktur sowie ein Aerogel.
Hydrophob im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet, dass das Material gegenüber Wasser bei Raumtemperatur (25°C) einen Kontaktwinkel von mehr als 90° zeigt. Hydrophile Materialien zeigen gegenüber Wasser einen entsprechenden Kontaktwinkel von weniger als 90°.
Mit Hilfe des beschriebenen Verfahrens erhält man einen Kernwerkstoff 1 aus einem Trägermaterial mit makroskopischen Hohlräumen, in welchem die Hohlräume vollständig mit einem Aerogel gefüllt sind.
Das Trägermaterial umfasst bevorzugt eine Wabenstruktur, insbesondere eine Papierwaben-, Pappwaben-, Aluminiumwaben-, Aramidwaben- oder Polymerwabenstruktur. Die Hohlräume des Trägermaterials können mit einem aus dem Stand der Technik bekannten organischen oder anorganischen Aerogel gefüllt sein. Organische Aerogele, besonders bevorzugt Resorcin-Formaldehyd-Aerogele befinden sich als Füllstoff in den Hohlräumen, da diese auch bei unterkritischen Bedingungen getrocknet werden können, was eine gute Haftung mit dem Trägermaterial ermöglicht. Soll der erfindungsgemäße Kernwerkstoff 1 insbesondere im Brandschutz eingesetzt werden, so ist es bevorzugt, dass es sich bei dem Aerogel um ein anorganisches Aerogel handelt, da dies auch bei höheren Temperaturen noch stabil ist.
Die dreidimensionale Netzwerkstruktur des getrockneten Aerogels besteht vorzugsweise aus Teilchen einer Größe von weniger als 5 μm, insbesondere von weniger als 3 μm, besonders bevorzugt liegt die Teilchengröße im Bereich von 100 nm bis 3 μm. Kleine Teilchen ermöglichen eine besonders gute, möglichst vollständige Füllung der Hohlräume der Trägerstruktur. Die Größe der Teilchen wird anhand Rasterelektronenmikroskopischer (REM) Aufnahmen bestimmt.
Der erfindungsgemäße Kernwerkstoff 1 weist bevorzugt eine Dichte im Bereich von 0,1 bis 0,3 g/cm³ und/oder eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 0,04 bis 0,06 W/mK auf. Die geringe Dichte und die geringe Wärmeleitfähigkeit ermöglichen eine Anwendung als Brandschutzmaterial, welches auch in solchen Bereichen eingesetzt werden kann, in welchen ein geringes Gewicht von Nöten ist.
Ein erfindungsgemäßer Kernwerkstoff 1 ist in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung Bestandteil einer Sandwichstruktur 3. In diesem Fall ist der Kernwerkstoff 1 zwischen zwei Deckschichten 2a, 2b angeordnet. 1 zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Sandwichstruktur 3.
Die beiden Deckschichten 2a, 2b können dabei gleich oder voneinander verschieden sein. Sind die beiden Deckschichten 2a, 2b voneinander verschieden, so kann die Sandwichstruktur 3 eine tragende Haut als eine der Deckschichten 2a, 2b und eine Außenhaut als eine der beiden anderen Deckschichten 2a, 2b umfassen. Zwischen der tragenden Haut und der Außenhaut ist ein flammschützender Kern angeordnet. Bei diesem Kern handelt es sich um den erfindungsgemäßen Kernwerkstoff 1. Dabei dient der Kernwerkstoff 1 als Abstandhalter zwischen den beiden Deckschichten 2a, 2b. Auf Grund seines geringen Gewichtes, wird das Gewicht der erfindungsgemäßen Sandwichstruktur 3 insgesamt gering gehalten. Auf Grund der geringen Wärmeleitfähigkeit des Kernwerkstoffs 1, wird, bei Einstrahlung von Wärme auf eine der Deckschichten, die zweite Deckschicht thermisch nicht beansprucht. Im Brandfall wird somit die Deckschicht, die nicht dem Feuer direkt ausgesetzt ist, durch den Kernwerkstoff 1 geschützt.
Ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Sandwichstruktur 3 umfasst die folgenden Schritte:
Bereitstellen des Kernwerkstoffes 1, welcher ein Trägermaterial und ein Aerogel umfasst, und
Kaschieren des Kernwerkstoffes 1 mit den Deckschichten 2a, 2b derart, dass der Kernwerkstoff 1 zwischen den Deckschichten 2a, 2b angeordnet ist.
