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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 Zumischung 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.
EMI1.1
Fibrillieren eines unidimensional gereckten Films entsteht, für die Verstärkung von Bauteilen aus Zement eingesetzt. 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. 1, 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 Aminsulfonates, 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. 1, 316, 661 besitzen an der Oberfläche einen hydrophilen Charakter, so dass das Einmischen der Fasern 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 dann auch bei Zementgehalten von 40% und mehr 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, 45 bis 80 Gew.-% Zement bezogen auf das Polyolefin, die dadurch gekennzeichnet sind, dass der als Füllstoff vorliegende Zement eine Korngrösse von unter 90 um 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 zement-
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hältige Material einmischen und besitzt eine gute Bindung zur Baustoffmischung. Die geringe Dehnung ermöglicht es, dass die Reissfestigkeit der Faser bei Beanspruchung des daraus hergestellten 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 Verankerung 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 um 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 53834 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, vorzugsweise 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 Füllstoffes.
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 enthalten, wobei die Mindestmenge an Zement von 45 Gew.-% einzuhalten ist. Solche Füllstoffe können z. B. Talkum, Calciumcarbonat, Bariumsulfat u. ähnl. sein. Es ist allerdings dabei zu beachten, dass diese Füllstoffe nur in solchen Mengen angewendet werden, dass die kennzeichnenden Eigenschaften der erfindungsgemässen Faser, wie hydrophile Oberfläche, Spleissneigung, unregelmässige Oberfläche, nicht, verloren gehen. So ist z. B. Talkum dafür bekannt, dass er wesentlich hydrophober ist und die Spleissneigung von Polyolefinfasern herabsetzt.
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.
Vorzugsweise wird die Folie dabei mindestens im Verhältnis 1 : 7 verstreckt.
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 Netzwerk, wie es bei Spleissen von Folien entsteht, zugegen sein, wobei Stapelfasern bevorzugt sind. Die Menge an Faser richtet sich nach den gewünschten Eigenschaften des Bauelementes. In der Regel hat sich eine Menge von 0, 2 bis 10 Vol.-% Faser, bezogen auf das Bauelement, als zweckmässig erwiesen.
Diese Bauelemente können zusätzlich auch andere übliche Verstärkungsfasern wie z. B. Kohlenstoffasern, Stahlfasern u. ähnl. enthalten.
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Die folgenden Beispiele sollen die erfindungsgemässe Polyolefinfaser, deren Herstellungsverfahren und Anwendung näher darstellen.
Beispiel 1 : Polypropylenpulver wir mit 50 Gew.-%, bezogen auf eingesetztes Polypropylen, eines Portlandzementes der Type 475 mit einem Kornanteil 60 pm von 0,2% und über 75 pm von 0 im Intensivmischer gemischt und anschliessend granuliert. Aus dem Granulat wird über eine Breitschlitzdüse mit anschliessender Wasserbadkühlung eine Primärfolie hergestellt, die anschliessend bei 130 C im Verhältnis 1 : 8, 77 verstreckt wird. Sie wird unter Anwendung eines mechanischen Fibrillators zu Splitfasern verarbeitet, die auf Schnittlängen von 0, 6 cm und 1, 3 cm geschnitten werden. Die Fasern besitzen eine Reissfestigkeit nach DIN 53834 von 10,8 cN/tex und eine Bruchdehnung von 1, 97%.
Beispiel 2 : Aus Polypropylenpulver und dem gleichen Zement wie in Beispiel 1, jedoch unter Verwendung von 66, 6 Gew.-% Zement, bezogen auf das eingesetzte Polypropylen, wurde wie in Beispiel 1 beschrieben eine Mischung erzeugt, die mit Hilfe einer Chill-roll-Anlage zu einer Primärfolie verarbeitet, bei 130 C einmal im Verhältnis 1 : 10, 77 und ein anderesmal im Verhältnis 1 : 12, 5 verstreckt und anschliessend mechanisch fibrilliert wird. Die Faser wird dann zu einer Länge von 0,6 cm geschnitten.
Sie besitzt folgende Eigenschaften :
EMI3.1
<tb>
<tb> Reckverhältnis <SEP> 1 <SEP> : <SEP> 10, <SEP> 77, <SEP> Reissfestigkeit <SEP> 9, <SEP> 1 <SEP> cN/tex, <SEP>
<tb> Bruchdehnung <SEP> 5, <SEP> 07% <SEP>
<tb> Reckverhältnis <SEP> 1 <SEP> : <SEP> 12, <SEP> 5, <SEP> Reissfestigkeit <SEP> 11, <SEP> 2 <SEP> cN/tex
<tb> Dehnung <SEP> 3, <SEP> 12% <SEP>
<tb>
Beispiel 3 : Gemäss den Beispielen 1 und 2 hergestellte Fasern wurden mit verschiedenen handelsüblichen Avivagen auf Basis äthoxylierter Fettalkohole und eine Probe nur mit Wasser behandelt und in einer Menge von 3 Vol.-% in einen für die Herstellung von Asbestzementplatten üblichen Portlandzement eingearbeitet.
