DE4411436A1 - Wärmedämmformteile - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Wärmedämmformteile für Kraftfahrzeuge mit Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere zur thermischen Isolierung von abgaseführenden Bauteilen im Motorraum und im Bereich der Abgasanlage.

Bislang bekannte Wärmedämmformteile für Kraftfahrzeuge mit Ver­ brennungskraftmaschinen bauen auf Blechteilen aus Stahl oder Aluminium auf, welche als Trägermaterial dienen und dem Form­ teil die notwendige Festigkeit verleihen. Zur Erzielung der notwendigen Wärmedämmwerte werden die Blechteile mit Glasfaser­ gewebe, Stahlwolle, Aluminiumwolle etc. verklebt oder verklam­ mert. Die Blechteile haben neben ihrer Funktion als Trägermate­ rial auch die Funktion eines Befestigungsteils.

Die Blechteile werden in der Regel mittels eines Umform- oder Tiefziehprozesses hergestellt, der um so aufwendiger ist, je komplizierter die Gestalt der Blechteile bzw. der Wärmedämm­ formteile selbst ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine neue Art von Wärmedämmform­ teilen vorzuschlagen, die einfacher und kostengünstiger her­ stellbar sind.

Diese Aufgabe wird durch Wärmedämmformteile gelöst, welche unter Verwendung einer aushärtbaren Formmasse hergestellt sind, welche ein hochtemperaturfestes Bindemittel, eine partikel­ förmige Komponente eines porenhaltigen Materials und eine faser- oder nadelförmige Verstärkungskomponente umfaßt.

Diese Wärmedämmformteile lassen sich problemlos als selbsttra­ gende Formteile herstellen.

Bevorzugt wird das Bindemittel eine eine Keramikmatrix bildende anorganische Reaktionsmischung umfassen, da Formteile dieser Art später problemlos mit dem Hausmüll beseitigt werden können oder aber - wie weiter unten noch beschrieben werden wird - im Zuge der Herstellung neuer Wärmedämmformteile recyclebar sind. Durch die Verwendung einer rein anorganischen Rezeptur läßt sich außerdem eine sehr umweltfreundliche Herstellung gewähr­ leisten.

Bevorzugt werden anorganische Reaktionsmischungen verwendet, die kalt aushärtend sind, da für solche Formmassen die Werkzeu­ ge aus Kunststoff oder Holz hergestellt werden können. Dies be­ deutet, daß eine teure Fertigung von metallenen Gießformen ver­ mieden werden kann.

Besonders geeignete Bindemittelsysteme sind in der DE 40 40 180 Al beschrieben. Die dort beschriebenen Formmassen - mit oder ohne Schaumbildner - eignen sich zwar nicht als Formmasse für die vorliegende Erfindung, da die so hergestellten Formteile der mechanischen Beanspruchung im Kfz nicht standhalten, jedoch hat sich überraschenderweise gezeigt, daß die Formmassen gemäß der DE 40 40 180 gut als Bindemittelsystem für die vorliegende Erfindung geeignet sind.

Eine bevorzugte anorganische Reaktionsmischung enthält Wasser­ glas, Kalilauge und Ofenfilterstaub aus der Korundherstellung. Dieser Staub entsteht, wenn Bauxit in großen Öfen aufgeschmolzen wird. Bei Temperaturen von ca. 2.2000 C wird aufgrund der entstehenden Thermik feinteiliges Material sowie verdampftes und wieder kondensiertes Material aufgewirbelt.

In den Filtern der Absaugung wird dieser Staub dann aufge­ fangen. Die chemische Zusammensetzung beträgt, je nach einge­ setztem Rohstoff (Bauxit), etwa

und eventuell weitere Spurenelemente. Die Korngröße variiert in großen Bereichen von etwa 0,1 µm bis 200 µm. Über die Zudosie­ rung der Kalilauge läßt sich die Aushärtezeit in weiten Berei­ chen, beispielsweise zwischen 5 Sek. und 1 Std., einstellen. Hierüber ist die Möglichkeit geschaffen, die Aushärtezeit opti­ mal an die bestehenden Fertigungsmöglichkeiten anzupassen.

Als Wasserglas wird vorzugsweise Natron-Wasserglas verwendet, da dieses nicht nur billiger als Kali-Wasserglas ist, sondern darüber hinaus noch den Vorteil bietet, daß die gebildete Keramikmatrix eine höhere mechanische Festigkeit und größere Temperaturbeständigkeit aufweist.

