DE4235748A1

DE4235748A1 - Syntaktischer Preßschaum

Info

Publication number: DE4235748A1
Application number: DE19924235748
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Burger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-10-23
Filing date: 1992-10-23
Publication date: 1994-04-28

Description

Die Erfindung betrifft einen syntaktischen Schaum aus Mikrohohlkörpern, die durch einen Matrixkleber miteinander in Verbindung gehalten sind.

Syntaktische Schäume dieser Art gehören bereits zum Stand der Technik, wie z. B. in der DE-OS 34 36 592 A1 offenbart. In zunehmendem Maße werden in der Technik syntaktische Schäume eingesetzt welche im wesentlichen aus einer Kunststoffmatrix und beigemischten organischen oder/und anorganischen Mikrohohlkugeln bestehen und die in das Gebiet der geschlossenzelligen weichen bis harten Schäume gehören.

Die Vorteile dieser Schäume gegenüber den chemisch oder physikalisch getriebenen Schäumen sind hauptsächlich die hervorragende Gleichmäßigkeit der Struktur, die besonders gefordert wird beim Ausschäumen von Hohl räumen oder der Herstellung geometrisch kleiner Teile, z. B. bei Volumina von kleiner als 10 ml. Zugleich läßt sich bei diesen Schäumen eine hohe Druck festigkeit erreichen. Eine einschränkende Grenze besteht bei solcher Art syntaktischen Schäumen darin, daß bei der üblicherweise notwendigen Wasserdichtigkeit die zwischen Hohlkugeln vorhandenen Zwickel von der verbinden den Matrix völlig gefüllt sein müssen. Die praktische Grenze liegt bei einem Mindestraumgewicht von etwa 450 kg/m³, was zwangsläufig bedeu tet, daß diese Schäume extrem druckfest sein können und sich demzufolge für Tiefseeanwendung gut eignen. Für die Anwendung im Hochfrequenz bereich sind derartige Schäume dagegen ungeeignet, da sie eine unerwünscht hohe relative Dielektrizitätszahl aufweisen.

In der DE-OS 34 36 592 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines syntaktischen Schaumkunststoffes mit einem Kunststoffpolymer als Träger substanz beschrieben. Darin ist an Anwendungsfälle, z. B. als Aderisolierung, gedacht, die die Verwendung von physikalischen oder chemisch hochverzellten Schaumkunststoffen ausschließen, da diese nicht wasserdicht, bei freiem Aufschäumen nicht formgenau und von geringer und ungleichmäßer Festigkeit sind. Zur Herstellung des syntaktischen Schaumstoffs gemäß der DE-OS 34 36 592 A1 wurde davon ausgegangen, daß feinpulvrige Kunststoffpolymere auf dem Markt sind, deren Partikel expandierbare Hohlkörper darstellen, die nach dem Aufschäumen eine Volumenvergrößerung etwa um das Vierzig- bis Sechzigfache ihres Ausgangsvolumens erfahren und eine elastische Wandung besitzen. Bei dem beschriebenen Herstellungsverfahren wird das Kunststoff polymer in Granulat- oder Pulverform mit expandierbaren Mikrohohlkörpern (räumliche Ausdehnung = 10 µm) in Pulverform gemischt, in einem Extruder homogenisiert, dabei mindestens auf die Expansionstemperatur der Hohlkörper erwärmt und mittels geeigneter Spritzköpfe in die gewünschten Formen ex trudiert.

