CH637609A5

CH637609A5 - Verfahren zur herstellung eines polymerbetons aus einem bindemittel und einem zuschlagstoff sowie nach dem verfahren hergestellten polymerbeton.

Info

Publication number: CH637609A5
Application number: CH1062878A
Authority: CH
Inventors: David H Reighter
Original assignee: Bbc Brown Boveri & Cie
Priority date: 1977-10-13
Filing date: 1978-10-13
Publication date: 1983-08-15
Also published as: US4130536A; CA1093809A; DE2844740A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung Polymerbetons, bei dem ein Bindemittel mit einem Zuschlagstoff vermischt und das Gemisch ausgehärtet wird sowie auf einen gemäss dem Verfahren hergestellten Polymerbeton.

Seit ungefähr 1952 ist vereinzelt Interesse für die Verwendung von Zementbeton als Elektroisolatorenmaterial aufgetreten. Vor kurzem ist dieses Interesse wieder erwacht, vor allem durch wirtschaftliche Zwangslagen, welche sich durch die Kostensteigerungen von üblichen Porzellan- und Epoxyharzisolatoren ergeben haben.

Beton ist ein Gemisch von einem Zuschlagstoff und einem Bindemittel, welches Zement und/oder ein Kunstharz (Polymer) sein kann. Bei der Verwendung von Beton als elektrischem Isolatormaterial besteht ein Hauptproblem in der Schwierigkeit, einen Isolator mit genügendem Widerstand gegen einen hohen Feuchtigkeitsgehalt der Atmosphäre herzustellen. Feuchtigkeit ist für die Eigenschaften von Polymerbeton die schädlichste Komponente. Selbst scheinbar geringfügige Mengen von Restfeuchtigkeit, d.h. ungefähr 0,2% oder weniger, können die elektrischen Eigenschaften von Polymerbeton ungünstig beeinflussen.

In jüngster Zeit sind bei der Herstellung von Polymerbeton mit für die Verwendung als Isolatormaterial angemessenen elektrischen Eigenschaften grosse Fortschritte erzielt worden. Es ist jedoch gefunden worden, dass solche neue Materialien bei hohem Feuchtigkeitsgehalt der Atmosphäre, wie dies beispielsweise an der Golfstrom-Küste der USA der Fall ist, im Verlauf der Zeit immer noch durch das Problem der Wasserabsorption beeinträchtigt werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, ein Verfahren zur Herstellung eines aus einem Bindemittel und einem Zuschlagstoff bestehenden Polymerbetons anzugeben, bei welchem die Feuchtigkeitsabsorption auch unter Bedingungen mit hoher Feuchtigkeit der Atmosphäre im Verlauf der Zeit stark vermindert wird. Zudem soll ein gemäss dem 5 Verfahren hergestellter Polymerbeton angegeben werden, welcher sich durch besonders gute elektrische Isolierfähigkeit auszeichnet.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Zuschlagstoff vor der Vermischung mit dem Bindemit-io tel mit einem Silan behandelt wird. Besonders gute elektrische Isolierfähigkeit eines nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten Polymerbetons wird erreicht, wenn derselbe als Zuschlagstoff gemahlenes Porzellan mit Elektro-isolatorenqualität enthält.

15 Der erfindungsgemässe Polymerbeton hat Elektroisola-torenqualität und wird für den elektrischen Haus- und Freileitungsbau verwendet. Der Beton wird aus einem mit einem Silan beschichteten Zuschlagstoff und einem Bindemittel aus Kunstharz oder einem Gemisch aus Kunstharz und Zement 20 hergestellt.

Der eingesetzte Zuschlagstoff wird auch bei der üblichen Betonherstellung verwendet und ist eine Zusammenballung von gebrochenen Steinen, Kies, Geröll, Glasofenschlacke, Zinder, keramischen Materialien, Sand und/oder 25 dgl., vorzugsweise aber gemahlenes Porzellan mit Elektro-isolatorenqualität. Die Agglomeration von den den Zuschlagstoff bildenden Materialien sollte verschiedene Partikelgrössen haben, um den durch das Bindemittel des Betons gefüllten Volumenteil zu vermindern.