Die selbstaushärtende anorganische Reaktionsmischung, welche ein keramisches Material bildet, wird insbesondere deshalb bevorzugt, da sie eine Matrix bildet, die eine vergleichbare Festigkeit mit gesinterter Keramik aufweist.

Zur Beschleunigung des Aushärteprozesses der die keramische Ma­ trix bildenden anorganischen Reaktionsmischung kann eine Warm­ härtung bei etwa 70-80°C erfolgen.

An die partikelförmige Komponente aus porenhaltigem Material sind zunächst keine besonderen Anforderungen zu stellen, außer der, daß sie eine möglichst geringe thermische Leitfähigkeit aufweist. Insbesondere braucht die partikelförmige Komponente keine besondere mechanische Festigkeit, insbesondere keine gro­ ße Druckfestigkeit, aufzuweisen, und auch eine hohe thermische Stabilität wird von der partikelförmigen Komponente nicht ver­ langt. Im Falle, daß sich bei den im Motorraum herrschenden ho­ hen Temperaturen eine Veränderung der partikelförmigen Kompo­ nente ergibt, läßt dies im wesentlichen die Funktion des Wärme­ dämmformteils unberührt, da die die einzelnen Partikel umgeben­ de Matrix aus dem hochtemperaturfesten Bindemittel die Formhaltigkeit der Wärmedämmformteile sicherstellt und außerdem verhindert, daß sich gegebenenfalls bildende Fehlstellen innerhalb der Matrix zu größeren Hohlräumen zusammenschließen, so daß auch im ungünstigen Fall bei der Zerstörung der partikelförmigen Komponente in Folge der Temperatureinwirkung stets eine Struktur der Formteile, in der eine Vielzahl von Hohlräumen, die der thermischen Isolierung dienen, erhalten bleibt.

Bevorzugt jedoch werden partikelförmige, porenhaltige Materia­ lien verwendet, die auch den Hochtemperaturbedingungen im Mo­ torraum bzw. entlang des Abgassystems standhalten, wobei hier bevorzugt auf Glashohlkugeln, Blähglas, Vermikulit und/oder Perlit zurückgegriffen wird. Die Verwendung von Blähglas an­ stelle von Glashohlkugeln stellt keinerlei Probleme dar, da die Geschlossenporigkeit der Glashohlkugeln für die partikelförmi­ ge, porenhaltige Komponente nicht notwendig ist und die Offen­ porigkeit der Blähglaspartikel angesichts der normalerweise eingestellten Zähigkeit der Formmasse sich nicht störend aus­ wirkt. Blähglas ist außerdem wesentlich billiger als Glashohl­ kugeln. Vermikulit- und Perlitpartikel sind wegen ihrer sehr geringen Dichte bevorzugte Materialien, wobei Vermikulit auf­ grund seiner Schichtstruktur auch unter dem Gesichtspunkt einer verbesserten akustischen Dämmwirkung als partikelförmige Kompo­ nente ausgewählt werden kann.

Neben den Wärmedämmeigenschaften des partikelförmigen, poren­ haltigen Materials wird als Nebeneffekt die Möglichkeit ge­ nutzt, die Formteile mit einer relativ geringen spezifischen Dichte herzustellen, welche bevorzugt < 2 g/cm³, weiter bevor­ zugt 1,5 g/cm³ beträgt. Formteile mit solch niedriger spezi­ fischer Dichte können in großem Umfang zur Wärmedämmung einge­ setzt werden, ohne daß sie zu Gewichtsproblemen im Automobilbau führen.

Für die Verstärkungskomponente steht ebenfalls eine breite Pa­ lette von Verstärkungsmaterialien zur Verfügung, wobei unter faserförmigen Verstärkungskomponenten nicht nur Einzelfasern, sondern auch Faservliese, Fasergewebe, Gewirke oder dergleichen zu verstehen sind. Ebenso sind unter den nadelförmigen Verstär­ kungskomponenten auch Nadelvliese oder dergleichen zu verstehen.

Bevorzugt wird jedoch die nadel- bzw. faserförmige Verstär­ kungskomponente in die Formmasse in Form von Einzelfasern bzw. Einzelnadeln eingemischt. Als besonders geeignet haben sich na­ delförmiger Wollastonit, Glasfasern, Mineralfasern, Mineralwol­ le und/oder Metallfasern erwiesen.

