CH633503A5 - Faserverstaerktes zementartiges material. - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein faserverstärktes, zementartiges, durch Hydratisieren härtbares Material, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es 2-20 Vol.-%, bezogen auf das gehärtete, faserverstärkte Material, an kurzgeschnittenen Polyvinylalkoholfasern enthält, die eine Dehnung von 4-8% und ein A-Modul von über 1,274 N/dtex aufweisen, bzw. ein Verfahren zur Herstellung eines solchen faserverstärkten, zementartigen Materials, bzw. Polyvinylalkoholfasern zur Durchführung dieses Verfahrens.
Asbestverstärkte Zementmassen werden heutzutage bei der Herstellung von z.B. Rohren, Dachplatten, Wandverkleidungen, Blumengefässen, Häuser-, Dach- und Kaminverkleidungen usw. eingesetzt.
Asbesthaltige zementartige Materialien haben auch bei geringer Dicke eine verhältnismässig grosse Festigkeit. Die herkömmlichen asbesthaltigen zementartigen Substrate haben jedoch eine relativ geringe Schlagfestigkeit und gehen z.B. beim Auftreffen eines Steins leicht zu Bruch. Diese Tatsache spielt vor allem eine Rolle, wenn das asbesthaltige zementartige Substrat für die Anfertigung von Rohren, Dachplatten, Wandverkleidungen usw. verwendet wird. Es wurde schon vorgeschlagen, zur Erhöhung der Festigkeit den betreffenden Asbestgehalt zu erhöhen. Diese Massnahme hat jedoch nur einen geringen Effekt zur Folge.
Sie ist aber auch unter dem Gesichtspunkt der Vergeudung von Rohstoffen nicht zu empfehlen.
Man hat deshalb schon vorgeschlagen, natürliche oder synthetische Fasern zur Armierung der Zementmatrix zu verwenden. Im Falle eines Zusatzes von Naturfasern wie
Zellulose, Baumwolle und Seide sowie von Kunstfasern wie Polyamid-, Polyester- und Polypropylenfasern hat diese Massnahme zwar zu gewissen Erfolgen geführt; eine Verbesserung im gewünschten Ausmass wurde aber nicht erreicht. Verhältnismässig gute Resultate erhält man beim Zusatz von Glasfasern zum zementartigen Substrat. Es ist aber hierbei eine alkalibeständige Glasfaser einzusetzen (vgl. z.B. Jap. O.S. 104'918/1974), was wegen des hohen Einstandspreises einer solchen Faser teure Produkte ergibt. Zudem haben Langzeitversuche ergeben, dass bei einem solchen Vorgehen nach verhältnismässig kurzer Zeit mit einem Nachlassen der Festigkeiten gerechnet werden muss.
Weiterhin wurde vorgeschlagen, zementartige Massen mit Mischungen von anorganischen und organischen Fasern zu verstärken. In der Jap. O.S. 104'917/1974 wird z.B. gezeigt, wie mit Mischungen von Glasfasern und Polyvinylalkoholfasern verstärkte Zementprodukte hergestellt werden können. Das Verhalten solcher Produkte ist aber ebenfalls nicht ideal, insbesondere was die Biegefestigkeit betrifft.
Es wurde nun gefunden, dass man sehr biegezugfeste und schlagzähe zementartige Substrate erhält, die die erwähnten Nachteile nicht aufweisen, wenn man den zement-haltigen Materialien 2-20 Vol.-%, bezogen auf das gehärtete, faserverstärkte Material, an kurzgeschnittenen Polyvinylalkoholfasern zusetzt, die eine Dehnun von 4-8% und ein A-Modul von mehr als 1,274 N/dtex aufweisen. Bei diesen Polyvinylalkohol-Fasern (PVA-Fasern) handelt es sich um PVA-Fasern der sog. zweiten Generation. Sie werden mit Hilfe von Zusätzen wie z.B. Borsäure zur Spinnlösung hergestellt und einer thermischen Nachbehandlung unterworfen. Die so erzeugten Fasern unterscheiden sich von den PVA-Fasern der sog. ersten Generation hinsichtlich besonders hoher Festigkeit, Wasserunlöslichkeit, niedriger Dehnung und hohem Anfangsmodul (A-Modul).
Unter einem zementartigen Material wird ein Material verstanden, das einen anorganischen Zement und/oder ein anorganisches Binde- oder Klebemittel enthält, das durch Hydratisieren härtbar ist. Zu besonders geeigneten Bindemitteln, die durch Hydratisieren härtbar sind, zählen z.B. Portlandzement, Schmelzzement, Eisenportlandzement, Trasszement, Hochofenzement oder auch Gips.