Die Kaschierung des Kernwerkstoffes 1 mit den Deckschichten 2a, 2b kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass zunächst eine Klebeschicht auf den Kernwerkstoff 1 aufgebracht wird, auf welche dann das eigentliche Material der Deckschicht 2a, 2b aufgebracht wird. Bevorzugt ist es jedoch, dass ein Prepreg-Material, welches sowohl eine Klebeschicht als auch die eigentliche Deckschicht umfasst, direkt auf den Kernwerkstoff 1 aufgebracht wird.
Die Deckschichten 2a, 2b sind dabei bevorzugt ausgewählt aus faserverstärkten Kunststoffen, wie CFK (Kohlenstoff-faserverstärkter Kunststoff), GFK (Glasfaserverstärkter Kunststoff), AFK (aramidfaserverstärkter Kunststoff) oder NFK (Naturfaserverstärkter Kunststoff), oder Metallen, wie Aluminium oder Titan.
Erfindungsgemäß ist es möglich, dass die Sandwichstruktur 3 nicht nur einen Kernwerkstoff 1 umfasst, welcher sich zwischen zwei Deckschichten 2a, 2b befindet. Erfindungsgemäß ist es auch möglich, dass sich an eine der beiden Deckschichten 2a, 2b ein weiterer Kernwerkstoff 1 anschließt, welcher wiederum mit einer weiteren Deckschicht 2a, 2b versehen ist. Es ergibt sich hier ein Schichtaufbau, in welchem sich Kernwerkstoff 1 und jeweils eine Deckschicht 2a, 2b miteinander abwechseln. Der so erhaltene Verbundwerkstoff schließt an den äußeren Schichten jeweils mit einer Deckschicht 2a, 2b ab.
In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die erfindungsgemäße Sandwichstruktur 3 aus einem erfindungsgemäßen Kernwerkstoff 1 sowie zwei Deckschichten 2a, 2b, wobei der Kernwerkstoff 1 zwischen den Deckschichten 2a, 2b angeordnet ist.
Ist auf dem Kernwerkstoff 1 eine Materialschicht aufgetragen, so ergibt sich ein Schichtaufbau von erster Deckschicht 2a, Materialschicht, Kernwerkstoff 1, Materialschicht, zweite Deckschicht 2b. Die beiden Materialschichten können dabei, ebenso wie die Deckschichten, gleich oder voneinander verschieden sein.
Aufgrund des Aerogels als Bestandteil des Kernwerkstoffs 1 beziehungsweise der Sandwichstruktur 3 weist das Material thermisch isolierende Eigenschaften auf. Zudem ist das Gewicht gering. Dies ermöglicht die Verwendung der Sandwichstruktur 3 als Bauteil in Land-, Wasser- und/oder Luftfahrzeugen, wie beispielsweise Autos, Flugzeugen und/oder Zügen. Beispielsweise kann die Sandwichstruktur 3 als Außenhaut in einem Flugzeug eingesetzt werden. Durch die dann erhöhte Wärmeisolierung der Außenhaut könnte Dämmmaterial eingespart werden und Flugzeuge könnten somit leichter und damit energiesparender werden. Gleiches gilt auch für andere Fahrzeuge, in welchen der erfindungsgemäß hergestellte Kernwerkstoff 1 beziehungsweise die Sandwichstruktur 3 Einsatz findet.
Ausführungsbeispiele:
Ausführungsbeispiel 1:
• Ansetzen der Lösung:
Zunächst wurden 127,4 g entionisiertes Wasser (W) in einem Becher eingewogen. Danach wurden 50,0 g Resorcin (R) zugegeben, die Lösung wurde bei Raumtemperatur solange gerührt bis sich das Resorcin vollständig gelöst hatte (5 bis 7 Min). Danach wurden 76,8 g Formaldehyd (F) (24 wt-%-Lösung) dazugegeben und weitere 5 Min gerührt. Als nächstes kamen 0,032 g Na₂CO₃ ^© (Feststoff) in die Lösung. Nach weiteren 5 Min Rühren wurde der pH-Wert mit verdünnter Salpetersäure eingestellt. Der pH-Wert der Lösung wurde auf 5,7 eingestellt. Die Lösung wurde weitere 20 Min bei Raumtemperatur gerührt.
Nach dem Ansetzen wurde jeweils ein Stück HexWeb^® der Firma Hexcel, Welkenraedt, Belgien mit einer Größe von 3,0 × 3,0 cm in ca. 13 mL Resorcin-Formaldehyd-Lösung gelegt. HexWeb^® ist eine mit einem Phenolharz beschichtete Aramid-Wabenstruktur.
• Zusammensetzung der Aerogellösung (Verhältnisse der Bestandteile):