Die Nadeln bzw. Fasern der Verstärkungskomponente sollten vor­ zugsweise eine Länge im Bereich von ca. 50 bis ca. 200 µm auf­ weisen. Die Untergrenze von ca. 50 µm ergibt sich dadurch, daß bei deutlich kürzeren Fasern keine Verstärkungswirkung mehr er­ zielt wird, während bei Fasern mit einer deutlich größeren Län­ ge als 200 µm das Mischen der Formmasse problematisch wird und ein Brechen der langen Fasern bei der Herstellung der Formmasse zu befürchten ist. Eine Ausnahme bilden hier Glas- und Metall­ fasern, die bis zu ca. 15 mm lang sein können.

Neben den zuvor beschriebenen, unabdingbaren Komponenten der Formmasse gemäß der vorliegenden Erfindung kann fakultativ in der Formmasse beispielsweise ein Füllstoff enthalten sein, der entweder zur Eigenschaftsverbesserung der Formteile oder aber einfach zur Verbilligung des Formmassenmaterials verwendet wer­ den kann.

Talkumpulver stellt beispielsweise einen bevorzugten Füllstoff dar, da es aufgrund seiner Plättchenstruktur die Elastizität des ausgehärteten Formmassenmaterials verbessert.

Glimmer kommt ebenfalls als Füllstoff in Frage und wird wegen seiner großen Hitzebeständigkeit geschätzt.

Ein besonders billiger Füllstoff ist Kalk, welcher insbesondere als Ersatzstoff zum Strecken der Formmasse Verwendung findet.

Als Füllstoffe für neu herzustellende Formteile eignet sich je­ doch auch ausgehärtetes und zerkleinertes Formteilmaterial selbst. Auf diese Weise können ausgebrauchte Formteile vollständig wiederverwendet werden und müssen nicht mit dem Müll entsorgt werden.

Bei den Füllstoffen wird vorzugsweise darauf geachtet, daß die Korngröße der Füllstoffpartikel von ca. 0 bis ca. 200 µm, bei einer möglichst breiten Korngrößenverteilung, reicht. Dies be­ deutet, daß eine sehr enge Verteilung innerhalb des Bereichs 0 bis 200 µm Korngröße vorzugsweise vermieden wird.

Die Formmasse kann ferner anorganische Pigmente enthalten, ins­ besondere in Form von Metalloxiden, wie z. B. Eisenoxide, Chrom­ oxide, etc.

Die Viskosität der Formmasse wird - unabhängig von der Art des verwendeten Bindemittels - vorzugsweise auf eine Viskosität von < 150 Pas eingestellt. Dies erlaubt nicht nur eine gute Verar­ beitung der Formmasse, sondern erlaubt auch ein schonendes Un­ termischen der faserförmigen oder nadelförmigen Verstärkungsma­ terialien.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Wärmedämmformteile liegen zum einen darin, daß sie keine tragende Struktur, wie z. B. Blechteile, benötigen und über leicht herzustellende Formen in nahezu beliebiger Ausgestaltung herstellbar sind. Gegenüber den bisherigen, auf Blechteilbasis aufgebauten Wärmedämmteilen wird eine wesentlich bessere, d. h. insbesondere glattere Oberfläche erzielt, und zur Aufwertung des optischen Erscheinungsbildes stehen sämtliche Gestaltungsmöglichkeiten offen. Da die Kfz-Hersteller immer mehr Wert auf eine ansprechende Gestaltung des Motorraumes legen, liegt hier ein wesentlicher Vorzug der erfindungsgemäßen Wärmedämmformteile gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten. Auch ist es sehr einfach möglich, die Formteil-Oberfläche akustisch günstig zu gestalten, zum Beispiel durch eine Waffel- oder Wabenstruktur.

Insgesamt ist das für die Herstellung der erfindungsgemäßen Wärmedämmformteile verwendbare Material kostengünstiger als bei den Formteilen gemäß dem Stand der Technik, und da die kompli­ zierte Herstellung von umgeformten oder tiefgezogenen Blechtei­ len entfällt, ergibt sich auch eine wesentlich kostengünstigere Herstellung, insbesondere auch deshalb, weil sich leicht her­ stellbare Kunststoff- und Holzwerkzeuge zur Herstellung der Formteile eignen.

Nur bei der Verwendung von Korund-Ofenfilterstaub ist in Ver­ bindung mit einer speziellen Rezeptur (s. u.) eine so schnelle Aushärtung gewährleistet, daß eine Großserienfertigung möglich ist (Beispiel 160.000 Teile/Jahr). Außerdem gewährleistet nur diese spezielle Rezeptur und die Verwendung von genau aufein­ ander abgestimmten Füllstoffen und Fasern eine so große Festigkeit und Rißzähigkeit, daß ein Einsatz in Kraftfahrzeugen (Vibrationen!) möglich ist.

