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Die Erfindung betrifft Polyolefinfasern oder -fäden mit einem Gehalt an Zement als Füllstoff, die sich besonders als Verstärkungsfasern für Baustoffmischungen auf Basis Zement eignen und ein Verfahren zu deren Herstellung.
Es ist bekannt, dass man Gegenständen, besonders Rohren und Platten aus Zement durch Zumi- schung von Verstärkungsfasern eine erhöhte Festigkeit verleihen kann. Am meisten wurden bisher für diesen Zweck Asbestfasern eingesetzt. In letzter Zeit sind jedoch Bestrebungen im Gange, diese
Asbestfasern durch anderes Fasermaterial zu ersetzen, da inzwischen deren carcinogene Wirkung festgestellt wurde.
Als Ersatz für Asbestfasern wurden unter anderem auch schon Polyolefinfasern oder-faserma- terialien in Betracht gezogen. In der GB-PS Nr. l, 130, 612 wurde vorgeschlagen, Polyolefin-Stapelfa- sern in Zement einzuarbeiten und gemäss DE-OS 2728351 wurden Fasern von thermoplastischen Kunst- stoffen wie z. B. Polypropylen, in Form eines Netzwerks, wie es durch Aufspleissen oder Fibrillieren eines unidimensional gereckten Films entstehen, für die Verstärkung von Bauteilen aus Zement einge- setzt.
Da Polyolefinfasern jedoch hydrophob sind, stösst die Einmischung auf Schwierigkeiten und die Haftung in der Matrix lässt zu wünschen übrig, d. h. die Fasern werden bei Beanspruchung aus dem zementhältigen Material herausgezogen, so dass ihre Festigkeit nicht zum Tragen kommt.
Gemäss GB-PS Nr. l, 316, 661 wurde zur Verbesserung der Haftfestigkeit von Polyolefinfasern in Zementmörtel oder ähnlichem Material auf Basis Zement vorgeschlagen, Polyolefinfasern, insbesondere Fasern aus Polypropylen oder Polyäthylen, einzusetzen, die 5 bis 80% Zement als Füllstoff enthalten und ausserdem einen Gehalt von 0, 1 bis 5, 0% an einem hydrophilen oberflächenaktiven Mittel, z. B. einem solchen auf Basis eines tertiären Aminsulfonats, aufweisen. Die Herstellung dieser Fasern erfolgt bevorzugt nach dem Schmelzspinnverfahren mit nachfolgender mässiger Verstreckung, nämlich im Verhältnis 1 : 2 bis 1 : 4, es ist aber auch die Herstellung über ein Splitfaserverfahren möglich. Als Zement wird ein "normaler Zement" verwendet.
Durch den Zementzusatz wird das spezifische Gewicht der Fasern erhöht und die Fasern gemäss GB-PS Nr. l, 316, 661 besitzen an der Oberfläche einen hydrophilen Charakter, so dass das Einmischen der Faser in den Zement wesentlich günstiger verläuft.
Trotzdem liessen die Festigkeitswerte der mit diesen Fasern verstärkten Zementmischungen keinen ausreichenden Zuwachs im Vergleich zu unverstärkten Proben erkennen. Der Grund liegt einerseits darin, dass die relativ gering verstreckten Fasern keine sehr hohe Reissfestigkeit besitzen, eine höhere Verstreckung aber keine Verbesserung bringt, da solche Fasern mit normalem Zement, z. B. solchem der Type PZ 275, als Füllstoff, mit zunehmender Verstreckung an Festigkeit einbüssen. Ausserdem besitzen diese Fasern Bruchdehnungen, die 100% und mehr betragen können.
Fasern mit derart hoher Dehnung sind als Verstärkungsfasern ungeeignet, denn bei Beanspruchung von Betonformteilen dehnt sich die Faser in einem Ausmass, dass die Matrix bricht, bevor die Reissfestigkeit der Verstärkungsfaser überhaupt zum Tragen kommen kann. Ausserdem wurden gemäss GB-PS relativ starke Fasern (110 bis 280 dtex) eingesetzt, die, wenn nach dem Schmelzspinnverfahren hergestellt, eine glatte Oberfläche besitzen.
Überraschenderweise konnte nun gefunden werden, dass eine sehr gute Verstärkung von Zement mit Hilfe von Fasern aus Polyolefinen mit Zement als Füllstoff dann möglich ist, wenn diese Fasern eine Bruchdehnung von maximal 20% besitzen und mit einem Zement als Füllstoff hergestellt sind, der eine Korngrösse von unter 90 um besitzt. Solche Fasern lassen sich höher, nämlich bis auf 1 : 10 bis 1 : 12, verstrecken, als in der GB-PS Nr. l, 316, 661 geoffenbart, ohne dass Faserbrüche auftreten oder Festigkeitseinbussen mit zunehmendem Verstreckungsgrad zu verzeichnen wären. Fasern der geringen Dehnung von maximal 20% werden über das Splitfaserverfahren erhalten.