Das Verfahren liefert einen verschäumten Kunststoff aus einem geschlossen zelligen, syntaktischen Schaum. Die Zellwände der Hohlkörper, die weitgehend Kugelform annehmen, bleiben fast durchweg erhalten. Dabei werden Ver schäumungsgrade bis zu 80 Volumenprozent erreicht. Eine Erhöhung des Verzellungsgrades über die dichteste Kugelpackung von etwa 80 Volumen prozent hinaus wird hier dadurch erreicht, daß die als Trägersubstanzen verwendeten Kunststoffpolymere physikalisch oder chemisch verzellbare Kunst stoffpolymere sind, weil hierbei die die Zwickel der dichtesten Kugelpackung ausfüllende Trägersubstanz ebenfalls noch zum Verzellungsgrad beiträgt; denn zusätzlich zu den Mikrohohlkugeln werden in die Zwickel Treibmittel ein gebracht, d. h., die Zwickelmasse wird durch Schaumbildung reduziert. Doch auch bei derartigen Schaumkunststoffen wird eine Gewichtsgrenze, die sich im wesentlichen durch die ausgefüllten Zwickel ergibt, nicht unterschritten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Schaum der eingangs genannten Art mit bedeutend verringertem Gewicht bereitzustellen. Darüber hinaus soll der Schaum geschlossenzellig, wasserdicht, lösungsmittelbeständig und feinporig sein. Erreicht wird dies bei einem Schaum dadurch, daß die Mikrohohlkörper polyedrisch verformt werden und unter weitgehender Vermei dung von Zwickeln durch den Matrixkleber flächig aneinandergehalten sind. Dieser Schaum erfüllt die obengenannten Anforderungen. Er weist Raum gewichte von ca. 25-300 kg/m³ auf und hat dabei eine völlig gleich mäßige mikrofeine Struktur. Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des Schaumes ist gegeben, wenn dessen Mikrohohlkörper (durch Verformung in Verbindung mit Matrixkleber unter äußerer Druckeinwirkung entstandene) polyedrische Mikrohohlkörper sind und wenn der Matrixkleber den Zustand polyedrischer Form der Mikrohohlkörper entgegen deren Rückstellkraft auf rechterhält.

Sind die Hohlkörper aus Polymeren wie Polyvinylidenchlorid oder Polyvinyl idenfluorid oder Polymethylmethacrylat gebildet, so ist dies wegen der Dünn wandigkeit und Elastizität dieser Hohlkörper vorteilhaft, da ein derart ausgeführter Schaum besonders leicht, elastisch und doch stabil ist. Wenn als Matrixkleber ein reaktives Polymer verwendet ist, so sind hierdurch die physikalischen Eigenschaften des Schaums, insbesondere sein Härtegrad, in gewünschter Weise beeinflußbar. Mit Epoxiden oder Polyurethan als Matrix kleber ist der Härtegrad von gummielastisch bis hartspröde variierbar. Zudem lassen sich diese Polymere günstig verarbeiten und bringen keine Geruchsbe lästigung mit sich. Hinsichtlich der Handhabung ist es auch günstig, wenn der Matrixkleber ein Schmelzkleber ist, da ein solcher auch in Stangenform lieferbar und mit einer Klebepistole auf einfache Weise verarbeitbar ist. Durch entsprechende Dosierung des Klebers kann die Härte des Schaums in gewis sen Grenzen variiert werden.

Um besondere Festigkeit und Elastizität des Schaums zu erzielen, erweist es sich als günstig, wenn der Schaum faserige Füllstoffe enthält.

Aus ästhetischen Gründen oder zur Unterscheidung kann eine Farbgebung des Schaums gewünscht sein, die ohne Schwierigkeit erreicht wird, wenn der Schaum einen Farbstoff enthält. Für brandgefährdete Anwendungsgebiete er weist es sich als zweckmäßig vorzusehen, daß der Schaum ein Flammschutz mittel, z. B. ein Halogen oder Hydrat, enthält.

