DE69632471T2

DE69632471T2 - Mikrozellulare schaumstoffe enthaltend ein infrarot dämpfungsmittel und verfahren zu deren verwendung

Info

Publication number: DE69632471T2
Application number: DE69632471T
Authority: DE
Inventors: W. Kyung SUH; Michio Yamada; D. Creston SHMIDT; D. Daniel IMEOKPARIA
Original assignee: Dow Global Technologies LLC
Current assignee: Dow Global Technologies LLC
Priority date: 1995-04-27
Filing date: 1996-03-15
Publication date: 2005-05-19
Anticipated expiration: 2016-03-16
Also published as: MX9708232A; EP0856027A1; EP0856027A4; ATE266699T1; JP3779324B2; WO1996034039A1; US5679718A; EP0856027B1; US5854295A; DE69632471D1; JPH11504359A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf evakuierte und nicht-evakuierte mikrozelluläre Schäume, welche ein Infrarot-Dämpfungsmittel enthalten, und ein Verfahren zu ihrer Verwendung.
Mikrozelluläre Schäume haben potentiellen kommerziellen Wert zur Benutzung bei Isolieranwendungen. Solche Schäume haben eine Zellgröße, die von 70 Mikrometer oder weniger in der Durchschnittszellgröße reicht. Schäume können aus einer Vielzahl von organischen und anorganischen Substanzen, wie thermoplastischen Polymeren, hitzegehärteten Polymeren, Silicataerogelen, Keramikmaterialien und Glas geformt werden.
Bei einem Isolierschaum ist es erwünscht, die Wärmeleitfähigkeit zu minimieren oder die Isolierfähigkeit zu maximieren. Ein Mittel, um dies durchzuführen, ist der Einbau eines Infrarot-Dämpfungsmittels (IAA) in den Schaum. Geeignete IAA schließen teilchenförmige Flocken von Metallen wie Aluminium, Silber und Gold; kohlenstoffhaltige Substanzen wie Ruß und Graphit sowie bestimmte nicht-kohlenstoffhaltige Substanzen wie Titandioxid ein. Ein solcher Einbau des Standes der Technik ist in den US-Patenten Nr. 4 795 763, 5 210 105 und 5 373 026 ersichtlich.
In der vorliegenden Erfindung wurde überraschenderweise gefunden, daß bei Einbau von IAA in evakuierte mikrozelluläre Schäume von Zellgrößen von 70 Mikrometer oder weniger die Wärmeleitfähigkeit des Schaumes um einen signifikant größeren Anteil reduziert wurde als in Schäumen, welche größere Durchschnittszellgrößen haben. Diese größere proportionale Reduzierung wird besonders beobachtet beim Vergleich der Reduzierung in evakuierten mikrozellulären Schäumen im Vergleich zu der Reduzierung bei nicht-evakuierten geschlossenzelligen Isolierschäumen von Zellgrößen, die kommerziell verkauft wer den (0,1 bis 2,0 Millimeter). Weiterhin wurde überraschenderweise gefunden, daß der Einbau von IAA in nicht-evakuierte mikrozelluläre Schäume von Zellgrößen von 1,0 Mikrometer oder weniger die Wärmeleitfähigkeit um einen signifikant größeren Anteil reduzierte als in nicht-evakuierten geschlossenzelligen Isolierschäumen von 0,1 bis 2,0 Millimeter Zellgröße, die kommerziell vertrieben werden.
Die Merkmale der vorliegenden Erfindung sind besser unter Betrachtung der Zeichnung zusammen mit dem restlichen Teil der Beschreibung zu verstehen.
1 erläutert die Wärmeleitfähigkeit gegenüber der Zellgröße für die Schäume von Beispiel 6 und Vergleichsbeispiel 6.
Weiterhin liegt gemäß der vorliegenden Erfindung ein evakuierter mikrozellulärer Schaum, welcher ein IAA umfaßt, vor. Das IAA ist in einer ausreichenden Menge vorhanden, um die Wärmeleitfähigkeit des Schaumes relativ zu einem entsprechenden Schaum ohne das IAA zu reduzieren. Der mikrozelluläre Schaum hat eine Durchschnittszellgröße von 70 Mikrometer oder weniger.
Weiterhin liegt gemäß der vorliegenden Erfindung ein evakuierter oder nicht-evakuierter mikrozellulärer Schaum vor, welcher ein IAA umfaßt. Das IAA ist in einer ausreichenden Menge vorhanden, um die Wärmeleitfähigkeit des Schaumes relativ zu einem entsprechenden Schaum ohne das IAA zu reduzieren. Der mikrozelluläre Schaum hat eine Durchschnittszellgröße von 1,0 Mikrometer oder weniger.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist diese ein Verfahren zur Isolierung einer Oberfläche oder eines Gehäuses durch Auftragen von irgendeinem der oben genannten mikrozellulären Schäume auf die Oberfläche oder das Gehäuse.
In der vorliegenden Erfindung wurde ein Infrarot-Dämpfungsmittel in die mikrozellulären Schäume zur Absorption oder Reflexion eines Teiles oder der Gesamtmenge der Strah lungskomponente von Wärmeübergang, welche durch den Schaum durchtreten könnte, zu absorbieren.