Gegenstand der Erfindung sind demnach Polyolefinfasern oder -fäden zur Verwendung als Verstärkungsfaser für Baustoffmischungen auf Basis Zement enthaltend als Füllstoff gegebenenfalls neben andern Füllstoffen anorganischer Natur 5 bis 45 Gew.-% Zement, bezogen auf das Polyolefin, die dadurch gekennzeichnet sind, dass der als Füllstoff vorliegende Zement eine Korngrösse von unter 90 pm besitzt und die Fasern oder Fäden eine Dehnung von maximal 20% aufweisen.
Diese Faser, die kein oberflächenaktives Mittel enthält, lässt sich sehr gut in das zementhältige Material einmischen und besitzt eine gute Bindung zur Baustoffmischung. Die geringe Dehnung ermöglicht es, dass die Reissfestigkeit der Faser bei Beanspruchung des daraus hergestellten
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Beton- oder Zementmörtelformteils voll zum Tragen kommt. Sie besitzt eine hohe Spleissneigung, was eine unregelmässige Oberfläche mit sich bringt, die ebenfalls vorteilhaft für eine gute Ver- ankerung im Beton ist.
Die erfindungsgemäss geforderte maximale Korngrösse des als Füllstoff verwendeten Zements ist sehr wesentlich für die Eigenschaften der damit hergestellten Fasern bzw. deren Festigkeitswerte, besonders bei hohem Verstreckungsgrad. Besonders günstig ist es, wenn der Kornanteil zwischen 60 und 90 pm unter 1% beträgt. Zementsorten, die dieser erfindungsgemässen Forderung genügen, findet man z. B. unter den Zementen der Sorte PZ 475, wobei einfach durch eine Siebanalyse die Eignung feststellbar ist. Zemente der Sorte PZ 275 sind hingegen meist nicht geeignet.
Es ist ferner zweckmässig, darauf zu achten, dass die verwendeten Fasern eine Reissfestigkeit von mindestens 5 cN/tex besitzen. Vorzugsweise sollte die Reissfestigkeit mindestens 10 cN/tex betragen. Die Reissfestigkeit wird hiebei nach DIN 53 834 bestimmt.
Fasern mit dieser Reissfestigkeit und der geforderten geringen Dehnung werden erhalten, wenn sie über ein Splitfaserverfahren hergestellt werden, wobei es der Vorteil der erfindungsgemässen Faser ist, dass sie bei höheren Verstreckungsgraden, beispielsweise bei solchen von 1 : 7 und mehr, z. B. bis zu 1 : 12 an Reissfestigkeit zunehmen. Das ist für eine so hochgefüllte Faser überraschend, vor allem auch im Hinblick auf die Natur des Füllstoffs.
Die erfindungsgemässen Polyolefinfasern oder -fäden können entweder in Stapel geschnittene Einzelfasern oder an manchen Stellen lose zusammenhängende Netzwerkfasern oder auch sogenannte Endlosfäden sein. Im Hinblick darauf, dass möglichst die für Asbestzement entwickelten Verfahren anwendbar sein sollen, sind Stapelfasern bevorzugt, wobei mit solchen einer Stapellänge von 0, 2 bis 2,0 cm besonders günstige Eigenschaften erzielt werden und gleichzeitig gute Verarbeitungsmöglichkeiten bestehen.
Die Feinheit der Faser ist an sich nicht kritisch. Da es sich um eine Splitfaser handelt, variiert sie sehr stark und beträgt beispielsweise von 1 bis 180 dtex, wobei das gleichzeitige Vorliegen von dünnen und starken Fasern oder Faserteilen günstig ist. Zweckmässigerweise wird die Faser oberflächlich mit einer Avivage versehen. Als solche kommt z. B. eine solche auf Basis von äthoxylierten Alkoholen oder äthoxylierten andern organischen Verbindungen in Frage.
Die erfindungsgemässe Faser kann ausser dem Zementgehalt auch noch andere Füllstoffe enthal-
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dass diese Füllstoffe nur in solchen Mengen angewendet werden, dass die kennzeichnenden Eigenschaften der erfindungsgemässen Faser, wie hydrophile Oberfläche, Spleissneigung, unregelmässige Oberfläche, nicht verlorengehen. So ist z. B. Talkum dafür bekannt, dass er wesentlich hydrophober ist und die Spleissneigung von Polyolefinfasern herabsetzt. Zweckmässigerweise sollte daher die Talkummenge gegenüber dem Zement nicht überwiegen.
Wie schon erwähnt, gelingt die Herstellung der erfindungsgemässen Fasern über ein Splitfaserverfahren, gemäss dem zunächst eine Primärfolie erzeugt wird, die nach Verstrecken entweder von selbst spleisst oder in der Spleissung durch mechanische Mittel wie z. B. Stachelwalzen unterstützt wird. Die Anwendung eines Splitfaserverfahrens ist wesentlich, da solche Fasern ausser der erfindungsgemäss geforderten niedrigen Dehnung auch durch das Aufspleissen Verästelungen und eine ungleichmässigere Oberfläche besitzen als schmelzgesponnene Fasern, was alles zur besseren Verankerung in der zementhältigen Mischung beiträgt und einen besseren Verbund herbeiführt.