R/C 1500; R/F 0,74; R/W 0,044

• Gelation:
Die Lösungen mit der Aramid-Wabenstruktur wurden in dicht verschließbare Behälter aus Polypropylen gefüllt und in Ofen bei 80°C zwei Tage lang gelieren gelassen.
• Trocknen:
Das Gel wurde 24 Stunden bei 80°C getrocknet. Das Resultat sind Waben, die vollständig mit RF-Aerogel ausgefüllt sind. Das Wabenmaterial wird nahezu perfekt benetzt, was aus der Rasterelektronenmikroskopaufnahme in 2 zu erkennen ist.
Ausführungsbeispiel 2:
Beschichtung von Pappe mit RF-Aerogel
Es wurde eine Aerogellösung wie in Ausführungsbeispiel 1 angesetzt, mit der folgenden Zusammensetzung: R/F = 0,74; R/C = 1500; R/W = 0,044. Der pH-Wert der Lösung wurde auf 5,62 eingestellt. Die Lösung wurde 20 Min gerührt. Danach wurde Pappe zu unterschiedlichen Zeitpunkten für unterschiedliche Eintauchdauern in diese RF-Lösung eingetaucht. Die Größe der Pappproben betrug etwa 4 cm × 4 cm.

– Reihe 1: Pappe wurde direkt nach dem Rühren für 30 bis 300 Sekunden (s) eingetaucht;
– Reihe 2: RF-Lösung wurde bei 80°C für 30 Min in Ofen gehalten, dann wurde Pappe für 30 bis 300 s eingetaucht;
– Reihe 3: RF-Lösung wurde bei 80°C für 60 Min in Ofen gehalten, dann wurde Pappe für 30 bis 300 s eingetaucht.

Die Proben wurden in verschlossenen Behältern 1 Tag bei 80°C gehalten und danach 1 Tag bei 80°C getrocknet. Die fertigen Proben waren hart und dunkelbraun.
In den 3 bis 8 sind Rasterelektronenmikroskopische (REM) Aufnahmen der Proben dargestellt. Die Zuordnung ist der folgenden Tabelle 1 zu entnehmen: Tabelle 1:

Fig. Reihe Eintauchdauer

3 1 300 s

4 1 30 s

5 2 30 s

6 2 300 s

7 3 30 s

8 3 300 s
9 zeigt eine REM-Aufnahme von der eingesetzten Pappe vor der Beschichtung.
Im REM sieht man in den Figuren, dass das Aerogel Partikelgrößen im Bereich von 2 μm hat und das Aerogel, welches direkt auf der Pappe aufliegt, kleiner 500 nm ist. Ausnahme ist die Probe ”Reihe 3, 300 s” (8), in welcher die Partikel auf der Pappe ebenso etwa 2 μm groß sind. Man erkennt eine gute Haftung der Aerogelteilchen an der Pappoberfläche. Das Aerogel ist auch nach 300 s Eintauchzeit nicht in die Pappe eingedrungen.
Um die Materialeigenschaften der Wabenstruktur selbst nicht zu beeinflussen, ist es wichtig, dass die Aerogellösung nicht in das Material, aus der die Wabenstruktur besteht, eindringt. Das Material, also die Wabenstruktur, soll an der Oberfläche beschichtet werden. Dies soll jedoch vollständig und mit guter Haftung erfolgen.
Wie aus den REM-Aufnahmen im Ausführungsbeispiel 2 (3 bis 8) hervorgeht, haftet das Aerogel auf der Oberfläche der Pappe. Pappe ist ein Material, aus dem eine Wabenstruktur erfindungsgemäß bestehen kann. Durch das eintauchen der Pappe in die Aerogellösung wird die Pappe von der Lösung nicht durchdrängt. Sie wird lediglich beschichtet, so dass die Materialeigenschaften der Pappe, also des Trägermaterials, selbst nicht verändert werden sondern erhalten bleiben.
Ausführungsbeispiel 3:
Aramid-Wabenstruktur mit super-flexiblen Silica-Aerogel
1. Ansetzen der Aerogellösung (Silca-Lösung):
Die Ausgangschemikalien Methyltrimethoxisiloxan (MTMS), Methanol, H₃O⁺ (zum Beispiel verdünnte HCl) und Cetyltrimethylammoniumchlorid (CTAC) wurden in einem Molmassenverhältnis von MTMS:Methanol 35:1, MTMS:H₃O⁺ von 4:1 und MTMS:Cetyltrimethylammoniumchlorid (CTAC) von ebenfalls 4:1 angesetzt und 180 Minuten unter ständigem Rühren bei Raumtemperatur zur Hydrolyse gebracht, anschließend erfolgte die Zugabe von Ammoniumhydroxid, durch welche die Gelation initiiert wurde. Typischerweise wurden 12,2 g MTMS in 100,24 g Methanol in einem Reagenzglas gelöst, danach wurden 2,034 g CTAC und 6,445 g einer 0,0001 M HCl-Lösung zugegeben. Das Reagenzglas wurde mit Aluminiumfolie abgedeckt, die Lösung 3 Stunden gerührt. Die Kondensationsreaktion wurde durch Zugabe von 12,533 g NH₄OH (28–30%) initiiert.
2. Befüllung der Wabenstruktur:
Nach dem Ansetzen wurde jeweils ein Stück HexWeb^® (Firma Hexcel, Belgien) (C1-6,4-24; C1-3,2-29) mit einer Größe von 3 × 3 cm in ca. 13 mL Silica-Lösung gelegt.
3. Gelation des Aerogels in der Wabenstruktur:
Die mit Aerogel-Lösungen gefüllten Aramid-Wabenstrukturen (HexWeb^®) wurden in dicht verschließbare Behälter aus Polypropylen (PP) gefüllt und gelierten in einem Ofen bei 50°C über fünf Tage.
4. Waschen des Verbundmaterials:
Nach fünf Tagen wurden die Behälter über weitere 5 Tage hinweg zum Waschen und zum Lösungsmittelaustausch geöffnet. Dazu wurde zweimal täglich die über den Aerogelen stehende Lösung entfernt und durch Ethanol ersetzt. Auf diese Weise wurden Methanol, Wasser und nicht abreagierte Ausgangsstoffe sowie alle Zusatzstoffe aus dem Gelkörper entfernt.
5. Trocknen des Verbundmaterials:
Anschließend wurden die Gele in einer Extraktionsanlage in Durchfluss mittels überkritischen CO₂ bei 90–100 bar getrocknet.
6. Resultate

Das Wabenmaterial ist nahezu perfekt benetzt. Eine Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der mit super-flexiblem Silica-Aerogel gefüllten Aramid-Wabenstruktur zeigt 12. Die gute Haftung des Aerogels auf dem Trägermaterial ist hier deutlich zu erkennen. Die mittlere Dichte des Verbundmaterials betrug 0,037 g/ccm und die Wärmeleitfähigkeit 0,034 W/mK. Die Ergebnisse der Kompressionstest (13) zeigen, dass der Verbundwerkstoff, im Vergleich zu reinen Stoffen, einen deutlich höheren elastischen Modul aufweist. Der Kompressionstest von super-flexiblem Silica-Aerogelen, Aramid-Wabenstrukturen und Verbundwerkstoffen in der Ebene (13a) und senkrecht zur Ebene (13b) ist in 13 gezeigt. In der nachfolgenden Tabelle 2 sind die Ergebnisse zusammengefasst: Tabelle 2:

Material	E-Modul, Mpa
Aramid-Wabenstrukturen	0.03–0.108 in der Ebene
Aramid-Wabenstrukturen	5.2–25.5 senkrecht zur Ebene
super-flexiblem Silica-Aerogel	0.0025
Verbundwerkstoff (Aramid-Waben gefüllt mit super-flexiblem Silica-Aerogel)	0.028–0.137 in der Ebene
	6.5–21.3 senkrecht zur Ebene