Ein überraschender Aspekt der Erfindung liegt darin, daß der Einbau des IAA in einen mikrozellulären Schaum eine signifikant größere proportionale Reduzierung der Schaum-Gesamtwärmeleitfähigkeit relativ zu einem entsprechenden (im wesentlichen äquivalente Durchschnittszellgröße und Dichte) mikrozellulären Schaum ohne das IAA liefert, als in einem Schaum von größerer Durchschnittszellgröße mit IAA relativ zu einem entsprechenden Schaum von größerer Zellgröße ohne IAA. Anders ausgedrückt, das IAA induziert eine größere proportionale Reduzierung der Schaum-Gesamtwärmeleitfähigkeit in mikrozellulären Schäumen als in Schäumen von größerer Durchschnittsgröße. Die größte proportionale Reduzierung tritt bei evakuierten Schäumen von Zellgrößen von 70 Mikrometer oder weniger und in nicht-evakuierten (unevakuierten) und evakuierten Schäumen von Zellgrößen von 1,0 Mikrometer oder weniger auf.
Evakuierte mikrozelluläre Schäume der vorliegenden Erfindung haben eine Durchschnittszellgröße von 70 Mikron oder weniger, bevorzugt 1 bis 30 Mikrometer, mehr bevorzugt 1 bis 20 Mikrometer und am meisten bevorzugt 1 bis 10 Mikrometer.
Nicht-evakuierte mikrozelluläre Schäume der vorliegenden Erfindung haben eine Durchschnittszellgröße von 1,0 Mikrometer oder weniger und bevorzugt 0,05 bis 1,0 Mikrometer.
Ein evakuierter Schaum ist ein Schaum, welcher innerhalb seiner offenen Zellen ein partielles Vakuum oder ein nahezu Gesamtvakuum von unteratmosphärischem absolutem Druck besitzt. Ein evakuierter Schaum hat bevorzugt einen Absolutdruck von 1333,2 Pa (10 Torr) oder weniger, mehr bevorzugt 133,32 Pa (1 Torr) oder weniger und am meisten bevorzugt 13,332 Pa (0,1 Torr) oder weniger.
Ein nicht-evakuierter (unevakuierter) Schaum ist ein Schaum, der innerhalb seiner offenen oder geschlossenen Zellen einen atmosphärischen Druck aufweist.
Für Zwecke der vorliegenden Erfindung ist der Ausdruck "mikrozellulärer Schaum" so zu verstehen, daß er mikroporöse Schäume einschließt. Mikroporöse Schäume sind solche Schäume, welche keine definierte Zellstruktur haben, die jedoch einen durchschnittlichen Durchmesser der Leerräume von 70 Mikrometer oder weniger und einen Gehalt an Leerräumen von 90% oder mehr haben. Mikroporöse Schäume sind in den US-Patenten Nr. 4 473 665 und 4 673 695 gezeigt.
Bei Polystyrol-Isolierschäumen von konventioneller Zellgröße, d. h. 0,1 bis 2,0 Millimeter, wurde beobachtet, daß der Einbau eines IAA die Schaumwärmeleitfähigkeit um 10 bis 15% herabsetzt. Überraschenderweise wurde bei den mikrozellulären Schäumen der vorliegenden Erfindung beobachtet, daß der Einbau eines IAA die Schaumwärmeleitfähigkeit bis zu 70%, d. h. eine sehr viel größere Herabsetzung, in bestimmten Zellgrößenbereichen herabsetzt.
Das Infrarot-Dämpfungsmittel (IAA) kann eine Infrarot reflektierende oder absorbierende Substanz oder beides sein. Das IAA besteht aus einer verschiedenen Substanz als das Subtrat des Schaumes, in welchen es eingebaut wird. Nützliche IAA schließen teilchenförmige Flocken von Metallen wie Aluminium, Silber und Gold und kohlenstoffhaltige Substanzen wie Ruß, aktivierten Ruß und Graphit ein. Nützliche Rußsorten schließen thermischen Ruß, Ofenruß, Acetylenruß und Kanalruß ein. Nützliche Graphitsorten sind natürlicher Graphit und synthetischer Graphit. Bevorzugte IAA sind Ruß und Graphit. Das IAA macht bevorzugt zwischen 1,0 und 20 Gew.-%, mehr bevorzugt 4,0 bis 20 Gew.-% und am meisten bevorzugt zwischen 4,0 und 10,0 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Polymermaterials, aus. Wesentliche Infrarot-Dämpfungsaktivität tritt zwischen 4% und 40%, bezogen auf das Gewicht des Polymermaterials, auf. Im Fall von Ruß und Graphit ist es erwünscht, Teilchen von einer Größe zu verwenden, welche einen hohen Dispersionsgrad in dem Schaum erreichen.