Die Herstellung des oben beschriebenen syntaktischen Schaums erfolgt erfindungsgemäß in den folgenden Schritten, wonach einem Gemisch mit Mikrohohlkörpern ein Matrixkleber beigemengt wird und dann dieses Gemisch mit dem Matrixkleber zur polyedrischen Verformung der Mikrohohlkörper gewalkt wird und sich diesem Herstellungsschritt eine Phase zur Aushärtung des gewalkten Gemisches anschließt. Der Schaum läßt sich gemäß dem beschriebenen Verfahren wirtschaftlich zu plattenförmigem Halbzeug herstellen und ist außerdem zum Füllen von Formteilen geeignet. Um Schaumstoffteile in gewünschter Gestalt zu erreichen, ist es zweckmäßig, wenn das gewalkte Gemisch zum Aushärten in eine Form gebracht wird. Je nach dem für den Schaum vorgesehenen Anwendungsfall kann eine unterschiedliche Festigkeit erforderlich sein, die auf einfache Weise in einem weiten Bereich dadurch erreichbar ist, daß auf das gewalkte Gemisch beim Aushärten in der Form zumindest kurzzeitig ein äußerer Druck aufgebracht wird.

In vielen Fällen stellt sich die Aufgabe, Hohlräume wasserdicht auszu schäumen. Mit dem auf beschriebene Weise herstellbaren Schaum läßt sich diese Aufgabe einfach dadurch erreichen, daß das gewalkte Gemisch in einen Hohlraum eingebracht wird und darin aushärtet. Als problematisch bei der Hohlraumausfüllung kann es sich erweisen, wenn der Hohlraum nur durch eine kleine Öffnung zugänglich ist. Eine Hohlraumausschäumung läßt sich dennoch gut in der Weise durchführen, daß das gewalkte Gemisch mit erhöh tem Druck durch die Öffnung in den Hohlraum eingespritzt wird, in dem es dann aushärtet. Im Vergleich hierzu bringt z. B. ein Ausschäumen mit dem ebenfalls als Leichtschaum unter einem Raumgewicht von ca. 200 kg/m³ bekannten Polyurethan-Schaum den Nachteil mit sich, daß dieser nicht wasserdicht ist und eine grobe Struktur aufweist. Eine bevorzugte Ausführung für großvolumige Hohlraumfüllung ist gegeben, wenn ein als Ausgangsstoff verwendetes Mikrohohlkörpergemisch Schaumpartikel und, oder Mikrohohl kugeln aufweist.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeich nung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen syntaktischen Schaumes, wie er sich bei mikroskopischer Aufnahme ergibt;

Fig. 2 einen Ausschnitt eines bekannten syntaktischen Schaum kunststoffes in stark vergrößert er Darstellung.

Zur Verdeutlichung der Erfindung wird zunächst ein zum Stand der Technik gehörender syntaktischer Schaumkunststoff beschrieben, wie er in Fig. 2 dargestellt ist. Fig. 2 zeigt einen stark vergrößerten Ausschnitt des bereits bekannten syntaktischen Schaumkunststoffes mit einem Verzellungsgrad von ca. 80 Volumenprozent. Bei diesem weisen die einzelnen Hohlkörper 1, deren Wandung 4 aus einem vernetzten, elastischen Kunststoff besteht, praktisch die dichteste Kugelpackung auf, bei der sich die einzelnen, nahezu kugelförmigen Hohlkörper 1 untereinander berühren und bei der sich die Trägersubstanz 2 nur in den von Kugeln gebildeten Zwickeln 3 befindet. Die in diesen Zwickeln 3 befindliche Trägersubstanz 2 befindet sich ebenfalls in einem verzellten Zustand. Die einzelnen von der Trägersubstanz 2 umschlossenen Gas blasen sind mit 5 bezeichnet. Man erkennt, daß dadurch der Gasanteil des Schaumkunststoffes und damit der Verzellungsgrad noch gegenüber dem Zustand der dichtesten Kugelpackung vergrößert ist. Auf diese Weise ist ein Verzellungsgrad von nahezu 90 Volumenprozent erzielbar, wobei der Schaum kunststoff weiterhin als geschlossenporig angesehen werden kann, also auch wasserdicht ist.