Aus der Mischung wurden in üblicher Weise Platten geformt und aus diesen schmale, stabförmige Probekörper gesägt, die auf ihre Zugspannung in Anlehnung an die Methode nach DIN 53455 untersucht wurden. Die Werte, die in der Tabelle mit max. angegeben sind, wurden bei vollständigem Bruch des Stabes gemessen. Als Vergleich wurden in gleicher Weise hergestellte Probestäbe getestet, die die gleiche Menge einer Polypropylenfaser einer Stapellänge von 0, 6 cm aus dem gleichen Polypropylen wie die erfindungsgemässe Faser, aber ohne Zementzusatz, jedoch ebenfalls mit der gleichen Menge Avivage versehen, enthielten. Die Polypropylenfaser wurde bei der Herstellung im Verhältnis 1 : 3, 3 verstreckt und besass eine Reissfestigkeit von 28 bis 32 cN/tex und eine Bruchdehnung von 80 bis 100%.
Bei den drei Proben mit 66, 6 Gew.-% Zement, bezogen auf Polypropylen, enthaltenden Fasern und einer Verstreckung von 1 : 12, 5 handelt es sich um drei Proben mit drei verschiedenen Avivagen. Die Avivage jener Faser, mit der ein max.-Wert von 389 N/cm'erzielt wurde sowie jene der Vergleichsfaser war die gleiche, wie sie für die Proben mit 50 Gew.-% Zement bezogen auf Polypropylen der Faser eingesetzt wurde.
Tabelle
EMI3.2
<tb>
<tb> Probe <SEP> gemäss <SEP> Schnittlänge <SEP> Verstreckungsgrad <SEP> max
<tb> cm <SEP> N/cm2 <SEP>
<tb> Beispiel <SEP> 1 <SEP> 0, <SEP> 6 <SEP> 1 <SEP> : <SEP> 8, <SEP> 77 <SEP> 442
<tb> mit <SEP> Wasser <SEP> beh.
<tb>
Beispiel <SEP> 1 <SEP> 0, <SEP> 6 <SEP> 1 <SEP> : <SEP> 8, <SEP> 77 <SEP> 482
<tb> aviviert
<tb> Beispiel <SEP> 1 <SEP> 1, <SEP> 3 <SEP> 1 <SEP> : <SEP> 8, <SEP> 77 <SEP> 494
<tb> aviviert
<tb>
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Tabelle (Fortsetzung)
EMI4.1
<tb>
<tb> Probe <SEP> gemäss <SEP> Schnittlänge <SEP> Verstreckungsgrad <SEP> max
<tb> cm <SEP> N/cm2 <SEP>
<tb> Beispiel <SEP> 2 <SEP> 0, <SEP> 6 <SEP> 1 <SEP> : <SEP> 10, <SEP> 77 <SEP> 304
<tb> aviviert
<tb> Beispiel <SEP> 2 <SEP> 0, <SEP> 6 <SEP> 1 <SEP> : <SEP> 12, <SEP> 5 <SEP> 327
<tb> aviviert
<tb> Beispiel <SEP> 2 <SEP> 0, <SEP> 6 <SEP> 1 <SEP> : <SEP> 12, <SEP> 5 <SEP> 362
<tb> aviviert
<tb> Beispiel <SEP> 2 <SEP> 0, <SEP> 6 <SEP> 1 <SEP> : <SEP> 12, <SEP> 5 <SEP> 389
<tb> Beton <SEP> mit <SEP> 0, <SEP> 6 <SEP> 1 <SEP> :
<SEP> 3, <SEP> 3 <SEP> 154
<tb> PP-Faser <SEP> aviviert
<tb>
PATENTANSPRÜCHE :
1. Polyolefinfasern oder -fäden zur Verwendung als Verstärkungsfaser für Baustoffmischungen auf Basis Zement enthaltend als Füllstoff, gegebenenfalls neben andern Füllstoffen anorganischer Natur, 45 bis 80 Gew.-% Zement bezogen auf das Polyolefin, dadurch gekennzeichnet, dass der als Füllstoff vorliegende Zement eine Korngrösse von unter 90 um besitzt und die Fasern oder Fäden eine Dehnung von maximal 20% aufweisen.