Graphit hat betonte oder verbesserte Infrarot-Dämpfungsaktivität im Vergleich zu Ruß in den vorliegenden mikrozellulären Schäumen. Anders ausgedrückt, Graphit induziert eine größere proportionale Reduzierung der Schaum-Gesamtwärmeleitfähigkeit in dem mikrozellulären Größenbereich als Ruß. Dies ist unerwartet, da die zwei Substanzen beide im wesentlichen kohlenstoffhaltig sind und typischerweise vergleichbare Gehalte von Infarot-Dämpfungsaktivität in Schäumen von größerer, d. h. konventioneller, Zellgröße zeigen. Diese erhöhte Aktivität kann bei evakuierten Schäumen von Zellgrößen von 70 Mikrometer oder weniger und in nicht-evakuierten und evakuierten Schäumen von Zellgrößen von 1,0 Mikrometer oder weniger beobachtet werden.
Die vorliegenden mikrozellulären Schäume können aus einer beliebigen bekannten organischen oder anorganischen Substanz, welche beim Schäumen bekanntermaßen nützlich ist, bestehen. Brauchbare Substanzen schließen thermoplastische Polymere, hitzegehärtete Polymere, Aerogele, Keramikmaterialien und Glas ein. Brauchbare thermoplastische Polymere schließen Ethylenpolymere und alkenylaromatische Polymere ein. Brauchbare Ethylenpolymere schließen Polyethylene wie Polyethylen mit niedriger Dichte ein. Brauchbare hitzegehärtete Polymere schließen Polyisocyanurate, Polyurethane und Phenolprodukte ein.
Das die Matrix umfassende Substrat des vorliegenden Schaumes ist bevorzugt praktisch nicht-kohlenstoffhaltig oder praktisch frei von polymeren Kohlenstoffstrukturen. Kohlenstoffhaltige Schäume und Schäume mit polymeren Kohlenstoffstrukturen sind beispielsweise im US-Patent Nr. 5 358 802 angegeben. Bei der Befolgung der vorliegenden Erfindung kann jedoch eine Substanz aus elementarem Kohlenstoff wie Ruß oder Graphit in praktisch nicht-kohlenstoffhaltige Schaummatrixsubstrate eingegeben oder hierzu zugesetzt werden, beispielsweise zu solchen aus thermoplastischen Polymeren und hitzegehärteten Polymeren wie auch anorganischen Substanzen wie Glas. Brauchbare im wesentlichen nicht-kohlenstoffhaltige Polymere schließen solche ein, die oben beschrieben wurden, wie alkenylaromatische Polymere, Ethylenpolymere, Polyisocyanurate und Polyurethane.
Ein bevorzugter mikrozellulärer Schaum umfaßt ein alkenylaromatisches Polymermaterial. Geeignete alkenylaromatische Polymermaterialien schließen alkenylaromatische Homopolymere und Copolymere von alkenylaromatischen Verbindungen und copolymerisierbaren ethylenartig ungesättigten Comonomeren ein. Das alkenylaromatische Polymermaterial kann weiterhin kleinere Anteile von nicht-alkenylaromatischen Polymeren einschließen. Das alkenylaromatische Polymermaterial kann lediglich aus einem oder mehreren alkenylaromatischen Homopolymeren, einem oder mehreren alkenylaromatischen Copolymeren, einer Mischung von einem oder mehreren alkenylaromatischen Homopolymeren und Copolymeren oder Mischungen aus einem beliebigen der zuvor genannten mit einem nicht-alkenylaromatischen Polymeren bestehen. Unabhängig von der Zusammensetzung umfaßt das alkenylaromatische Polymermaterial mehr als 50 und bevorzugt mehr als 70 Gew.-% alkenylaromatische monomere Einheiten. Am meisten bevorzugt besteht das alkenylaromatische Polymermaterial vollständig aus alkenylaromatischen monomeren Einheiten.
Geeignete alkenylaromatische Polymere schließen solche ein, welche von alkenylaromatischen Verbindungen, wie Styrol, alpha-Methylstyrol, Ethylstyrol, Vinylbenzol, Vinyltoluol, Chlorstyrol und Bromstyrol abstammen. Ein bevorzugtes alkenylaromatisches Polymeres ist Polystyrol. Kleinere Mengen von monoethylenartig ungesättigten Verbindungen, wie C_2-6-Alkylsäuren und Ester, ionomere Derivate und C_4-6-Diene können mit alkenylaromatischen Verbindungen copolymerisiert sein. Beispiele von copolymerisierbaren Verbindungen schließen Acrylsäure, Methacrylsäure, Ethacrylsäure, Maleinsäure, Itaconsäure, Acrylnitril, Maleinanhydrid, Methylacrylat, Ethylacrylat, Isobutylacrylat, n-Butylacrylat, Methylmethacrylat, Vinylace tat und Butadien ein. Bevorzugte Schäume bestehen im wesentlichen (d. h. größer als 95%) und am meisten bevorzugt vollständig aus Polystyrol. Bevorzugt ist der alkenylaromatische Polymerschaum frei von Kautschukgehalten wie C_4- ₆-Dienen und Gehalt an hitzegehärtetem Polymerem wie Polyisocyanurat oder Polyurethan.
