Syntaktische Schäume mit Poraver® als zellularer Platzhalter
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Geringere Bauteilgewichte, erhöhte spezifische Festigkeiten und reduzierte Wärmeleitfähigkeit mit Poraver® Blähglas 


Verbundwerkstoffe verknüpfen die positiven Eigenschaften der Ausgangsmaterialien zur Steigerung der Leistungsfähigkeit des resultierenden Werkstoffes. Poraver® Blähglas ist leicht, temperaturstabil sowie variabel zu verarbeiten und ist somit der ideale Leichtzuschlag für eine Vielzahl von Anwendungen.

In zellularen Verbundwerkstoffen werden poröse Füllstoffe eingesetzt, um je nach Anwendung, die Dichte zu verringern, Festigkeiten und andere physikalische Eigenschaften positiv zu beeinflussen oder die Kosten des Bauteils zu reduzieren. Idealerweise bewirkt ein Füllstoff alle diese Punkte und ist zudem noch einfach zu verarbeiten.

Das multizellulare Blähglasgranulat Poraver®, welches ressourcenschonend aus Recyclingglas hergestellt wird, ist als Leichtzuschlag seit vielen Jahren erfolgreich in verschiedenen Anwendungen – von Dämmstoffen über Betone bis Brandschutz – im Einsatz.

Bei zellularen Verbundwerkstoffen ist die besondere Herausforderung, bessere oder optimale mechanische Eigenschaften bei geringerer Dichte – genauer gesagt geringerem Bauteilgewicht – zu erzielen. Anhand eines Syntaktischen Schaumes wird die Eignung von Poraver® hierfür aufgezeigt.

Gieß- als auch Infiltrationsverfahren - Variabilität in der Herstellung

Generell lassen sich Syntaktische Schäume mit Poraver® sowohl über Gieß- als auch Infiltrationsverfahren herstellen. Aufgrund des kugelförmigen Granulats (Sphärizität der Körnung 0,5-1,0 mm im Mittel 0,97) und der verfügbaren Korngrößen, sind mittlere (Abb. 1) bis sehr hohe Füllgrade möglich. Das Ziel ist dabei eine gleichmäßige Struktur zu erzielen. Bei hohem Füllgrad an Poraver® bietet es sich an, eine geschlossene Form unter maximaler Raumausfüllung mit Poraver® zu befüllen und die entstehenden Zwischenräume in einem zweiten Schritt mit dem Matrixmaterial der Wahl zu infiltrieren. Für das Gießverfahren kann das Blähglas innerhalb kurzer Zeit, z.B. mit einem Dissolver, homogen im Gießharz untergerührt werden.

Für die hier gezeigten Untersuchungen wurde das Gießverfahren gewählt, um ein Aufschwimmen des anderen Füllstoffs (Kalksteinmehl) zu verhindern und einen möglichst isotropen Probekörper zu erhalten. Die Proben setzen sich aus 40 Vol.% Bindemittel (Polyesterharz) und 60 Vol.% Füllstoff zusammen. Der Füllstoffanteil beinhaltete dabei sukzessive mehr Poraver® Blähglas. Da Kalksteinmehl kein poröses Material ist, stellt die Referenzprobe ohne Poraver® keinen Syntaktischen Schaum dar. Sie dient zur Hervorhebung möglicher Vorteile eines zellularen Verbundwerkstoffes gegenüber Standardwerkstoffen.

Foto eines zellularen Verbungwerkstoffs mit Poraver
Abb. 1: Ausschnitt eines zellularen Verbundwerkstoffs aus Poraver® in einer Epoxidharz-Matrix mit mittlerem Füllgrad
Graph: Änderung der Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit über die Dichte der Syntaktischen Schäume mit Poraver verglichen zur Referenz ohne Poraver (Dichte 2,1 g/cm3)
Abb. 2: Änderung der Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit über die Dichte der Syntaktischen Schäume mit Poraver® verglichen zur Referenz ohne Poraver® (Dichte 2,1 g/cm3)

20 % höhere spezifische Festigkeit mit Poraver® Blähglas

Durch den zunehmenden volumetrischen Anteil des Poraver® Blähglases der Körnung 0,25-0,5 mm (Dichte 0,68 g/cm3), kann die Dichte des Syntaktischen Schaumes erwartungsgemäß deutlich reduziert werden. Nur mit Blähglas dieser Körnung als Füllstoff beträgt die Dichte lediglich 0,8 g/cm3 und liegt somit sogar deutlich unter der des Epoxidharzes (ca. 1,1 g/cm3).

Mit der Dichte reduziert sich die Festigkeit des Systems. Die Referenzprobe mit der Dichte 2,1 g/cm3 erreicht eine mittlere Biegezugfestigkeit von 38 MPa. Die Probe der Dichte 1,0 g/cm3 widersteht einer Biegezugbelastung von 22 MPa. Entscheidend bei der Auswahl eines Werkstoffes ist jedoch die spezifische Festigkeit. Berechnet man diese, kehrt sich der Trend um und es zeigt sich eine Zunahme mit abnehmender Dichte (Abb. 2). So erreicht der Syntaktische Schaum der Dichte 1,0 g/cm3 verglichen zu der Referenz, eine um mehr als 20 % höhere spezifische Festigkeit.

Ein weiterer positiver Effekt der verringerten Dichte ist die Senkung der Wärmeleitfähigkeit. Im Vergleich der Proben ohne und ausschließlich mit Blähglas zeigt sich eine Dichtereduktion von 62 %, die eine Verringerung der Wärmeleitfähigkeit von 0,78 W/(m·K) auf 0,16 W/(m·K) bewirkt. Dies entspricht einer Senkung um 79 %.

Der Preis des reinen Harzes liegt mit mehreren Euro pro Kilogramm deutlich über dem des Poraver®. Zusätzlich zeigen Syntaktische Schäume mit Blähglas auch bei geringerem Harzanteil gute Festigkeiten. Durch die Verwendung von Poraver® lassen sich folglich die Materialkosten für ein harzgebundenes Bauteil senken. Auch im preislichen Vergleich zu ähnlichen Füllstoffen für die Herstellung von Syntaktischen Schäumen, beispielsweise Mikrohohlglaskugeln, stellt Poraver® eine kostengünstigere Alternative dar.

Vielseitigkeit bei der Anwendung

Aufgrund der hohen Temperaturbeständigkeit des Blähglases, bietet sich zusätzlich die Möglichkeit der Infiltration mit Thermoplasten sowie Metallschmelzen wie Aluminium oder Zink. Durch die große Auswahl an Matrixmaterialien, sind eine Vielzahl an Einsatzgebieten und Anwendungsformen möglich. Exemplarisch seien Wandungen von Flüssigkeits-Wärmespeichern, Karosserie-Bauteile und Stützkerne genannt.

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