Wärmeisolationsmaterial

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wärmeisolationsmaterial und Anwendungen dafür.

In den Gehäusen von modernen Haushaltskältegeräten wird im allgemeinen als Isolationsmaterial ein Polyurethanschaum verwendet. Mit Pentan aufgeschäumt erreicht das Wärmeleitvermögen dieses Schaums Werte von bis hinunter zu 20 mW/K/m. Das

Wärmeleitvermögen resultiert aus drei Wärmetransportmechanismen, Wärmeleitung durch den Feststoffanteil de Schaums, d. h. das Polyurethan selbst, Wärmeleitung durch die Gase, die die Poren des Schaums ausfüllen, und Wärmestrahlung. Mögliche Wege, um den Beitrag der Wärmestrahlung zu minimieren, sind eine Verringerung der

Porengröße oder eine Verstärkung der Strahlungsabsorption oder -reflexion durch die

Porenwände.

Ein üblicher Optimierungsansatz ist, die chemische Zusammensetzung des aufzuschäumenden Kunstharzes zu optimieren, um die Porengröße des resultierenden

Schaums zu verringern. Ein zweiter Ansatz ist, das Kunstharz mit Kohlenstoffpartikeln zu beaufschlagen. Auf Grund seines starken Absorptionsvermögens verringert der

Kohlenstoff den Beitrag der Wärmestrahlung zum Gesamt-Wärmeleitvermögen, andererseits erhöht er die Wärmeleitung des Kunstharzmaterials, dessen Wärmeleitvermögen durch den Zusatz des Kohlenstoffs zunimmt.

Aufgabe der Erfindung ist, ein Wärmeisolationsmaterial mit einem porösen Substrat aus einer mit Partikeln beaufschlagten Kunstharzzusammensetzung zu schaffen, bei dem die Partikel den Wärmetransport durch Strahlung wirksam begrenzen, ohne gleichzeitig den Wärmefluss durch den Feststoffanteil des Substrats wesentlich zu erhöhen, und zwar selbst dann, wenn die Partikel aus einem Material bestehen, das besser wärmeleitend ist als die Kunstharzzusammensetzung, in die sie eingebettet sind.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Partikel von im wesentlichem plättchenförmiger Gestalt sind.

In den gegenwärtig als wärmeisolierende poröse Substrate verbreiteten Polyurethanschäumen ist nämlich etwa 90% des festen Materials in Streben konzentriert, d. h. in langgestreckten Strukturen, die sich zwischen drei benachbarten Gasblasen erstrecken. Nur ca. 10 % des Feststoffs befindet sich in Wänden zwischen zwei benachbarten Blasen. Wenn man annimmt, das sich zugesetzte Partikel homogen im Feststoffanteil des Schaums verteilen, so sind sie folglich zu 90% in den Streben konzentriert, wo sie die Wärmestrahlung nur wenig beeinflussen, aber einen erheblichen Beitrag zur Wärmeleitung durch den Feststoff leisten. Tatsächlich jedoch führen Oberflächenspannungseffekte dazu, dass sich die Partikel beim Aufschäumen in den Streben anreichern, während die Wände an Partikeln verarmen.

Der Ansatz der Erfindung liegt darin, durch eine flache Gestalt der Partikel zu bewirken, dass diese sich besser in die Wände des Substrats einfügen und somit die Tendenz zur Anreicherung in den Streben verringert wird.

Darüber hinaus kann durch eine ausreichende Größe der Partikel sichergestellt werden, dass diese nicht ohne Weiteres in die Streben hineinpassen. So wird anstelle einer Tendenz zur Anreicherung der Partikel in den Streben eine Tendenz zu ihrer Anreicherung in den Wänden erzielt. Hierfür beträgt der mittlere Durchmesser der Partikel vorzugsweise zwischen dem 0,1 -fachen und dem 10-fachen des mittleren Durchmessers der Poren. Ist der Durchmesser kleiner als das 0,1 -fache des Porendurchmessers, so passen die Partikel zu gut in die Streben hinein, um eine Anreicherung in den Wänden zu bewirken. Bei einem Durchmesser von mehr als dem 10-fachen des mittleren Porendurchmessers kann die Viskosität einer fließfähigen Kunstharzzusammensetzung, aus der das erfindungsgemäße Wärmeisolationsmaterial durch Aufschäumen erhalten wird, erhöht sein, was die Verarbeitbarkeit der fließfähigen Zusammensetzung beeinträchtigt.

Idealerweise entspricht der mittlere Durchmesser der Partikel in etwa dem mittleren Durchmesser der Poren.

Bei einem typischen Porendurchmesser herkömmlicher Isolationsschäume von ca. 100 bis 500 Mikrometer kann als bevorzugter mittlerer Durchmesser der Partikel ein Wert zwischen 10 und 1000 Mikrometer angegeben werden.

Die optimale Dicke der Partikel ist durch zwei Effekte festgelegt. Um die Wärmeleitfähigkeit des Substrats gering zu halten, sollte auch die Dicke der Partikel klein sein, zweckmäßigerweise nicht mehr als das fünffache der Dicke der Streben, besser noch nicht mehr als die einfache Dicke der Streben. Die Dicke der Streben kann je nach Zusammensetzung des Kunstharzes zwischen 1 und 50 Mikrometer variieren, so dass sich für die Partikel eine bevorzugte Dicke von nicht mehr als 10 bis 50 Mikrometer ergibt.

Die Partikel können den Wärmetransport über Strahlung durch Absorption oder durch Reflexion behindern. Wenn die Partikel aus einem Wärmestrahlung absorbierenden Material bestehen, sollte ihre Dicke, um eine effiziente Absorption zu erzielen, in etwa der Absorptionslänge der Wärmestrahlung in dem Material der Partikel entsprechen, d. h. derjenigen Länge, auf der die Intensität von sich durch das Material der Partikel ausbreitender Wärmestrahlung auf 1/e abnimmt. Im Falle eines im Wesentlichen durch Reflexion wirksamen Materials sollte die Dicke der Partikel so gering wie möglich sein.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine fließfähige Kunstharzzusammensetzung, die mit Partikeln von im wesentlichen plättchenförmiger Gestalt beaufschlagt ist und zu einem Wärmeisolationsmaterial wie oben beschrieben aufschäumbar ist.

Als Ausführungsbeispiel der Erfindung kann eine solche fließfähige Kunstharzzusammensetzung eine Zusammensetzung auf der Grundlage von Polyurethanharz sein, die mit plättchenförmigem graphitischem Material versetzt ist. Bei dem graphitischen Material kann es sich um kommerziell verfügbaren natürlichen oder synthetischen Flockengraphit handeln, es kommen aber auch Ruße oder Graphite in Betracht, die der besseren Beständigkeit der Partikelform wegen in eine Kunstharzmatrix eingebettet sind. Aus einer solchen partikelbeaufschlagten Kunstharzzusammensetzung ist das Wärmeisolationsmaterial durch Aufschäumen mit einem Treibgas wie etwa Pentan in den Fachmann an sich vertrauter Weise erhältlich.

Das Aufschäumen kann in Verbindung mit dem Einspritzen der Kunstharzzusammensetzung in einen Hohlraum erfolgen, welcher durch das nach dem Einspritzen expandierende Kunstharz ausgefüllt wird. Ein solcher Hohlraum kann insbesondere ein Gehäuse für ein Haushaltsgerät sein, dass zunächst mit hohlen

Wänden zusammengefügt wird, und bei dem die partikelbeaufschlagte Harzzusammensetzung anschließend in den oder die Hohlräume der Wände eingespritzt und darin expandieren und aushärten gelassen wird.