Ein nützlicher mikrozellulärer Schaum ist ein extrudierter, offenzelliger alkenylaromatischer Polymerschaum. Der offenzellige Schaum umfaßt ein alkenylaromatisches Polymermaterial, bestehend aus größer als 50 Gew.-% von alkenylaromatischen Polymereinheiten. Bevorzugt besteht der Schaum vollständig aus Polystyrol. Der Schaum hat einen Gehalt an offenen Zellen von 70% oder mehr, bevorzugt 90% oder mehr und am meisten bevorzugt 95% oder mehr an offenen Zellen entsprechend ASTM 2856-A. Der Schaum hat eine Durchschnittszellgröße von 70 Mikrometer oder weniger und bevorzugt von 1 bis 30 Mikrometer. Der Schaum ist besonders vorteilhaft bei Vakuumisolierplatten. Die Beschreibung seiner Herstellungsverfahren ergeben sich unten und in der gleichzeitig anhängenden Anmeldung U.S. Serial No. 08/430 783, eingereicht am 27. April 1995.
Der extrudierte, offenzellige mikrozelluläre Schaum kann hergestellt werden durch Erhitzen eines thermoplastischen Materials zur Bildung eines plastifizierten oder geschmolzenen Polymermaterials, Einbau hierin eines Blähmittels zur Bildung eines schäumbaren Gels und Extrudieren des Gels durch eine Düse zur Bildung des Schaumproduktes. Vor dem Mischen mit dem Blähmittel wird das Polymermaterial auf eine Temperatur von seinem oder oberhalb seines Einfrierbereiches oder Schmelzpunktes erhitzt. Das Blähmittel kann in das geschmolzene Polymermaterial mittels einer beliebigen auf dem Fachgebiet bekannten Einrichtung, wie einem Extruder, einem Mischer oder einem Blender, eingebaut oder eingemischt werden. Das Blähmittel wird mit dem geschmolzenen Polymermaterial bei einem erhöhten Druck gemischt, der dazu ausreicht, eine wesent liche Expansion des geschmolzenen Polymermaterials zu verhindern und um allgemein das Blähmittel homogen hierin zu dispergieren. Die Menge von eingebautem Blähmittel beträgt 0,06 bis 0,17 Gramm-Mol pro Kilogramm von Polymerem oder weniger. Ein Keimbildner wie Talk wird in die Polymerschmelze eingemischt oder mit dem Polymermaterial vor dem Plastifizieren oder Schmelzen trockengemischt. Das schäumbare Gel wird typischerweise auf eine niedrigere Schäumungstemperatur abgekühlt, um die gewünschten physikalischen Eigenschaften des Schaumes zu optimieren. Das Gel kann in dem Extruder oder einer anderen Mischeinrichtung oder in getrennten Kühlern abgekühlt werden. Die Schäumungstemperatur muß ausreichend hoch liegen, damit die Bildung der offenzelligen Struktur ermöglicht wird, jedoch niedrig genug sein, um ein Zusammenfallen des Schaumes bei der Extrusion zu vermeiden. Erwünschte Schäumungstemperaturen reichen von etwa 118°C bis etwa 160°C und bevorzugt von etwa 125°C bis etwa 135°C. Das Gel wird dann durch eine Düse von gewünschter Gestalt zu einer Zone von reduziertem oder niedrigerem Druck extrudiert oder gefördert, um den Schaum zu bilden. Die Zone von niedrigerem Druck liegt auf einem niedrigeren Druck als demjenigen, in welchem das schäumbare Gel vor der Extrusion durch die Düse gehalten wird. Der niedrigere Druck kann überatmosphärisch oder unteratmosphärisch (evakuiert oder Vakuum) sein, bevorzugt liegt er jedoch auf einem atmosphärischen Wert.
Mikrozelluläre Polyurethan- und Polyisocyanuratschäume können durch Umsetzung von zwei vorformulierten Komponenten, welche üblicherweise als die A-Komponente und die B-Komponente bezeichnet werden, hergestellt werden. Das Blähmittel kann in einem von dem Isocyanat oder dem Polyol oder in beiden dispergiert werden.
Geeignete Polyisocyanate schließen ein: Diisocyanate wie m-Phenylendiisocyanat, Toluol-2,4-diisocyanat, Toluol-2,6-diisocyanat, Mischungen von 2,4- und 2,6-Toluoldiisocyanat, Hexamethylen-1,6-diisocyanat, Tetramethylen-1,4-diisocyanat, Cyclohexan-1,4-diisocyanat, Hexahydrotoluol-2,4- und -2,6-diisocyanat, Naphthalin-1,5-diisocyanat, Diphenylmethan-4,4'-diisocyanat, 4,4'-Diphenylendiisocyanat, 3,3'-Dimethoxy-4,4'-biphenyldiisocyanat, 3,3'-Dimethyl-4,4'-biphenyldiisocyanat und 3,3'-Dimethyldiphenylmethan-4,4'-diisocyanat; die Triisocyanate wie 4,4',4''-Triphenylmethantriisocyanat, Polymethylenpolyphenylisocyanat, Toluol-2,4,6-triisocyanat und die Tetraisocyanate wie 4,4'-Dimethyldiphenylmethan-2,2',5,5'-tetraisocyanat.
