DE10003760A1

DE10003760A1 - Bauelement zur Abschirmung elektromagnetischer Strahlung

Info

Publication number: DE10003760A1
Application number: DE2000103760
Authority: DE
Inventors: Oleg Ivanovich Fisun; Yury Konstantinovic Alexandrov; Mathias Toetzke
Original assignee: BOS BERLIN OBERSPREE SONDERMAS
Current assignee: BOS BERLIN OBERSPREE SONDERMAS
Priority date: 2000-01-28
Filing date: 2000-01-28
Publication date: 2001-08-02

Abstract

Plattenförmiges Bauelement, welches mindestens teilweise aus einer Glasschicht besteht, bei dem die als Schaumglas ausgebildete Glasschicht Einschlüsse aus Kohlenstoff in Form von Russ und/oder Graphit in derart feiner Verteilung enthält, dass elektromagnetische Strahlung, welche das plattenförmige Bauelement durchquert, in ihrer Intensität wesentlich herabgesetzt ist sowie Verfahren zu seiner Herstellung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauelement zur Abschirmung elektromagnetischer Strah lung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein entsprechendes Herstel lungsverfahren.

Bei den bekannten Bauelementen sind die Herstellungsverfahren und/oder die Ausgangsmaterialien aufwendig. Sie sind daher für den Endanwender relativ kost spielig. Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Bauelement bzw. ein Verfahren der eingangs genannten Gattung anzugeben, welches zu einem preis werten Endprodukt mit breiten Anwendungsmöglichkeiten führt.

Die Aufgabe wird, ausgehend von einem Bauelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, mit den in diesem Anspruch angegebenen Merkmale gelöst. Das entsprechende Verfahren ist in einem Unteranspruch gekennzeichnet. Bei dem Bauelement kann es sich sowohl um ein plattenförmiges Element oder ein Formteil handeln, welches als Wandungs- oder Verkleidungselement Verwendung findet - es kann aber auch gleichermaßen ein Zwischenlage bilden, welches entweder in Wandungselemente sandwichartig eingelagert ist oder aber als Trennlage in Fugen oder zwischen Flanschen vorgesehen ist.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass das gattungsgemäße Bauelement auf einfache Weise aus Recyclingwerkstoffen herstellbar ist, welche gegebenenfalls bereits Anteile der zu verwendenden Zuschlagstoffe enthalten.

Das Bauelement besteht aus Schaumglas, welches auf der Basis von Bildröhrenglas hergestellt wird und mit Russ und/oder Graphit dotiert wird. Es bildet ein strapazier fähiges, langzeitbeständiges, wasserdichtes, nicht komprimierbares wärmeisolieren des Material, welches in vorteilhafter Weise elektromagnetische - insbesondere Mikrowellen- - Strahlung über einen weiten Bereich absorbiert. Ein derartiges Material ist gegenwärtig von Interesse als Abschirmmaterial für Gebäude, welche in Zonen mit einem hohen Pegel elektromagnetischer Strahlung (in der Nähe von Radiosendern etc.) vorgesehen sind und als eine Absorberbeschichtung in echofrei en Räumen. Das Material ist wegen seiner Porosität in vorteilhafter Weise auch zur Wärmedämmung einsetzbar.

Es wurde damit ein neues Material zur effektiven Abschwächung von elektroma gnetischer Strahlung geschaffen. Es besitzt eine anorganische Zusammensetzung, eine niedrige Dichte und eine geschlossenporige Struktur, die eine hohe Stabilität und gute physikalische Eigenschaften aufweist, die eine langlebige Anwendung in einem breiten Temperatur- und Feuchtigkeitsbereich erlauben. Vorteilhaft ist auch die Nicht-Brennbarkeit bzw. die feuerhemmende Wirkung.

Die Eigenschaften des Russ- bzw. graphithaltigen Materials beruhen darauf, dass die Geschlossenheit der Zellen das Eindringen von Feuchtigkeit in innere Schichten des Materials verhindert und damit die Beständigkeit der physikalischen Eigen schaften sicherstellt. Damit ergibt sich eine gute Beständigkeit bei verschiedenen klimatischen Gegebenheiten, d. h. auch in den Tropen oder bei Dauerfrost.