Beim erfindungsgemäßen, in Fig. 2 ausschnittsweise stark vergrößert darge stellten syntaktischen Schaum sind die Mikrohohlkörper 1 polyedrisch geformt und untereinander durch einen Matrixkleber 2 flächig aneinandergehalten, wobei Zwickel zwischen den Mikrohohlkörpern 1 weitgehend vermieden sind.

Der Ausdruck flächig ist hier im Sinne von großflächig, bezogen auf die Größe der Mikrohohlkörper 1, zu verstehen, d. h., er beinhaltet nicht die Berührungsfläche der Mikrohohlkugeln gemäß Fig. 2, die sich nahezu punkt förmig bzw. bezogen auf die Hohlkugelgröße äußerst kleinflächig berühren.

Die polyedrisch geformten Mikrohohlkörper 1 sind durch Verformung mit dem Matrixkleber 2 unter äußerer Druckeinwirkung entstandene Mikrohohl körper 1. Der Matrixkleber 2 hält den Zustand polyedrischer Form der Mikrohohlkugeln entgegen deren Rückstellkraft aufrecht.

Der syntaktische Schaum gemäß Fig. 1 ist in folgenden Schritten herstellbar: Einem Gemisch aus Mikrohohlkugeln 1 wird Matrixkleber 2 beigemengt und dieses Gemisch mit dem Matrixkleber 2 wird dann zur polyedrischen Verfor mung der Mikrohohlkugeln 1 gewalkt. Dem Walkvorgang schließt sich eine Phase zur Aushärtung des gewalkten Gemisches an.

Dabei können als Matrixkleber sowohl reversible Kleber, z. B. Heißsiegelkleber, als auch irreversible Kleber, wie reaktive Kleber auf Basis von Polyurethan, Harnstoff-Formaldehyd-Harz, ungesättigte Polyester, Epoxide, Polymethyl methancrylate und ähnliches verwendet werden. Diese verwendeten Klebe systeme sollen während der Verarbeitung weitgehend flüssig sein, da die viskose Oberflächenschmierung ein gegenseitiges Gleiten der Hohlkugeln 1 erlaubt, was schließlich ermöglicht - im Gegensatz zu Polystyrolschaum - diesen erfindungsgemäßen halbfertigen Schaum durch Düsen in geschlossene Formen oder Hohlräume zu pressen.

Durch die Auswahl und geeignete Formulierung der Klebesysteme kann vorbestimmt werden, ob der Schaum nach Einpressen in Hohlräume an den Wänden kleben soll, wie z. B. beim Versiegeln elektronischer Baugruppen notwendig, oder sich von den Oberflächen lösen soll, wie beim Herstellen von Halbzeug oder von Formteilen aus Schaum.

Werden Heißsiegelkleger verwendet, so sind die oberflächenbeschichteten Hohlkugeln so zu erwärmen, daß der Kleber zum Einspritzen in einen Hohl raum viskos wird. Die gleich vorbehandelten Hohlkugeln können aber auch in Formen gepreßt werden und dann kurzfristig bis zur Siegeltemperatur, z. B. im Hochfrequenzfeld, erwärmt werden. Nach Abkühlung ist der stabile Schaum körper entformbar. Werden reaktive Kleber verwendet, so nimmt man vorzugsweise bei Raumtemperatur flüssige Systeme. Vernetzen diese Systeme bei Raumtemperatur, so ist die verarbeitbare Mischung kurz vor der Verarbei tung aufzubereiten. Da man Klebesysteme verwenden kann, die Topfzeiten von Stunden oder Tagen haben, ist dies kein Problem, vor allem, weil sich eine Beschichtung der Hohlkörper in wenigen Minuten im Schnellmischer und Kneter herstellen läßt.

Bei der Herstellung von großen Teilen oder Halbzeug, bei der ein Fließen der aufbereiteten Masse nur in geringem Maß erfolgt, kann auch mit Beschichtungen gearbeitet werden, die bei Raumtemperatur trocken sind und bei Temperatureinwirkung bei der Verarbeitung schmelzen und verkleben.