Ausführungsbeispiel 4:
Aramid-Wabenstruktur mit semi-flexiblen Silica-Aerogel
1. Ansetzen der Aerogellösung:
Die Ausgangschemikalien Methyltrimethoxisiloxan (MTMS) und (3-Glycidoxypropyl)-methyldiethoxysilan (GPTMS) wurden im Molmassenverhältnis MTMS:GPTMS = 0,25 vorgelegt. Das Verhältnis von MTMS:Methanol betrug 30:1, das von MTMS:H₃O⁺ 30:1 und das von MTMS:Cetyltrimethylammoniumchlorid (CTAC) = 0,071. Es wurde eine entsprechende Lösung angesetzt und 180 Minuten unter ständigem Rühren bei Raumtemperatur zur Hydrolyse gebracht, anschließend erfolgte die Zugabe von Diethylentriamin (DETA) im Verhältnis MTMS:DETA = 0,125, durch welche die Gelation initiiert wurde.
Beispielsweise wurden 14,64 g MTMS und 6,36 g GPTMS in 103,32 g Methanol gelöst. Danach erfolgte die Zugabe von 2,43 g CTAC und 58,11 g HCl. Im verschlossenen Reagenzglas wurde die Lösung 3 Stunden gerührt. Im letzten Schritt wurden 1,38 g DETA zur Lösung zugegeben.
2. Befüllung der Wabenstruktur:
Nach dem Ansetzen wurde jeweils ein Stück HexWeb^® (Firma Hexcel, Belgien) (C1-6,4-24; C1-3,2-29) in einer Größe von 3 × 3 cm in ca. 13 mL Silica-Lösung gelegt.
3. Gelation des Aerogels in der Wabenstruktur:
Die mit Lösungen gefüllten Aramid-Wabenstrukturen wurden in dicht verschließbare Behälter aus Polypropylen (PP) gefüllt und gelierten in einem Ofen bei 50°C über drei Tage.
4. Waschen des Verbundmaterials:
Nach fünf Tagen wurden die Behälterüber weitere 5 Tage hinweg zum Waschen und zum Lösungsmittelaustausch geöffnet. Dazu wurde zweimal täglich die über den Gelen stehende Lösung entfernt und durch Ethanol ersetzt. Auf diese Weise wurden Methanol, Wasser und nicht abreagierte Ausgangsstoffe sowie alle Zusatzstoffe aus dem Gelkörper entfernt.
5. Trocknen des Verbundmaterials:
Anschließend wurden die Gele in einer Extraktionsanlage in Durchfluss mittels überkritischen CO₂ getrocknet.
6. Resultat:

Die Wabenstruktur ist vollständig mit Silica-Aerogel ausgefüllt. Das Wabenmaterial wird nahezu perfekt benetzt. 14 zeigt eine Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der mit semi-flexiblem Silica-Aerogel gefüllten Aramid-Wabenstruktur. Die gute Haftung des semi-flexiblem Aerogels auf dem Trägermaterial ist deutlich zu erkennen. Die mittlere Dichte des Verbundmaterials betrug 0,092 g/ccm und die Wärmeleitfähigkeit 0,038 W/mK. Die Ergebnisse der Kompressionstest zeigen (15), dass der Verbundwerkstoff, im Vergleich zu reinen Stoffen, einen deutlich höheren elastischen Modul aufweist. Kompressionstest von semi-flexiblem Silica-Aerogelen, Aramid-Wabenstrukturen und Verbundwerkstoffen in der Ebene (15a) und senkrecht zur Ebene (15b). Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle 3 zusammengefasst: Tabelle 3:

Material	E-Modul, Mpa
Aramid-Wabenstrukturen	0,03–0,11 in der Ebene
Aramid-Wabenstrukturen	5,2–25,5 senkrecht zur Ebene
semi-flexibles Silica-Aerogel	0,074 unabhängig der Ebene
Verbundwerkstoff: (Aramid-Waben gefüllt mit semi-flexiblem Silica-Aerogel)	0,06–0,16 in der Ebene
	67–20,2 senkrecht zur Ebene