Die atmosphärische Beständigkeit ermöglicht auch eine Anwendung unter freiem Himmel.

Es ergibt sich insbesondere eine Organisation in Kristallform mit einer Zähigkeit von 6,3 bis 5,1 Pa.s bei einem Temperaturbereich der Schäumung von 800 bis 900°C mit einer Struktur der hydrolytischen Klasse. In einem weiträumigen Frequenzband im UHF-Bereich wird dabei die elektromagnetische Strahlung um 2 bis 10 dB abgesenkt. Dies wird durch die Zugabe von Russ- bzw. Graphit erreicht, der sich ein einem gleichmäßigen Gitter mit Zellen einer Größe von 1 bis 5° µm ausrichtet. Die Bildung derartiger Russstrukturen ist charakteristisch für Russ mit einem hohen Grad an Strukturiertheit und gleichmäßiger Verteilung in der Größenordnung von 15 bis 30 m²/g. Die Anwesenheit derartiger gleichartig ausgerichteter Strukturen ist die Basis für die Abschwächung der Strahlung in dem hier beschriebenen Material. Durch den Zusatz von 0,3 bis 0,4 Gewichts-% Graphit werden die dielektrischen Verluste des Werkstoffs bei gleichmäßiger Strukturierung stabilisiert. Die Anwesen heit derartiger gleichmäßiger Strukturierungen bildet die Basis für die erzielte starke Herabsetzung elektromagnetischer Strahlung.

Durch Untersuchung mittels Infrarot-Laserspektroskopie konnte dabei festgestellt werden, dass nach einer Dauer von 30 bis 150 Tagen in feinverteilten Glaspulver (5000 bis 6000 cm²/g) die sich ausbildenden Mikrostrukturen die Funktion der Hydroxil-Gruppen in verschiedenen Graden der Verbundenheit verstärken. Unter Ausarbeitung von Grasgranulat durch eine Glasmasse in Wasser konnte dieser Effekt noch verstärkt werden. Der Grad der Abschwächung wird somit durch die Größe und Ausbildung der Mikrostruktur des Kohlenstoffs in der Schaumschicht, bestimmt durch die Art und Weise ihrer Herstellung bestimmt.

Insbesondere von Vorteil ist dabei, dass sich eine Anisotropie in den elektromagne tischen Eigenschaften im Schaumglas bei Einhaltung entsprechender Herstellungsbedingungen nicht zu erkennen ist.

Als Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Bauelemente können die bekannten Verfahren zur Herstellung von Schaumglas verwendet werden, welche unter Zusatz von Schaumbildner eine Schaumschicht entweder aus der erhitzten Glasschmelze oder aber unter Sinterung von gemahlenem Glas erzeugen. Anderer seits ist auch die Erzeugung von Schaumglas ohne Temperaturerhöhung durch Mineralisierung mittels Wasserglas möglich. In jedem Fall wird der Anteil von Russ und/oder Graphit vor der Schaumbildung derart gleichmäßig verteilt zugesetzt, daß sich in den aufgeschäumten Poren eine leitfähige Struktur ergibt, welche in genü gend engmaschiger Struktur ein Hindurchtreten der elektromagnetischen Strahlung im vorgesehenen Wellenbereich verhindert.

Verfahren zur Herstellung beinhalten insbesondere die Herstellung von Bauelemen ten in Form eines mikrowellenabsorbierenden Schaumglases basierend auf Bild schirmglas mit einer Dichte von 200 kg/m³, dotiert mit Russ und/oder Graphit (zwischen 0,5 und 2%), in Blöcken von Größen von 350 mm × 200 mm × 80 mm. Hierbei lassen sich insbesondere verschiedene Modifikationen von Mischungen von Schaumglas mit Zusätzen von Russ oder Graphit verwendet zum Zwecke der Erzielung einer maximalen Dämpfung von Mikrowellenstrahlung durch das entwic kelte Material. Die Dämpfung des Material wurde erhalten mit Werten zwischen 2 bis 10 dB/cm bei einer Wellenlänge von ca. 7 cm;

Mit entsprechenden Proben konnten die vorteilhaften physikalischen, technischen und elektromagnetischen Strahlungsdämpfungseigenschaften des Schaumglases basierend auf den entwickelten Verfahren ermittelt werden.