Geeignete Polyole schließen ein: Ethylenglycol, Propylenglycol-(1,2) und -(1,3); Butylenglycol-(1,4) und -(2,3); Hexandiol-(1,6); Octandiol-(1,8); Neopentylglycol; 1,3-Bishydroxymethylcyclohexan; 2-Methyl-1,3-propandiol; Glycerin; Trimethylolpropan; Trimethylolethan; Hexantriol-(1,2,6); Butantriol-(1,2,4); Pentaerythrit; Chinit; Mannit; Sorbit; Formitol; a-Methylglucosid; Diethylenglycol; Triethylenglycol; Tetraethylenglycol und höhere Polyethylenglycole; Dipropylenglycol und höhere Polypropylenglycole wie auch Dibutylenglycol und höhere Polybutylenglycole. Geeignete Polyole schließen weiterhin Oxyalkylenglycole ein wie Diethylenglycol, Dipropylenglycol, Triethylenglycol, Tripropylenglycol, Tetraethylenglycol, Tetrapropylenglycol, Trimethylenglycol und Tetramethylenglycol.
Polyurethanschäume können durch Umsetzung des Polyols und des Isocyanates auf einer Äquivalentbasis von 0,7 : 1 bis 1,1 : 1 hergestellt werden. Die Polyisocyanuratschäume der Erfindung werden vorteilhafterweise durch Umsetzung des Polyisocyanates mit einer kleineren Menge von Polyol hergestellt, um 0,10 bis 0,70 Hydroxyläquivalente Polyol pro Äquivalent an Polyisocyanat zu liefern. Nützliche Polyurethane und Polyisocyanurate und Verfahren zu ihrer Herstellung sind aus den US-Patenten Nr. 3 580 869, 4 795 763, 5 288 766, 5 334 624 und 5 346 928 ersichtlich.
Aerogele können aus einer Vielzahl von Materialien bestehen, wie Siliziumdioxid, Metalloxiden, Kohlenstoff und Formaldehydderivaten. Angaben zu Aerogelen und Verfahren zu ihrer Herstellung finden sich in den US-Patenten Nr. 5 081 163, 5 242 647, 5 275 796, 5 358 802, 5 381 149 und 5 395 805.
Mikroporöse thermoplastische Schäume können durch Phasentrennung, durch Mikroemulsion oder durch Verwendung von superkritischen Fluiden hergestellt werden, wie in den US-Patenten Nr. 4 673 695, 4 473 665, 5 037 859, 5 158 986 und 5 334 356 ersichtlich ist.
Mikrozelluläre thermoplastische Schäume können vernetzt oder nicht-vernetzt sein. Der Ausdruck "nicht-vernetzt" bedeutet, daß der Schaum im wesentlichen frei von Vernetzung ist. Der Ausdruck schließt jedoch den geringen Grad von Vernetzung ein, welcher natürlicherweise ohne Anwendung von Vernetzungsmitteln oder Bestrahlung auftreten kann. Nicht-vernetzte Schäume enthalten nicht mehr als 5% Gel entsprechend ASTM D-2765-84 Methode A.
Die mikrozellulären Schäume haben bevorzugt eine Dichte von 16 bis 250 und am meisten bevorzugt von 25 bis 100 Kilogramm pro Kubikmeter entsprechend ASTM D-1622-88.
Die mikrozellulären Schäume können eine beliebige auf dem Gebiet bekannte physikalische Konfiguration wie Platte oder Plank annehmen. Der erfindungsgemäße Schaum ist besonders geeignet, um zu einem Plank (Bohle) geformt zu werden, bevorzugt zu einer mit einer Querschnittsfläche von 30 Quadratzentimeter (cm²) oder mehr und einer kleineren Dimension im Querschnitt (Dicke) von 3/8 Zoll (0,95 Zentimeter) oder mehr.
Die Durchschnittszellgröße oder Porengröße (Durchmesser) für die mikrozellulären Schäume wird entsprechend ASTM D3576-77 bestimmt, ausgenommen, daß die Messung an einer vergrößerten Photographie durchgeführt wird, welche durch Abtastelektronenmikroskopie erhalten wurde statt der Messung, die direkt vom Schaum genommen wird.
Die mikrozellulären Schäume können geschlossenzellig oder offenzellig sein. Bevorzugte offenzellige Schäume sind solche mit einem Gehalt an offenen Zellen von 70% oder mehr entsprechend ASTM D2856-A. Ein offenzelliger Schaum hat bevorzugt einen Gehalt von 90% oder mehr und am meisten bevorzugt von 95% oder mehr an offenen Zellen entsprechend ASTM D2856-A. Geschlossenzellige Schäume sind solche, welche einen Gehalt an geschlossenen Zellen von etwa 90% oder mehr und bevorzugt etwa 95% oder mehr entsprechend ASTM D-2856-A haben.