Schließlich sei noch eine beispielhafte Rezeptur einer Formmas­ se für die Herstellung von erfindungsgemäßen Wärmedämmform­ teilen genannt:

Wichtig ist, daß das Bindemittel zusammen mit der Verstärkungs­ komponente eine ausreichend feste und schnell aushärtende Ma­ trix bildet, die den zum Teil heftigen Erschütterungen, die in Kraftfahrzeugen beim üblichen Betrieb auftreten, standhalten. Das partikelförmige, porenhaltige Material dient im wesentli­ chen lediglich der Verbesserung der Wärmedämmung, und es kann in vielen Fällen bereits ausreichend sein, wenn das partikel­ förmige, porenhaltige Material während der Verfestigung und Aushärtung der Formmasse Hohlräume in der Matrix bildet und freihält, während das Schicksal des partikelförmigen, porenhal­ tigen Materials beim Einsatz der Wärmedämmformteile im Kfz wäh­ rend der Betriebsdauer von geringerer Bedeutung ist, da auf­ grund der Festigkeit der Matrix die für die Wärmedämmung not­ wendigen Hohlräume auch erhalten bleiben, wenn das partikelför­ mige, porenhaltige Material sich im Laufe der Zeit verändert oder gar aus den Formteilen ausbrennen sollte. Dies bedeutet, daß anstelle der bereits zuvor genannten partikelförmigen, porenhaltigen Materialien jedes andere porenhaltige Material verwendet werden kann, das bis zum Zeitpunkt der Aushärtung der Formmasse stabil bleibt und so für die Bildung von porenförmi­ gen Hohlräumen in der Formmassenmatrix sorgt.

Die Wärmedämmformteile können Befestigungsmittel eingeformt oder eingebettet enthalten, die der Befestigung des Wärmedämm­ teiles als Abschirmung im Motorbereich oder Abgasbereich des Kfzs dienen. Befestigungsteile können insbesondere Metallteile mit eingearbeitetem Gewinde sein.

Zusätzlich können die Wärmedämmteile je nach Einsatzfall eine Beschichtung aufweisen, die durch ein metallisches Material oder aber durch Lacke gebildet werden kann. Die Beschichtung hat insbesondere die Funktion, die Strahlungsreflexion innen zu verbessern, um so zu einer noch besseren Wärmedämmung durch das Wärmedämmteil zu führen.

Besonders bevorzugte Wärmedämmformteile umfassen die Verstär­ kungskomponente in Form einer Fasermatte. Die Fasermatte wird mit einer Restformmasse getränkt und gegebenenfalls vor dem Aushärten geformt. Die Restformmasse enthält dabei nicht unbe­ dingt mehr Verstärkungsfasern oder -nadeln, jedoch die restli­ chen, eingangs definierten Bestandteile, wie Bindemittel und das porenhaltige Material.

Anhand der Zeichnung, welche ein besonders bevorzugtes erfindungsgemäßes Formteil in Schnittansicht zeigt, werden einige Aspekte der Erfindung noch näher erläutert.

Die Figur zeigt im Ausschnitt eine Schnittansicht, eines erfindungsgemäßen Wärmedämmbauteiles 10, welches aus einer mit einer erfindungsgemäßen Formmasse getränkten Fasermatte 12 besteht.

Als Fasermatte 12 wurde eine hochtemperaturbeständige Fasermatte (temperaturbeständig bis ca. 800 bis 1.000°C) aus Mineralwolle verwendet, welche kurzzeitig in eine sehr dünnflüssige Rezeptur für die Formmasse getaucht wurde. Alternativ könnte das Bindemittel in einer dickflüssigeren Rezeptur ein- oder beidseitig aufgebracht werden.

Die so erzeugte "nasse" Fasermatte wurde mit Hilfe einer Form in eine gewünschte Kontur gepreßt. Da die Matte aufgrund der Tränkung mit der Formmasse sehr flexibel ist, reichen hierfür einfachste Formen und geringste Drücke. Das keramische Bindemittel härtet bei Umgebungstemperatur in wenigen Minuten aus, das fertige Formteil kann der Form entnommen werden.