Es bestehen eine Reihe von vorteilhaften Möglichkeiten zur Herstellung von Schaumglas basierend auf Bildschirmröhrenglas, welches mit Russ oder Graphit dotiert ist und elektromagnetische Strahlungsdämpfungseigenschaften aufweist, einschließlich der Anwendung des entwickelten Mikrowellenabschirmmaterials in verschiedensten Branchen der Industrie und des Bauwesens.

Das neue Material läßt sich auf der Basis von unsortiertem gebrochenen Bildschirm röhrenglas und Natriumglas, produzieren - auch ohne thermischen Prozeß und Druck - unter Benutzung einer ökonomisch und ökologisch günstigen Technologie, welche ressourceschonend einsetzbar ist.

Ein erstes vorteilhaftes Verfahren basiert insbesondere auf einer trockenen Schaummineralisierung und schließt ein:

1. Das Mahlen des Glases bis zur Erzeugung einer definierten spezifischen Oberfläche unter Zusatz von Russ und/oder Graphit insbesondere in einer Kugelmühle;
2. Die Erzeugung von Schaum in einem Schaumgenerator durch Abkühlen des geschmolzenen aufgeschäumten Glases ausgehend von einer Temperatur von 530 ± 30°C bei einer mittleren Abkühlungsgeschwindigkeit von ins besondere 0,7°C/min;
3. Die Mineralisierung des Schaums;
4. Das Ausgießen der aufgeschäumten Masse in Formen;
5. Gegebenenfalls das thermische Verarbeiten oder Zurechtschneiden in verschiedenen Verfahren in Abhängigkeit benötigter und programmierter Eigenschaften.

Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von insbesondere zusätzlich wärmeisolieren dem Material weist die folgenden Schritte auf:

1. Die nichtsortierte Mischung von - insbesondere Fernsehröhren- - Bruchglas;
2. Den Zusatz von Natriumsilikatglas (Wasserglas) neben Russ und/oder Graphit zu dem feingemahlenen Bruchglas;
3. Den Zusatz eines Schaumerzeugers wie Alkyldimethylamin.
4. Die Verfestigung des feingemahlenen Glases bei Umgebungs-(Raum-)Tem peratur.

Die Mischung und technologischen Parameter des Materials wurden dabei wie folgt festgelegt:
Die spezifische Oberfläche des gebrochenen Glases liegt bevorzugt zwischen 500 und 600 m²/kg;
Die Dichte des Natriumsilikatglases beträgt bevorzugt zwischen 1,23 bis 1,26 g/cm³;
Die Beladung mit Schaumbildner beträgt insbesondere 0,6% des Gewichtes der Trockensubstanz;
Der Anteil von Sodiumsilikat an den Glasscherben beträgt vorzugsweise zwischen 0,53 bis 0,58.

Es wurden damit geeignete Verfahren der Formierung und thermischen Verarbei tung erhalten. Unter diesen Verfahren können die folgenden technischen Parameter des zusätzlich wärmeisolierenden Materials erhalten werden:

Dichte bevorzugt kleiner/gleich 190 kg/m³; Druckfestigkeit größer/gleich 1,0 MPa; Belastbarkeit des Materials auf als Biegebeanspruchung ist 0,3 bis 0,4 MPa; Wärmeleitfähigkeit kleiner als 0,07 W/mK; Nachgiebigkeitsfaktor in der Größen ordnung von 0,9 bis 0,94.

Die Parameter für die Wasserabsorption, die Hydroskopie, das Verhältnis zu Feuer und Entflammbarkeit sowie die akustischen Eigenschaften, die Dampfdurchlässig keit, die Wärmeisolierung des Materials betreffend wurden bestimmt. Das neue Material auf der Basis von gebrochenem Fernseh-Bildröhrenglas entspricht in physikalisch-mechanischer, physikalisch-thermischer und den Benutzungsparame tern den üblichen weltweit gebräuchlichen Standards.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung näher dargestellt.