Offenzellige Schäume sind vorteilhaft bei evakuierten Isolierpanelen oder Vakuumisolierpanelen. Bevorzugt werden die offenzelligen Schäume auf einem Druck von 1333,2 Pa (10 Torr absolut) oder weniger und bevorzugt bei 133,32 Pa (1 Torr) absolut oder weniger und mehr bevorzugt 13,332 Pa (0,1 Torr) oder weniger gehalten.
Die mikrozellulären Schäume können zum Isolieren einer Oberfläche oder eines Gehäuses verwendet werden, indem ein angepaßtes Isolierpanel aus der erfindungsgemäßen Struktur auf die Oberfläche oder das Gehäuse aufgelegt wird. Solche Panele sind nützlich bei beliebigen konventionellen Isolieranwendungen wie bei Dächern, Gebäuden, Kühlanlagen.
Im folgenden werden Beispiele der vorliegenden Erfindung gegeben, welche nicht als beschränkend ausgelegt werden sollen. Falls nichts anderes angegeben ist, beziehen sich alle Angaben in Prozentsätzen, Teilen oder Anteilen auf Gewicht.
Mikrozelluläre Polystyrolschäume, welche Ruß und Graphit enthalten, gemäß der vorliegenden Erfindung wurden wie unten beschrieben hergestellt. Die Schäume wurden auf Isolierfähigkeit in einer evakuierten Umgebung (Vakuum) bei 26,66 Pa (0,2 Torr) – 133,32 Pa (1 Torr) und 666,6 Pa (5 Torr) und bei atmosphärischem Druck (760 Torr) getestet. Die Isolierfähigkeit wurde als "R-Wert pro Zoll" gemessen, dies entspricht dem reziproken Wert der Wärmeleitfähigkeit in Einheiten von Btu·in/hr·ft²·F°.
Die Tabellen 1–6 zeigen die Isolierfähigkeit in Einheiten von Quadratmeter-Kelvin pro Watt-Meter (m²-K/W-m), mit den Zahlenwerten für den "R-Wert per Zoll" in Klammern. Die Wärmeleitfähigkeiten sind in Einheiten von Watt-Meter pro Quadratmeter-Kelvin (W-m/m²-K) gemessen, wobei die Zahlenwerte in Einheiten von Btu·in/hr·ft²·°F in Klammern angegeben sind.
Die folgenden Abkürzungen wurden immer angewandt: 1-Chlor-1,1-difluorethan (HCFC-142b); Ethylchlorid (EtCl); Kohlendioxid (CO₂); 1,1,1,2-Tetrafluorethan (HFC-134a); 1,1-Difluorethan (HFC-152a); American Society for Testing and Materials (ASTM); Extrusionsrate (Ext. Rate); Ethanol (EtOH); Stickstoff (N2); Chlordifluormethan (HFC-22).
Beispiel 1
Es wurden Schäume mit zwei unterschiedlichen Extrusionssystemen hergestellt, jedes umfassend einen Extruder, einen Mischer, einen Kühler und eine Extrusionsdüse in Reihe. Die zwei Systeme arbeiteten bei unterschiedlichen Extrusionsraten, 10 pounds pro Stunde (lb/hr) (4,5 Kilogramm/Stunde (kg/h) und 220 lb/hr (100 kg/h). Sie werden als das erste bzw. als das zweite Extrusionssystem bezeichnet.
Die Schäume des ersten Extrusionssystems wurden mit der folgenden Formulierung hergestellt: ein Blähmittel von 7,5 Teilen pro hundert (pph) von HCFC-142b, 2,0 pph EtCl und 1,4 pph CO₂); wahlweise Ruß (Raven 430 von Cabot Corp.); 0,5 pph Talk; eine kleinere Menge von Calciumstearat und ein Polystyrolharz mit einem Durchschnittsmolekulargewicht von 200.000 entsprechend Größenausschlußchromatographie (SEC).
Die Schäume des zweiten Extrusionssystems wurden mit der folgenden Formulierung hergestellt: ein Blähmittel von 6,8 pph HFC-134a, 1,9 pph HFC-152a und 0,6 pph CO₂; Ruß (Thermal Black FT 239 von Huber Corp.); 0,4 pph Talk, kleinere Menge von Calciumstearat und Polystyrolharz mit einem Durch schnittsmolekulargewicht von 200.000 entsprechend Größenausschlußchromatographie (SEC).
Die Schäume wurden in beiden Extrusionssystemen mit verschiedenen Beladungen von Ruß und bei verschiedenen Schäumungstemperaturen hergestellt. Der R-Wert für die Schäume wurde bei atmosphärischem Druck 1,013 10⁵ Pa (760 Torr) und in einem Vakuum 133,32 Pa (1 Torr) gemessen. Die R-Werte wurden entsprechend ASTM C-518-91 in einem System mit kontrolliertem Umgebungsdruck gemessen, das in der Lage war, die eingestellten Bedingungen innerhalb ±1,33 Pa (0,01 Torr) zu halten, wobei das Kontrollsystem in Verbindung mit einer Meßapparatur zur Wärmeströmung verwendet wurde.