PVA-Fasern der sorgenannten ersten Generation sind Polymerisate der allgemeinen Formel [-CH2-CH(OH)-]n mit M.G. von z.B. 13 000-100000 und einer Dichte von z.B. 1,23-1,30 und werden im allgemeinen durch Verseifung von Polyvinylacetat hergestellt (vgl. z.B. Römpps Chemie Lexikon, 7. Aufl., S. 2776). Auch die PVA-Fasern der bereits erwähnten sog. zweiten Generation sind an sich bekannt und können z.B. gemäss US-Patentschrift 3 987 140 hergestellt werden.
PVA-Fasern werden gemäss vorliegender Erfindung dem zementartigen Substrat in derartigen Mengen zugesetzt, dass das erhaltene Produkt 2-20 VoI.-% an diesen Fasern enthält. Fasermischungen unter 2% bringen gemäss den gemachten Erfahrungen keine wesentlichen Verbesserungen bezüglich z.B. Biegezug- und Schlagzähigkeit. Faserzumi-schungen über 20 Vol.-% verteuern die Herstellung der gewünschten Produkte stark, ohne dass dabei die betreffenden Festigkeiten nennenswert verbessert würden.
Die Fasern werden bevorzugt in Schnittlängen von 3-12 mm zugemischt, wobei sowohl gleichmässig lange Einzelfasern als auch eine Mischung verschieden langer Fasern zum Einsatz kommen. Auch gemahlene Fasern können verwendet werden. Der Titer der Einzelfasern kann in einem weiten Bereich schwanken, doch sind Titer von 1-5 dtex bevorzugt.
Die Fasern können in der Zementmasse gleichmässig verteilt sein, oder aber wie z.B. bei Formstücken an Stellen,
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welche den Einwirkungen mechanischer Kräfte besonders ausgesetzt sind, in erhöhter Konzentration vorliegen. Die Fasern können auch in Form von Faservliesen, Garnen, Seilen, Netzen, Geweben usw. eingesetzt werden.
Die Querschnitte der Fasern können, bedingt durch physikalische und chemische Variationen im Herstellungsverfahren (Spinnlösungsmittel und Fällbad sowie durch die Auswahl von entsprechenden Spinndüsenbohrungen) die verschiedensten Formen aufweisen. Es lassen sich auf diese Weise z.B. runde Fasern, multilobale Fasern, Hohlfasern, poröse Fasern usw. herstellen. Die äussere Faseroberfläche kann ebenfalls durch physikalische Nachbehandlungsprozesse aufgerauht, zerklüftet oder verfilzbar gemacht worden sein. PVA-Fasern sind chemisch gesehen ein sehr reaktives Substrat, so dass sich diese problemlos chemisch modifizieren lassen. Es lassen sich sämtliche gebräuchliche funktionelle Gruppen wie Carboxylgruppen, Amidgruppen, Nitril-gruppen, Phosphatgruppen, Sulfatgruppen usw. über Additionsreaktionen, Substitutionsreaktionen oder Radikalreaktionen mit den entsprechenden Reagenzien einführen. Avi-vagen oder Haftvermittler lassen sich ohne eigentliche chemische Reaktionen auf oder in die Fasern bringen und können durch rein physikalische Kräftebildungen spezielle Funktionen für die Verankerung der PVA-Fasern in der zu verstärkenden Masse ausüben. Mit den oben erwähnten Methoden lassen sich PVA-Fasern z.B. flammfest, hydrophob usw. ausrüsten oder vernetzen. Alle die auf diese Weise modifizierten PVA-Fasern können gemäss vorliegender Erfindung ebenfalls für den in Frage stehenden Zweck zum Einsatz gelangen.
Man kann beim erfindungsgemässen Verfahren dem zementartigen Substrat zur Verbesserung der gewünschten Eigenschaften ausschliesslich Polyvinylalkoholfasern zusetzen. Meist wird aber vorgezogen, neben den erfindungs-gemäss spezifizierten PVA-Fasern noch Asbest-, Glas- oder andere Kunst- oder Naturfasern allein oder in Kombination zuzusetzen.
Häufig werden der zu verstärkenden Masse neben den Verstärkungsfasern auch noch Hilfsstoffe wie Zellstoffabfälle, Holzschliff, fibrilliertes Fasermaterial («fibrids») z.B. aus Polypropylen und andere Füllstoffe zugesetzt.
Das Wesen der vorliegenden Erfindung soll anhand der Beispiele 2-3 näher erläutert werden, wobei diese Beispiele 5 die vorliegende Erfindung jedoch in keiner Weise beschränken sollen. Die Beispiele 1 und 4 sind Vergleichsbeispiele. Beispiele 2 und 3 zeigen die Überlegenheit der Zementmassen gemäss vorliegender Erfindung über solche gemäss des Standes der Technik.