Der erfindungsgemäße Schaum kann durch Abstimmung von Volumen und Verarbeitungsdruck in sehr engen Dichtegrenzen hergestellt werden.

Sollen aus physikalischen, chemischen oder wirtschaftlichen Gründen Hohl kugeln aus Glas verwendet werden, so können Schäume auch nach der erfin dungsgemäßen Methode hergestellt werden, die jedoch wegen der beschränk ten Verformbarkeit Restzwickel aufweisen können und deshalb nicht genügend wasserdicht sind.

Werden weichhäutige mit harthäutigen Hohlkugeln zu Hybriden vermischt angewandt, so ergeben sich harte und doch wasserdichte Schäume.

Claims

1. Syntaktischer Preßschaum mit Mikrohohlkörpern (1), die durch einen Matrix kleber (2) miteinander in Verbindung, gehalten sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrohohlkörper polyedrisch geformt sind und unter weitgehender Re duzierung von Zwickeln (3) durch den Matrixkleber flächig aneinandergehalten sind.

2. Syntaktischer Preßschaum nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dessen Mikrohohlkörper (1) durch Verformung in Verbindung mit dem Matrix kleber (2) unter äußerer Druckeinwirkung entstandene polyedrische Mikrohohl körper (1) sind, und daß der Matrixkleber (2) den Zustand polyedrischer Form der Mikrohohlkörper (1) entgegen deren Rückstellkraft aufrechterhält.

3. Syntaktischer Preßschaum nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrohohlkörper (1) durch Polyvinylidenchlorid, Polyvinylidenfluorid, Polymethylmethacrylat oder andere Polymere oder anorganische Werkstoffe gebil det sind.

4. Syntaktischer Preßschaum nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Matrixkleber ein reaktives Polymer (2) verwendet ist.

5. Syntaktischer Preßschaum nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Matrixkleber (2) ein Schmelzkleber ist.

6. Syntaktischer Preßschaum nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaum faserige Füllstoffe enthält.

7. Syntaktischer Preßschaum nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaum einen Farbstoff enthält.

8. Syntaktischer Preßschaum nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaum ein Flammschutzmittel enthält.

9. Verfahren zur Herstellung eines syntaktischen Preßschaums nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß einem Gemisch mit Mikrohohlkörpern (1) ein Matrixkleber (2) beigemengt wird, daß dann dieses Gemisch mit dem Matrixkleber (2) zur polyedrischen Verformung der Mikro hohlkörper (1) gewalkt wird, und daß sich diesem Herstellungsschritt eine Phase zur Aushärtung des gewalkten Gemisches anschließt.

10. Verfahren zur Herstellung eines syntaktischen Preßschaums nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das gewalkte Gemisch zur Aushärtung in eine Form gegeben wird.

11. Verfahren zur Herstellung eines syntaktischen Preßschaums nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß auf das gewalkte Gemisch in der Form zumindest kurzzeltig ein äußerer Druck aufgebracht wird.

12. Verfahren zur Herstellung eines syntaktischen Preßschaums nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das gewalkte formbare Gemisch in einen Hohlraum eingebracht wird, in dem es aushärtet.

13. Verfahren zur Herstellung eines syntaktischen Preßschaums nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das gewalkte Gemisch durch eine Öffnung in den Hohlraum eingespritzt wird, in dem es dann aushärtet.

14. Verfahren zur Herstellung eines syntaktischen Preßschaums nach einem der vorangegangenen Ansprüche 9-13, dadurch gekennzeichnet, daß als Matrixkleber ein viskoser Kleber (2) verwendet wird.

15. Verfahren zur Herstellung eines syntaktischen Preßschaums nach einem der vorangegangenen Ansprüche 9-14, dadurch gekennzeichnet, daß das als Ausgangsstoff verwendete Mikrohohlkörpergemisch Mikrohohlkugeln oder Schaumpartikel aufweist.