Mikrozelluläre Schäume von kleiner Durchschnittszellgröße und hohem Gehalt an offenen Zellen wurden hergestellt. Zellgröße, Gehalt an offenen Zellen, Dichte und R-Wert sind in Tabelle 1 angegeben. Für mikrozelluläre Schäume, die in beiden Extrusionssystemen hergestellt wurden, ergab eine Erhöhung der Gehalte an Ruß erhöhte R-Werte.
Beispiel 2
Schäume der vorliegenden Erfindung wurden mit dem zweiten Extrusionssystem mit der Ausnahme, wie sie unten und in Tabelle 2 angegeben ist, hergestellt.
Die Schäume wurden mit verschiedenen Blähmitteln und Mischungen hiervon, wie in Tabelle 2 angegeben, hergestellt. Die Beladungen an Blähmittel sind in pph angegeben, basierend auf Polymergewicht. Die Schäume wurden mit verschiedenen Beladungen an Ruß und bei verschiedenen Schäumungstemperaturen hergestellt.
Der R-Wert für die Schäume wurde bei verschiedenen Drücken gemessen.
Mikrozelluläre Schäume von kleiner Durchschnittszellgröße, hohem Gehalt an offenen Zellen und hohem R-Wert wurden hergestellt.
Beispiel 3
Schäume der vorliegenden Erfindung wurden mit dem zweiten Extrusionssystem mit der Ausnahme, wie unten und in Tabelle 3 angegeben, hergestellt.
Die Schäume wurden mit verschiedenen Blähmitteln und Mischungen hiervon, wie in Tabelle 3 spezifiziert, hergestellt. Die Beladungen an Blähmittel sind in pph angegeben, basierend auf Polymergewicht. Die Schäume wurden mit verschiedenen Beladungen an Ruß und bei verschiedenen Schäumungstemperaturen hergestellt.
Der R-Wert für die Schäume wurde bei verschiedenen Drücken gemessen.
Mikrozelluläre Schäume von kleiner Durchschnittszellgröße, hohem Gehalt an offenen Zellen und hohem R-Wert wurden hergestellt.
Beispiel 4
Schäume der vorliegenden Erfindung wurden mit dem zweiten Extrusionssystem mit der Ausnahme, wie unten und in Tabelle 4 angegeben, hergestellt.
Mikrozelluläre Schäume von kleiner Durchschnittszellgröße und hohem Gehalt an offenen Zellen wurden hergestellt.
Als Folge der Zugabe von Ruß konnte der Querschnitt von Versuch 42 größer als derjenige von Versuch 41 gemacht werden. Der Ruß erhöhte die Gelviskosität und erlaubte, daß die Düsenöffnung vergrößert wurde, ohne daß Düsendruck verloren ging und vorzeitiges Schäumen bewirkt wurde. Die Zunahme der Düsenöffnung ergab, daß ein Schaum von größerem Querschnitt erzeugt wurde. Der größere Querschnitt liefert verbesserte Hautqualität und größere Vielseitigkeit des Verfahrens.
Beispiel 5
Schäume der vorliegenden Erfindung wurden mit dem zweiten Extrusionssystem mit der Ausnahme, wie unten und in Tabelle 5 angegeben, hergestellt.
Die Schäume wurden mit verschiedenen Blähmitteln und Mischungen hiervon, wie in Tabelle 5 spezifiziert, hergestellt. Die Beladungen von Blähmittel sind in pph angegeben, basierend auf Polymergewicht. Die Schäume wurden mit verschiedenen Beladungen an Ruß und bei verschiedenen Schäumungstemperaturen hergestellt.
Der R-Wert für die Schäume wurde bei verschiedenen Drücken gemessen.
Mikrozelluläre Schäume von kleiner Durchschnittszellgröße, hohem Gehalt an offenen Zellen und hohem R-Wert wurden hergestellt.
Beispiel und Vergleichsbeispiel 6
Extrudierte offenzellige mikrozelluläre Polystyrolschäume mit und ohne Ruß wurden auf Wärmeleitfähigkeit zur Bestimmung des annähernden Wertes der Verbesserung als Folge des Einbaues von Ruß getestet. Die Schäume wurden bei einem absoluten Luftdruck von 133,32 Pa (1 Torr) bei 24°C (75°F) getestet. Der Ruß war thermischer Ruß (thermal black) FT239 (Huber Corp.).
Die Wärmeleitfähigkeit als Funktion der Durchschnittszellgröße mit und ohne Ruß wurde in 1 aufgetragen.
Wie aus den Auftragungen ersichtlich ist, betrug die Reduzierung der Wärmeleitfähigkeit des Schaums im Zellgrößenbereich von etwa 30 bis 50 Mikrometer annähernd 35–40%. Diese Reduzierung ist weit größer als die typische Reduzierung von 10–15%, die bei konventionell extrudierten geschlossenzelligen Polystyrolschäumen mit einer Zellgröße von 0,1–1,0 Millimeter beobachtet werden.