30 Das für die Behandlung des Zuschlagstoffs verwendete Silan hat vorzugsweise die Formel R'-Si (OR)3, wobei R ein Alkyl oder Alkoxyalkyl, das bevorzugt 1-8 C-Atome enthält, und R' ein Alkyl, ein Alkenyl oder ein mit einer organischen funktionellen Gruppe, wie einer Amino-. Epoxy-, 35 Mercapto- oder Methacryloxygruppe substituiertes Alkyl ist. Diese funktionellen Gruppen sind vorzugsweise mit einem niedrigeren Alkyl mit 1-4 verketteten C-Atomen an das Siliziumatom gebunden.

Geeignete Silane sind beispielsweise Vinyltriäthoxysilan, 40 Vinyl-bis-(2-Methoxyäthoxy)Silan, Y-Methacryloxypropyltri-methoxysilan, y-Aminopropyltrimethoxysilan, N-ß-(Amino-äthyl)-Y-Aminopropyltrimethoxysilan, ß-(3,4-Epoxy-Cyclo-hexyl) Äthyltrimethoxysilan, Y-Clycidoxypropyltrimethoxy-silan und y-Mercaptopropyl-Trimethoxysilan. 45 Der Zuschlagstoff kann auf irgendeine geeignete Weise mit dem Silan in Berührung gebracht werden, wie beispielsweise durch Tuschen in einem geeigneten Wälzmischer oder durch Aufsprühen des Silans auf den Zuschlagstoff. Im allgemeinen wird das Silan in einer Menge von 0,05-2,0 so Gew.-%, vorzugsweise 0,1-1,0 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Zuschlagstoffs, verwendet. Für die Bequemlichkeit der Behandlung kann das Silan mit irgendeinem geeigneten inerten, kompatiblen Trägermedium, wie einer Mischung von Wasser und Isopropylalkohol, verdünnt wer-55 den. In solcher Fällen sollte jedoch der behandelte Zuschlagstoff getrocknet werden, um das Trägermedium zu eliminieren. Die Behandlung wird vorzugsweise bei Raumtemperatur und Normaldruck durchgeführt, während einer Zeitdauer, die es erlaubt, dass das Silan und der Zuschlagstoff 50 tatsächlich hinreichend in Berührung gebracht werden, d.h. im allgemeinen während 0,1-5 Std., vorzugsweise während 0,1-0,5 Std.

Als Bindemittel für den Beton wird ein aushärtbarer Kunstharz, vorzugsweise ein Epoxyharz oder ein Gemisch 65 aus einem aushärtbaren Kunstharz und Zement eingesetzt. Die verwendeten Zemente entsprechen den üblicherweise bei der Betonherstellung verwendeten Zementen, so können beispielsweise Portlandzement, tonerdehaltiger Zement oder

3

637609

eine Mischung von beiden verwendet werden. Der einzusetzende Zement wird nach dem besonderen, beabsichtigten Verwendungszweck ausgewählt; es ist selbstverständlich bevorzugt, einen Zement mit einem minimalen Gehalt an elektrisch leitendem Material zu verwenden.

Die als Bindemittel bevorzugten Kunstharze sind Epoxy-harze auf der Basis von Hydantoinen. Ein Hydantoin ist ein heterocyclischer Fünferring mit zwei Stickstoffatomen. Bei der Bildung von Epoxyharzen ist das Hydantoin gewöhnlich am C-Atom in 5-SteIlung doppelt mit Alkylgrup-pen, meist mit niedrigeren Alkylgruppen, substituiert. Durch die Reaktion von Hydantoin mit Epichlorhydrin kann eine grosse Zahl von Epoxyharzen gebildet werden. Beispielsweise können Hydantoinringe miteinander verkettet werden, wodurch ein ausgedehnter, in bezug auf die Struktur dem Bisphenol A analoger Kunstharz entsteht. Aus diesen Ketten aus ausgedehntem Material können durch Glycidylisierung der Hydroxylgruppen und der verbleibenden Stickstoffatome auch polyfunktionelle Kunstharze gebildet werden.