Das erfindungsgemäße Bauelement besteht vollständig aus Schaumglas oder weist mindestens eine entsprechende Schicht auf. Es ist als Bauelement zur Herstellung von Gebäuden oder als Teil eines Verbundwerkstoffs oder aber als Zwischen schicht zur Ausfüllung von Fugen geeignet. Dazu kann der Schaumglaskörper in verschiedensten Formen hergestellt werden. Die Herstellung kann unter Aufschäu men durch Befüllung in eine Endform oder nachträgliches Zerlegen des in einer Form erzeugten Körpers durch Schneiden oder dergleichen erfolgen. Zur Erzeugung eines Verbundmaterials kann ein sandwichartiges Zusammenfügen mit anderen Werkstoffen erfolgen. Die Oberfläche wird dabei entweder durch einen weiteren Beschichtungswerkstoff oder das Schaumglas selbst bestimmt, welches eine zusätzliche geeignete Oberflächenstruktur erhalten kann. So sind beispielsweise Pyramidenstrukturen auf der Oberfläche vorteilhaft, wenn es um zusätzliche Schalldämmung oder aber um die Dämmung von elektromagnetischer Strahlung in bevorzugten Frequenzbereichen geht.

Die Verfahren zur Herstellung des Schaumglases entsprechen den oben angegebe nen, wobei die Schaumbildung aus der Schmelze heraus, durch Sinterung oder durch Mineralisierung von fein gemahlenem Glas unter Zusatz Wasserglas erfolgen kann. Gemeinsam ist die Verwendung eines geeigneten Schaumbildners und der Zusatz von Russ und/oder Graphit in der entsprechenden Menge vor dem Aufschäumen in gleichmäßiger Verteilung, so daß sich nach dem Aufschäumen eine poröse Schaumglasstruktur ergibt mit feinen Poren im Bereich einiger Mikrometer, deren Wandungen mit einer fein verteilten Vernetzung der Russ und/oder Graphit elemente versehen ist, welche die Herabsetzung der Intensität einer das Schaum glaselement durchdringenden elektromagnetischen Strahlung bewirken. Dabei werden sich ausbildende elektrische Ströme im Mikrobereich durch den sich ausbildenen Innenwiderstand des Materials in Wärme umgesetzt. Damit ist die Abschirmung äußerst effektiv und auch im Mikrobereich homogen.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angege benen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten möglich, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.

Claims

1. Plattenförmiges Bauelement, welches mindestens teilweise aus einer Glas schicht besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die als Schaumglas ausgebil dete Glasschicht Einschlüsse aus Kohlenstoff in Form von Russ und/oder Graphit in derart feiner Verteilung enthält, dass elektromagnetische Strah lung, welche das plattenförmige Bauelement durchquert, in ihrer Intensität wesentlich herabgesetzt ist.

2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaum glasschicht einen Teil einer sandwicharitgen Struktur bildet oder als Fugen füllelement eines im übrigen für elektromagnetische Strahlung im wesentli chen undurchlässigen Materials ausgebildet ist.

3. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass der Russ und/oder der Graphit eine gleichmäßig fein verteilte - insbesondere Gitter - Struktur innerhalb der Schaumglasschicht bilden.

4. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass der Anteil von Russ im Bereich von wenigen Gewichtspro zenten liegt.

5. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass der Anteil von Graphit im Bereich von 0,3 bis 0,4 Gewichts prozenten liegt.

6. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Zellengröße des Schaumglases im Mikrometerbereich liegt.

7. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaumglasschicht einen Wärmedehnungskoeffizienten aufweist, welcher demjenigen von herkömmlichem Baumaterial, insbesondere Stein- oder Beton, im wesentlichem entspricht.

8. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Schaumglasschicht Eigenschaften aufweist, welche schall- und/oder wärmedämmend wirken.

9. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Schaumglasschicht Eigenschaften aufweist, welche feuerhemmend wirken.

10. Verfahren zur Herstellung eines Bauelementes nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur dem aufzuschäumenden gemahlenen oder geschmolzenem Glas der Anteil von Russ und/oder Gra phit vor der dem Aufschäumen zugesetzt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufschäu men unter Zusatz eines Schaumbildners erfolgt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufschäumen unter Erwärmung aus der Schmelze, durch Sinte rung oder auf kaltem Weg unter Einschluß einer Mineralisierung unter Zusatz von Wasserglas erfolgt.