Bei dem in der Figur gezeigten Wärmedämmbauteil wurde über dem Formteilquerschnitt ein Formmassengradient erzeugt, d. h. die Anteile der Formmasse an der Gesamtmasse des Dämmbauteils sind an den Oberflächen 14 und 15 des Dämmbauteils 10 größer als im mittleren Bereich 16. Diese Verteilung der Formmasse über den Bauteilquerschnitt ermöglicht nicht nur die Einsparung an Formmasse bei der Herstellung der Dämmbauteile, sondern verbessert zum einen die thermischen Isolationseigenschaften und erstaunlicherweise auch die akustischen Dämmeigenschaften und ergibt natürlich ein geringeres Gewicht.

Darüber hinaus führt dies bei sparsamem Einsatz der Formmasse zu einer optisch akzeptablen Oberfläche und zu einer sehr geringen Aufnahme von Wasser und Öl durch das Bauteil 10.

Bei Bedarf kann zur Verbesserung der Strahlungsabschirmung eine Veredelung der Oberfläche vorgenommen werden.

Die Vorteile der Erfindung ganz allgemein liegen insbesondere in der Gestaltungsfreiheit bei der Formgebung der Dämmbauteile, in deren extrem hoher Festigkeit, deren geringem Gewicht, insbesondere bei Verwendung von Fasermatten als Verstärkung und/oder Trägermaterial für die zu verwendende Formmasse, eine hohe Temperaturbeständigkeit, gute Wärmedämmeigenschaften und gute akustische Dämmeigenschaften.

Insbesondere ist herauszuheben, daß bislang erstmalig ein zur Tränkung von Fasermatten geeignetes Formmassematerial vorgeschlagen wird, welches extrem temperaturbelastbar ist, d. h. bis zu 1.000°C temperaturbeständig bleibt und das außerdem bei Umgebungstemperatur in wenigen Minuten aushärtbar ist und deshalb eine Großserienfertigung der Dämmbauteile erlaubt.

Claims (16)

1. Wärmedämmformteile für Kraftfahrzeuge mit Verbrennungs­ kraftmaschinen, insbesondere zur thermischen Isolierung von abgaseführenden Bauteilen, wobei die Formteile unter Verwendung einer sehr schnell aushärtbaren Formmasse her­ gestellt sind, welche ein hochtemperaturfestes Bindemit­ tel, eine partikelförmige Komponente eines porenhaltigen Materials und eine Faser oder nadelförmige Verstärkungs­ komponente umfaßt.

2. Formteile nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel eine eine Keramikmatrix bildende anorga­ nische Reaktionsmischung umfaßt.

3. Formteile nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die anorganische Reaktionsmischung selbständig aushärtend ist, wobei durch eine exotherme Reaktion Temperaturen bis 80°C entstehen.

4. Formteile nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die anorganische Reaktionsmischung Wasserglas, KOH und Ofenfilterstaub der Korund-Herstellung umfaßt.

5. Formteile nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasserglas im wesentlichen aus Natron-Wasserglas be­ steht.

6. Formteile nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die partikelförmige Komponente aus po­ renhaltigem Material, Glashohlkugeln, Blähglas, Vermiku­ lit und/oder Perlit umfaßt.

7. Formteile nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ihre spezifische Dichte < 2 g/cm³, vor­ zugsweise < 1,5 g/cm³ beträgt.

8. Formteile nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Verstärkungskomponente nadelförmi­ gen Wollastonit, Glasfasern, Mineralfasern, Mineralwolle und/oder Metallfasern umfaßt.

9. Formteile nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Nadeln bzw. Fasern der Verstärkungskomponente eine Länge im Bereich von ca. 50 bis ca. 200 µm, im Falle von Glas- und Metallfasern bis ca. 15 mm aufweisen.

10. Formteile nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Formmasse ferner einen Füllstoff enthält.

11. Formteile nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff Talkum, Glimmer, Kalk und/oder recycliertes Formteilmaterial in Pulverform umfaßt.

12. Formteile nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeich­ net, daß die Korngröße des Füllstoffs von 0 bis ca. 200 µm bei einer breiten Korngrößenverteilung reicht.

13. Formteile nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Formmasse anorganische Pigmente, insbesondere auf der Basis von Metalloxiden, umfaßt.

14. Formteile nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Viskosität der Formmasse 150 Pas beträgt.

15. Formteile nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Formteil die faser- oder nadelför­ mige Verstärkungskomponente als eine hochtemperaturfeste Fasermatte umfaßt, welche mit der sehr schnell aushärt­ baren Restformmasse getränkt und noch vor dem Aushärten der Formmasse modelliert wurde.

16. Formteile nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die oberflächennahen Bereiche der Formteile einen höheren Formmassenanteil umfassen, als von der Oberfläche entfernt liegende.