Der Anteil des Bindemittels beträgt im allgemeinen 10-20 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht von Bindemittel und Zuschlagstoff. Es versteht sich von selbst, dass das Bindemittel das Hydantoin-Epoxyharz, den Härter und den Katalysator enthält. Bevorzugt werden ungefähr 90-140, vorzugsweise ungefähr 105-125 Gewichtsteile Härter pro 100 Gewichtsteile Epoxyharz und ungefähr 0,1-2,75, bevorzugt ungefähr 0,25-1,5 Gewichtsteile Katalysator pro 100 Gewichtsteile Epoxyharz, verwendet.

Der erfindungsgemässe Polymerbeton kann allein durch gemeinsames Mischen des Zuschlagstoffs und des Bindemittels in üblicher Weise, unter Anwendung von Vakuum, hergestellt werden, wodurch das Mitschleppen von Luft verhindert wird. Anschliessend wird das geformte Gemisch erhitzt, um das Aushärten auszulösen. Der Beton kann auch hergestellt werden, indem der Zuschlagstoff von Zementbeton imprägniert wird. In diesem Fall werden der Zement und der Zuschlagstoff auf übliche Art gemischt und teilweise ausgehärtet und getrocknet, dann wird der teilweise ausgehärtete Beton mit dem Kunstharzbindemittel unter Vakuum imprägniert.

Es muss betont werden, dass die in der vorliegenden Erfindung verwendeten Silane üblicherweise als Haftverbesserer in Verbundwerkstoffen mit Mineraleinsätzen verwendet werden. Die Silanbehandlung der vorliegenden Erfindung dagegen bringt in physikalischer Hinsicht keinerlei Verbesserung, z.B. in bezug auf die mechanische Festigkeit, weil die Festigkeit des Zuschlagstoffs der massgebende Faktor ist. Die Behandlung erniedrigt hingegen die Feuchtigkeitsabsorption, insbesondere unter Bedingungen mit hohem Feuchtigkeitsgehalt der Atmosphäre. Es wird vermutet, dass der erhöhte Feuchtigkeitswiderstand eine Folge der erhöhten Bindungskräfte zwischen dem Bindemittel und dem Zuschlagstoff ist, welche das molekulare Eindringen der Feuchtigkeit entlang der Korngrenzen dem ersten Ort, wo Feuchtigkeit eindringt, vermindert.

Der Widerstand gegen Feuchtigkeitsabsorption wird am wenigsten aufwendig durch die Messung der Veränderung des Dissipationsfaktors bestimmt, weil dieser Parameter eine der durch Feuchtigkeit am meisten veränderten Messgrös-sen ist. Auch ist diese Methode empfindlicher als gravime-trische Messungen.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Beispiel 1

Zwei Betonproben werden hergestellt, indem 756 Gewichtsteile von grob gemahlenem Feldspat-Porzellan mit Elektroisolatorenqualität (grösser als 30 Mesh 0,6 mm),

376 Gewichtsteile von mittelfein gemahlenem Feldspat-Porzellan mit Elektroisolatorenqualität (kleiner als 30 Mesh ast 0,6 mm), 510 Gewichtsteile Quarmehl (325 Mesh 0,045 mm), 148 Gewichtsteile Hydantoin-Epoxyharz, 5 174 Gewichtsteile Methyltetrahydrophtalsäureanhydrid, 0,75 Gewichtsteile Benzyldimethylamin-Katalysator und 4 Gewichtsteile des Flussmittelzusatzes MODIFLOW (Monsanto Corp.) bei ungefähr 55°C gemischt werden. Anschliessend wird das gemischte Material in eine Form einge-lo füllt, welche dann während 2 Min. zum Verdichten und Austreiben der Luft vibriert wird, gefolgt von einem Erhitzen auf 80°C während 45 Min., um das Aushärten des Kunstharzes auszulösen. Schliesslich werden die Betonkörper während 4 Std. bei 149°C vollständig ausgehärtet. 15 In einem der beiden Probekörper waren das Prozellan und das Quarzmehl wie folgt mit Silan behandelt: Der trockene Zuschlagstoff wurde in einen verschliessbaren Drehmischer gegeben. Ein Gemisch von 1 Gew.-% ß-(3,4--Epoxycyclohexyl) Äthyltrimethoxysilan, bezogen auf das 20 Gewicht des Zuschlagstoffs, verdünnt mit einer gleichen Menge einer 10 Gew.-% Wasser/90 Gew.-% Isopropylalko-hol-Mischung wurde innerhalb von 5 Min. als dünner Strom in den Drehmischer gegeben. Der Mischer wurde dann während 10 weiterer Minuten bewegt, nachher wurde der 25 Zuschlagstoff in einer nicht mehr als 2,54 cm dicken Schicht während mindestens 1 Std. bei 105°C getrocknet.