Ausführungsbeispiel 5:
Gemäß Ausführungsbeispiel 1 hergestellte Waben wurden mittels thermogravimetrischen Analysen, welche mit Infrarotspektroskopie gekoppelt waren, zur Bestimmung des thermischen Zersetzungsverhaltens durchgeführt.
Die thermogravimetrische Analyse (TGA), auch Thermogravimetrie genannt, ist eine analytische Methode bzw. Methode der thermischen Analyse oder Thermoanalytik, bei der die Masseänderung einer Probe in Abhängigkeit von der Temperatur und Zeit gemessen wird. Die Proben wurden in einem Ofen in einem Temperaturbereich von 26°C bis 1000°C erhitzt. Dabei wurde der Masseverlust bestimmt. Gleichzeitig wurde von den während des Erhitzens entstandenen Gasen eine Analyse mittels Infrarotspektroskopie durchgeführt.
10 zeigt die TGA-Kurven einer Aramidwabe ohne Aerogel (gestrichelte Linie) und einer Aramidwabe mit RF-Aerogel beschichtet (durchgezogene Linie) (hergestellt gemäß Ausführungsbeispiel 1).
Die TGA-Kurve von Aramidwaben (beschichtet mit Phenolharz) ohne Aerogel zeigte im gemessenen Temperaturbereich von 26 bis 1000°C einen Massenverlust von ca. 50%, wobei man 2 Stufen bei 100°C und 450°C erkennen konnte. Obwohl sich Aramid bei 500–550°C zersetzt (K. E. Perepelkin, Fibre Chemistry 35 (4), 265–269, 2003), sieht man anhand TGA-Kurve, dass die Zersetzung weiter bis 1000°C stattfindet. Das liegt möglicherweise an der Harzbeschichtung der Wabe. Bei mit Aerogel beschichteten Aramidwaben betrug der Massenverlust ca. 57%. Man erkennt einen leichten Abstieg im Bereich 100–400°C und eine Stufe bei 450°C.
IR-Spektren, aufgenommen während der Pyrolyse bei der TGA, zeigten die Zersetzungsprodukte, die dabei entstanden. Der Massenverlust entspricht am Anfang der Menge an entweichendem CO₂ und physikalisch absorbiertem Wasser (Peaks bei 2400 cm^–1, 3500 und 1800 cm^–1). In Tabelle 4 sind die Absorptionsbanden des Infrarotspektrums (IR-Absorptionsbanden) und die Zuordnung zu den chemischen Gruppen dargestellt, wie sie bei der Pyrolyse der Aramidwaben entstehen. Tabelle 5 zeigt die bei der Pyrolyse von mit RF-Aerogel gefüllten Aramidwaben zusätzlich auftretenden IR-Absorptionsbanden. Tabelle 4:

Bande [cm^–1] Gruppe

3900–3700 Wasser

3500 -N-H Valenzschwingung

2300, 695 CO₂

3000–2600 -C-H Valenzschwingung

1739 -C=O Valenzschwingung

1700–1500 N-H₂ Deformationsschwingung

Tabelle 5:

Bande [cm^–1] Gruppe

3015 CH₂ Streckschwingung

1081 C-O Streckschwingung

3619 O-H Valenzschwingung
Ausführungsbeispiel 6:
Pappwaben wurden analog zu Ausführungsbeispiel 1 mit einem RF-Aerogel beschichtet. Es wurden die gleichen thermogravimetrischen Analysen wie in Ausführungsbeispiel 5 durchgeführt. In 11 sind die TGA-Kurven von Papierwaben ohne Füllung (gestrichelte Linie) und Papierwaben mit Aerogelfüllung (durchgezogene Linie) dargestellt.
Die TGA-Kurve von Papierwaben ohne Aerogel zeigte im gemessenen Temperaturbereich von 26°C bis 1000°C einen Massenverlust von 83%. Diese findet in 2 Stufen bei 100°C und 300–400°C statt. Bei mit Aerogel gefüllten Papierwaben betrug der Massenverlust 39,9%. Man erkennt im Spektrum (12) einen leichten Abstieg im Bereich 100–300°C und weiterhin eine Stufe bei 350–400°C.
IR-Spektren, aufgenommen während der Pyrolyse der TGA-Messung, zeigen die Zersetzungsprodukte, die dabei entstanden sind. Der Massenverlust am Anfang entspricht CO₂ und physikalisch absorbiertem Wasser (Peaks im IR-Spektrum bei 2400 cm^–1 und bei 1800 cm^–1) (Wang Shurong et. al, Front. Energy Power Eng. China 1 (4), 413–419, 2007). Zwischen 300–400°C erscheinen mehrere Peaks. In Tabelle 6 sind die Signale (Banden) im IR-Spektrum der Papierwabe dargestellt. Tabelle 7 zeigt die bei den mit Aerogel gefüllten Waben zusätzlich auftretenden Signale. Tabelle 6:

Bande [cm^–1] Gruppe

3900–3500 Wasser

2175 CO

2300, 695 -CO₂ Valenzschwingung

1739 -C=O

1500–900 C-C und C-O

Tabelle 7:

Bande [cm^–1] Gruppe

3000 Aryl-H Valenzschwingung aromatischer Verbindungen

2175 C=C Valenzschwingung aromatischer Ringe

1300 -O-H Streckschwingung
Die Ergebnisse der Ausführungsbeispiele 5 und 6 zeigen, dass sich weniger Wabenmaterial zersetzt, wenn es mit Aerogel beschichtet ist.
Dabei ist zu beachten, dass die Proben für die Messungen nach der Füllung mit Aerogel geschnitten wurden, sodass an den Schnittstellen Wabenmaterial frei wurde. Diese Stellen sind somit ungeschützt und fangen während der Pyrolyse schneller beziehungsweise früher an sich zu zersetzen.
Ausführungsbeispiel 7:
Zur Bestimmung der Stabilität von mit Aerogel gefüllten Trägerstrukturen wurde eine Aramidwabe, wie sie auch ein Ausführungsbeispiel 1 eingesetzt wurde, in einem 3-Punkt-Biegeversuch auf ihre Biegefestigkeit untersucht. Ebenso wurde eine gemäß Ausführungsbeispiel 1 hergestellte mit RF-Aerogel gefüllte Aramidwabe im 3-Punkt-Biegeversuch auf ihre Biegefestigkeit hin untersucht.
Die Biegefestigkeit ist ein Wert für die Biegespannung in einem auf Biegung beanspruchten Bauteil. Wie die Biegefestigkeit überschritt, versagt das Bauteil in dem es bricht. Sie beschreibt somit den Widerstand eines Werkstücks, welcher seiner Durchbiegung oder seinem Bruch entgegengesetzt wird. Die Beigefestigkeit wird üblicherweise in einem Biegeversuch geprüft. Dabei wird häufig der 3-Punkt Biegeversuch eingesetzt. Beim 3-Punkt-Biegeversuch wird die Prüfprobe auf zwei Auflagen positioniert und in der Mitte mit einem Prüfstempel belastet.
Im 3-Punkt-Biegeversuch zeigte die Aramidwabe eine Biegefestigkeit von 1,04 N/mm². Die mit RF-Aerogel gefüllte Aramidwabe zeigte eine Biegefestigkeit von 1,78 N/mm². Die Biegefestigkeit der gefüllten Aramidwabe ist somit etwa 1,7 fach größer als die der nicht-gefüllten Aramidwabe.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011082087 A1 [0004]
DE 102004046495 A1 [0007]
DE 102013216965 [0018]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

K. E. Perepelkin, Fibre Chemistry 35 (4), 265–269, 2003 [0069]
Wang Shurong et. al, Front. Energy Power Eng. China 1 (4), 413–419, 2007 [0073]

Claims

Kernwerkstoff (1) aus einem Trägermaterial mit makroskopischen Hohlräumen, in welchem die Hohlräume mit einem Aerogel gefüllt sind.
Kernwerkstoff (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial einen offenzelligen oder offenporigen Schaum oder eine Wabenstruktur umfasst.
Kernwerkstoff (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wabenstruktur Papierwaben, Pappwaben, Aluminiumwaben, Aramidwaben oder Polymerwaben umfasst.
Kernwerkstoff (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial beschichtet ist.
Kernwerkstoff (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass er weiterhin wenigstens eine Materialschicht umfasst.
Kernwerkstoff (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialschicht ein Filter aus Vlies oder Papier umfasst.
Kernwerkstoff (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Dichte im Bereich von 0,1 bis 0,3 g/cm³ und/oder eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 0,04 bis 0,06 W/mK aufweist.
Sandwichstruktur (3) umfassend einen Kernwerkstoff (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Kernwerkstoff (1) zwischen zwei Deckschichten (2a, 2b) angeordnet ist.
Sandwichstruktur (3) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Deckschichten (2a, 2b) gleich oder voneinander verschieden sind.
Sandwichstruktur (3) nach Anspruch 9, umfassend eine tragende Haut, eine Außenhaut und einen zwischen der tragenden Haut und der Außenhaut angeordneter flammschützender Kern, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern ein Kernwerkstoff (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ist.
Sandwichstruktur (3) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschichten (2a, 2b) ausgewählt sind aus faserhaltigem Kunststoff oder Metall.
Sandwichstruktur (3) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der faserhaltige Kunststoff ausgewählt ist aus CFK, GFK, NFK oder AFK.
Sandwichstruktur (3) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall ausgewählt ist aus Aluminium oder Titan.