10
Beispiel 1-4
Es wurden wässrige Portlandzement-Aufschlämmungen hergestellt, welche die entsprechenden Vol.-% an den entsprechend geschnittenen Fasern enthielten. In Beispiel 1 15 wurden insgesamt 12 Gew.-% an Chrysotile-Asbest zugesetzt. In den Beispielen 2 und 3 wurden 50 Vol.-% dieses Asbests (Dichte 2,7) durch die betreffenden Vol.-% PVA-Fasern gemäss vorliegender Erfindung resp. in Beispiel 4 durch 50 Gew.-% konventioneller PVA-Fasern (beide Fa-20 sern mit einer Dichte von 1,3) ersetzt.
Im Wickelverfahren (die Aufschlämmung wird auf ein Drahtgitter einer Schichtenmaschine in Form einer Schicht abgelegt, so dass das Wasser abfliesst. Danach werden die Feststoffkomponenten auf dem Drahtgitter auf ein endloses 25 Filzband in Form einer nassen Schicht überführt und diese letztere danach auf eine Trommel aufgewickelt) wurden Vliese hergestellt und bei 100% rei. Feuchtigkeit und 21°C hydratisiert. Nach 28 Tagen wurden in gewässertem Zustand Biegezugfestigkeit und Schlagzähigkeit gemessen. Die 30 Resultate sind in der nachfolgenden Tabelle zusammengestellt.
Die eingesetzten konventionellen und gemäss der vorliegenden Erfindung verwendeten PVA-Fasern wiesen die folgenden charakteristischen Daten auf:
35
Konventionelle Fasern
Fasern gem. vorl. Erfind.
40
45
Schnittlänge Bruchdehnung A-Modul Reissfestigkeit
6 mm 22%
0,637 N/dtex 44,5 mN/dtex
6 mm 6,5%
2,21 N/dtex 83,3 mN/dtex
Beispiel
Asbest Vol.-%
PVA Vol.-%
Biegezugfestigkeit N/cm2
Schlagzähigkeit cm. N/cm2
Dichte g/cm3
1
100
—
3136
±
294
12,74
1,8
2
50
50
3332
294
22,54
1,8
3
90
10
3547
19,6
1,8
4
50
50
2009
±
392
19,6
1,8
Beispiel 4 zeigt als Vergleichsbeispiel die Festigkeiten, welche bei einer 50% igen Ersetzung von Asbest durch konventionelle PVA-Fasern erhalten werden, während in den 65 Beispielen 2 und 3 die entsprechenden mit den erfindungsgemässen PVA-Fasern erzielten Werte festgehalten sind.
Man sieht, dass ein 50%iger Ersatz von Asbest durch die erfindungsgemässen PVA-Fasern eine beträchtlich höhe-
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4
re Schlagzähigkeit ergibt als wenn man als Zusatz ausschliesslich Asbest verwendet. Die Biegezugfestigkeit bleibt dabei praktisch unverändert. Das Vergleichsbeispiel Nr. 4 mit 50%igem Ersatz durch eine konventionelle PVA-Faser zeigt dagegen erheblich niedere Werte bezüglich der Biegezug-
fähigkeit. Auch die betreffende Schlagzähigkeit ist deutlich niedriger als bei Verwendung einer erfindungsgemässen PVA-Faser. Beim Zusatz von Fasern mit einer Schnittlänge von 3 mm bzw. 12 mm gelangt man zu analogen Versuchs-s resultaten.
v
Claims (9)
1. Durch Hydratisieren härtbares, faserverstärktes, zementartiges Material, das einen anorganischen Zement und/ oder ein anorganisches Binde- oder Klebemittel enthält, dadurch gekennzeichnet, dass es 2 - 20 Vol.-%, bezogen auf das gehärtete faserverstärkte Material, an kurzgeschnittenen Polyvinylalkoholfasern enthält, die eine Dehnung von 4-8% und ein A-Modul von über 1,274 N/dtex aufweisen.
2. Material gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Polyvinylalkoholfasern einen Titer von 1-5 dtex aufweisen.
2
PATENTANSPRUCH iE
3. Material gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es Asbest enthält.
4. Material gemäss Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass es Glasfasern, Metallfasern oder andere natürliche oder synthetische faserige Materialien enthält.
5. Material gemäss einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass es Füllstoffe enthält.
6. Material gemäss Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass es als Füllstoff Holzschliff, Zellstoffabfälle und/ oder fibrilliertes Fasermaterial enthält.
7. Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten, zementartigen Materials gemäss den Ansprüchen 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass man dem zementartigen Material kurzgeschnittene Polyvinylalkoholfasern mit einer Dehnung von 4-8% und einem A-Modul von über 1,274 N/dtex in einer solchen Menge zusetzt, dass das gehärtete Material 2-20 Vol.-% dieser Fasern enthält.
8. Verfahren gemäss Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Polyvinylalkoholfasern eine Schnittlänge von 3-12 mm aufweisen und einheitlich lang sind oder als eine Mischung verschieden langer Fasern zugesetzt werden.
9. Polyvinylalkoholfasern zur Durchführung des Verfahrens gemäss Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Dehnung von 4-8% und ein A-Modul von über 1,274 N/dtex aufweisen.
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