Die beiden Betonproben wurden in einer Atmosphäre mit 95% relativer Feuchtigkeit gealtert, und der Dissipations-faktor gemessen. Die Resultate werden in der nachfolgen-30 den Tabelle I zusammengefasst.

Dissipationsfaktor (% tan y 23°C) Tage in 95% Unbehandelter Behandelter rei. Feuchtigkeit Beton Beton

35

0

2,2

1,9

5

2,9

2,4

15

3,95

2,8

24

4,35

3,0

40

4,6

3,47

50

—

3,7

52

5,1

—

68

5,6

3,75

75

5,8

3,7

80

—

3,6

Beispiel 2

Die obenstehende Herstellung von Beton wurde wiederholt, mit der Ausnahme, dass tonerdehaltiges Prozellan vergo wendet wurde, und dass der Anteil des Hydantoin-Epoxy-harzes von 148 auf 150 Gewichtsteile erhöht wurde. Der Dissipationsfaktor des Betons mit silanbehandeltem Zuschlagstoff lag am Anfang bei ungefähr 1,9, stieg nach 25 Tagen auf ungefähr 2,8 und blieb dann während zusätzli-65 chen 30 Tagen bei ungefähr 2,8. Der Dissipationsfaktor des Betons mit unbehandeltem Zuschlagstoff lag am Anfang bei ungefähr 2,2, stieg nach 30 Tagen auf ungefähr 3,5, nach 38 Tagen auf ungefähr 3,9 und blieb dann während weite-

637609

4

ren 20 Tagen bei ungefähr 3,9. Die dielektrische Konstante (60 Hz, 23°C) des Betons mit silanbehandeltem Zuschlagstoff lag am Anfang bei ungefähr 5,8 und stieg dann während 50 Tagen im wesentlichen linear auf ungefähr 5,9. Der Beton mit unbehandeltem Zuschlagstoff hingegen hatte am

Anfang eine dielektrische Konstante von ungefähr 6,3, diese stieg dann während 50 Tagen im wesentlichen linear auf ungefähr 6,7. Alle Messungen wurden an Proben durchgeführt, die in einer Atmosphäre mit 95 % relativer Feuch-5 tigkeit alterten.

v

Claims

637 609

1. Verfahren zur Herstellung eines Polymerbetons, wobei ein Bindemittel mit einem Zuschlagstoff vermischt und das Gemisch ausgehärtet wird, dadurch gekennzeichnet,

dass der Zuschlagstoff vor der Vermischung mit dem Bindemittel mit Silan behandelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Silan die Formel R'-Si(OR)3 hat, wobei R ein Alkyl oder Alkoxyalkyl, vorzugsweise ein Alkyl mit 1-8 C-Atomen und R' ein Alkyl, ein Alkenyl oder ein mit einer Amino-, Epoxy-, Methacryloxy-, oder Mercaptogruppe substituiertes Alkyl mit vorzugsweise 1-4 verketteten C-Atomen ist.

2

PATENTANSPRÜCHE

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Silan ß-(3,4-Epoxycyclohexyl) Äthyltrimethoxysilan ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuschlagstoff während 0,1-5 Std., vorzugsweise während 0,1-0,5 Std., bei Raumtemperatur und Normaldruck, mit dem Silan behandelt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Silan vor der Behandlung des Zuschlagstoffes mit einem geeigneten inerten, kompatiblen Trägermedium, vorzugsweise einer Mischung von Wasser und Isopropylalkohol verdünnt und der Zuschlagstoff nach der Behandlung getrocknet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Silan in einer Menge von 0,05-2,0 Gew.-%, vorzugsweise 0,1-1,0 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Zuschlagstoffes, eingesetzt wird.

7. Nach dem Verfahren gemäss Anspruch 1 hergestellter Polymerbeton, dadurch gekennzeichnet, dass er als Zuschlagstoff gemahlenes Porzellan mit Elektroisolatorenqua-lität enthält.