Aus der erfindungsgemässen Faser können Bauelemente, wie Platten, Rohre usw. auf Basis von Zement hergestellt werden, die die erfindungsgemässe Faser als Verstärkungsfaser enthalten.
Die Faser kann hiebei in Form von Stapelfasern, Multifilamenten oder als Netzwerke, wie es bei Spleissen von Folien entsteht, zugegen sein, wobei Stapelfasern bevorzugt sind. Die Menge an Faser richtet sich nach den gewünschten Eigenschaften des Bauelements. In der Regel hat sich eine Menge
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B.lenstoffasern, Stahlfasern u. ähnl. enthalten.
Die folgenden Beispiele sollen die erfindungsgemässe Polyolefinfaser, deren Herstellungsverfahren und Anwendung näher darstellen.
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Beispiel 1 : Polypropylenpulver wird mit 30 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmischung, eines Portlandzements der Type 475 und der Korngrössenverteilung > 75 pm 0 > 60 Jlm 0, 1% > 40 Jlm 0, 8% * 33 pu 1, 6% < 33pm Rest im Intensivmischer gemischt und anschliessend granuliert. Aus dem Granulat wird nach dem Chill-roll-Verfahren eine Primärfolie hergestellt, die nach Verstreckung bei 120 C mit einem Reckverhältnis von 1 : 7, 67 unter Verwendung eines Fibrillators zu Splitfasern verarbeitet wird, die auf eine Stapellänge von 0,2 cm geschnitten wurden.
Die so erhaltenen Fasern besitzen eine Reissfestigkeit nach DIN 53834 von 9,4 cN/tex und eine Bruchdehnung von 4, 3%. Wird bei der Herstellung der Folie nicht das Chill-roll-Verfahren sondern ein Verfahren mit Wasserbadkühlung angewendet, so besitzen die Fasern beim gleichen Reckverhältnis folgende Kennzahlen :
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<tb>
<tb> Reissfestigkeit <SEP> 10,7 <SEP> cN/tex
<tb> Bruchdehnung <SEP> 5,3%
<tb>
Beispiel 2 : Aus einem Granulat gemäss Beispiel 1 werden, wie in Beispiel 1 beschrieben, Splitfasern hergestellt und zu Stapelfasern einer Länge von 0, 2 cm geschnitten, wobei jedoch ein Reckverhältnis von 1 : 8, 15 gewählt wurde.
Die so erhaltenen Fasern besitzen eine Reissfestigkeit von 10, 8 cN/tex und eine Bruchdehnung von 4, 8%.
Beispiel 3 : Aus einem Granulat gemäss Beispiel 1 werden, wie in Beispiel 1 beschrieben, Stapelfasern einer Länge von 0, 2 und 0, 5 cm hergestellt, wobei ein Reckverhältnis von 1 : 9, 35 angewendet wurde.
Die so erhaltenen Fasern besitzen eine Reissfestigkeit von 13,5 cN/tex und eine Bruchdehnung von 5, 3%.
Wird bei der Herstellung der Folie nicht das Chill-roll-Verfahren sondern ein Breitschlitzdüsenverfahren mit Wasserbadkühlung angewendet, besitzen die Fasern bei Einhaltung des gleichen Reckverhältnisses folgende Kennzahlen :
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<tb>
<tb> Reissfestigkeit <SEP> 10,3 <SEP> cN/tex
<tb> Bruchdehnung <SEP> 4,7%
<tb>
Beispiel 4 : Gemäss den Beispielen 1 bis 3 hergestellte Fasern wurden in einer Menge von 3 Vol.-% in einen für die Herstellung von Asbestzementplatten üblichen Portlandzement eingemischt und aus der Mischung wurden in üblicher Weise Platten geformt.
Die Platten wurden zu schmalen Stäben gesägt und diese Stäbe bis zum Reissen einer Zugspannung in Anlehnung an die Methode
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<tb>
<tb> Probe <SEP> gemäss <SEP> Verstreckungsgrad <SEP> max. <SEP> in <SEP>
<tb> N/cm2
<tb> Beispiel <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> : <SEP> 7, <SEP> 67 <SEP> 192
<tb> Beispiel <SEP> 2 <SEP> 1 <SEP> : <SEP> 8, <SEP> 15 <SEP> 243
<tb> Beispiel <SEP> 3 <SEP> 1 <SEP> : <SEP> 9,35 <SEP> 238
<tb> Schnittlänge <SEP> 0,2 <SEP> cm
<tb> Beispiel <SEP> 3 <SEP> 1 <SEP> : <SEP> 9,35 <SEP> 284
<tb> Schnittlänge <SEP> 0,5 <SEP> cm
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PATENTANSPRÜCHE :
1.
Polyolefinfasern oder -fäden zur Verwendung als Verstärkungsfaser für Baustoffmischungen auf Basis Zement enthaltend als Füllstoff, gegebenenfalls neben andern Füllstoffen anorganischer Natur, 5 bis 45 Gew.-% Zement, bezogen auf das Polyolefin, dadurch gekennzeichnet, dass der als Füllstoff vorliegende Zement eine Korngrösse von unter 90 pm besitzt und die Fasern oder Fäden eine Dehnung von maximal 20% aufweisen.