Beispiel 7 und Vergleichsbeispiel 7
Offenzellige mikroporöse Polystyrolschäume mit und ohne Ruß wurden auf Wärmeleitfähigkeit zur Bestimmung des annähernden Gehaltes der Verbesserung als Folge des Einbaues von Ruß getestet. Die Schäume wurden bei atmosphärischem Druck und bei einem Absolutdruck von 13,332 Pa (0,1 Torr), beide bei 24°C (75°F) getestet. Der Ruß war Ofenruß (furnace black) Monarch 1400 (Cabot Corp.). Die Porengrößen von jedem der Schäume lagen in einem Verteilungsbereich von etwa 0,1 bis etwa 0,5 Mikrometer.
Wie aus Tabelle 6 ersichtlich ist, ergab der Einbau von Ruß eine Reduzierung der Wärmeleitfähigkeit von annähernd 25–45% für Schäume von vergleichbarer Dichte bei atmosphärischem Druck. Für evakuierte Schäume von vergleichbarer Dichte bei 0,1 Torr ergab der Einbau von Ruß eine Reduzierung der Wärmeleitfähigkeit von annähernd 60–70%. Diese Reduzierung liegt weit höher als die typische Reduzierung von 10–15%, die in konventionell extrudierten, geschlossenzelligen Polystyrolschäumen mit einer Zellgröße von 0,1–1,0 Millimeter beobachtet werden.
Während Ausführungsformen des Schaumes der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf spezifische Einzelheiten gezeigt wurden, sei darauf hingewiesen, daß in Abhängigkeit von dem Herstellungsverfahren und den Anforderungen des Herstellers die vorliegende Erfindung durch verschiedene Abänderungen modifiziert werden kann, obwohl sie immer noch im Rahmen der neuen Lehre und der hier angegebenen Prinzipien bleibt.

Claims

Offenzelliger mikrozellularer Schaum, umfassend ein Schaummaterial, wobei der Schaum dadurch gekennzeichnet ist, daß der Schaum eine Durchschnittszellgröße von 70 Mikrometer oder weniger hat, wobei, falls der Schaum evakuiert ist, der Schaum ein Infrarot-Dämpfungsmittel in einer ausreichenden Menge enthält, um die Wärmeleitfähigkeit des Schaumes relativ zu einem entsprechenden Schaum ohne das Infrarot-Dämpfungsmittel zu reduzieren.
Schaum nach Anspruch 1, bei welchem der Schaum eine Durchschnittszellgröße von 1 bis 30 Mikrometer hat.
Mikrozellularer Schaum, umfassend ein Schaummaterial, wobei der Schaum eine Durchschnittszellgröße von 1,0 Mikrometer oder weniger hat, der Schaum evakuiert oder nicht-evakuiert ist, und dadurch gekennzeichnet ist, daß er ein Infrarot-Dämpfungsmittel in einer ausreichenden Menge enthält, um die Wärmeleitfähigkeit des Schaumes relativ zu einem entsprechen-den Schaum ohne das Infrarot-Dämpfungsmittel zu reduzieren.
Schaum nach Anspruch 3, bei welchem der Schaum eine Durchschnittszellgröße von 0,05 bis 1,0 Mikrometer hat.
Schaum nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Infrarot-Dämpfungsmittel Ruß ist.
Schaum nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Infrarot-Dämpfungsmittel Graphit ist.
Schaum nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Schaum eine dichte von 16 bis 250 Kilogramm pro Kubikmeter hat.
Schaum nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Schaum eine Dichte von 25 bis 100 Kilogramm pro Kubikmeter hat.
Schaum nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Infrarot-Dämpfungsmittel in einer Menge von 1 bis 20 Gew.-%, bezogen auf Polymergewicht, vorhanden ist.
Schaum nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Infrarot-Dämpfungsmittel in einer Menge von 4 bis 10 Gew.-%, bezogen auf Polymergewicht, vorhanden ist.
Schaum nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Schaum ein alkenylaromatischer Polymerschaum ist.
Schaum nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Schaum ein Polystyrolschaum ist.
Schaum nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Schaum ein extrudierter Polystyrolschaum ist.
Schaum nach irgendeinem der Ansprüche 1–10, bei welchem der Schaum ein Polyisocyanuratschaum ist.
Schaum nach irgendeinem der Ansprüche 1–10, bei welchem der Schaum ein Polyurethanschaum ist.
Schaum nach irgendeinem der Ansprüche, bei welchem der Schaum ein Aerogel ist.
Schaum nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Schaum ein evakuierter Schaum ist, welcher in seinen offenen Zellen einen Absolutdruck von 10 Torr oder weniger hat.
Schaum nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Schaum ein evakuierter Schaum ist, welcher in seinen offenen Zellen einen Absolutdruck von 1 Torr oder weniger hat.
Schaum nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Schaum ein evakuierter Schaum ist, welcher in seinen offenen Zellen einen Absolutdruck von 0,1 Torr oder weniger hat.
Schaum nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Schaum einen Gehalt an offenen Zellen von 70% oder mehr hat.
Schaum nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Schaum einen Gehalt an offenen Zellen von 90% oder mehr hat.
Schaum nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Schaum einen Gehalt an offenen Zellen von 95% oder mehr hat.
Schaum nach irgendeinem der Ansprüche 3–16, bei welchem der Schaum geschlossenzellig ist.