DE10118136B4

DE10118136B4 - Formkörper aus einem Netzwerk mineralischer Fasern, Verfahren zu seiner Herstellung und seine Verwendung

Info

Publication number: DE10118136B4
Application number: DE2001118136
Authority: DE
Inventors: Christoph Dipl.-Ing. Schwitalla; Holger Dr.-Ing. Gödeke
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2001-04-11
Filing date: 2001-04-11
Publication date: 2005-03-31
Anticipated expiration: 2021-04-12
Also published as: DE10118136A1

Abstract

Formkörper aus einem Netzwerk mineralischer Fasern, dadurch gekennzeichnet, dass Mineralwollefasern in Kontaktbereichen über aus wasserlöslichem Silikat gebildete Sinterhälse verbunden sind und der Formkörper als netzwerkartige Fasermatte ausgebildet ist, wobei der Formkörper eine Trockenrohdichte zwischen 10 und 150 kg/m³ aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft Formkörper aus einem Netzwerk mineralischer Fasern sowie ein Verfahren zu deren Herstellung. Diese Formkörper finden hauptsächlich Verwendung als Dämmstoffe in der Gebäudedämmung, wobei brandhemmende Eigenschaften dieser Formkörper von besonderer Bedeutung sind.

Der Dämmstoffverbrauch in Westeuropa wird mit ca. 100 Mio. m³ jährlich beziffert, was einem Produktionswert von ca. 11 Mrd. DM entspricht (Stand 1993). Der überwiegende Anteil (ca. 85 Mio. m³) wird in der Gebäudedämmung verwendet mit dem Schwerpunkt auf der Dämmung von Dächern und Wänden. Allein in der BRD werden ca. 20 Mio. m³ jährlich im Bauwesen eingesetzt. Dabei decken Glas- und Steinwolle-Produkte mehr als die Hälfte des Mengenverbrauchs ab. Mineralwolle selbst ist nicht brennbar, doch bewirken Kunstharzbinder oder Kaschierungen die Einordnung in die Baustoffklasse 12. oder B1. Es hat sich gezeigt, dass die verwendeten Binder wie z.B. Phenol-Formaldehyd-Harze zu einer signifikanten VOC-Emission führen, die insbesondere bei großflächigen Anwendungen in Innenräumen, z.B. Trockenbau, zu einer gesundheitlichen Belastung für den Nutzer führen kann. Vom chemischen Standpunkt aus gesehen ist die Verwendung eines organischen Kunstharzes als Bindersystem für die Bindung von anorganischen Fasern durchaus nicht empfehlenswert. Bedingt durch die unterschiedliche chemische Natur der beiden Systeme ist die Bindung weitgehend mechanisch adhäsiver Natur, d.h. eine chemische Bindung kommt nicht zustande. Eine chemische Bindung ist jedoch Voraussetzung für die Erzielung einer hohen Festigkeit der Fügestelle. Daher wird die Produktlinie der kunstharzgebundenen Faserdämmstoffe von der Rohstoffgewinnung über die Herstellung der Edukte, deren Weiterverarbeitung bis hin zu deren Entsorgung, vielfach kritisch gesehen. So stellt die thermische Zersetzung dieser Dämmstoffe, die z.B. bei Hochtemperaturanwendung (Heizgeräten) im Brandfall oder bei der Entsorgung auftritt, ein erhebliches gesundheitliches und ökologisches Problem dar.

Aus der DE 197 12 835 A1 ist die Versinterung poröser Leichtzuschlagstoffe, wie Altglas, Blähglas, Perlite, u.a in Form von Granulaten bekannt, ohne deren Porosität zu beeinträchtigen. Dabei wird unter Zuhilfenahme eines wasserlöslichen Sinterhilfsmittels die Erweichungstemperatur an den Kontaktstellen der Granulatpartikel reduziert. Dies führt bei einer anschließenden Temperaturbehandlung zur Ausbildung einer zonal begrenzten Schmelzphase und somit letztendlich zu einer chemischen Bindung zwischen den einzelnen Leichtzuschlagstoffpartikeln.

Aus der DE 196 53 807 A1 ist ein mineralischer Dämmkörper mit haufwerksporiger Struktur bekannt, der aus porösen Granulatteilchen in einem stabilen Bindemittelgerüst besteht. Die von dem Bindemittelgerüst umgebenden Granulatteilchen weisen dabei eine haufwerksporige Struktur auf, wobei das wasserfeste Bindemittelgerüst aus Alkalisilikat-Glas mit Einlagerungen von Böhmit besteht. Diese Druckschrift besteht somit die Versinterung von Granulatkörnern, nicht jedoch von Fasermaterialien. Die Verwendung von Granulatkörpern führt somit auch zu einer Trockenrohdichte im Bereich zwischen 150 und 750 kg/m³.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und Formkörper aus einem Netzwerk mineralischer Fasern bereitzustellen, die eine hohe Festigkeit aufweisen und gesundheitlich unbedenklich sind.

Diese Aufgabe wird in bezug auf die Formkörper durch die Merkmale des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Verfahrens zur Herstellung durch die Merkmale des Anspruchs 8 gelöst. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf. Die Verwendung der Formkörper ist in den Ansprüchen 14 bis 16 beschrieben.

Erfindungsgemäß wird die zugrundeliegende Aufgabe durch Formkörper aus einem Netzwerk mineralischer Fasern gelöst, wobei die mineralischen Fasern in Kontaktbereichen über aus wasserlöslichem Silikat gebildeten Sinterhälse verbunden sind. Hierbei handelt es sich um die Kontaktbereiche zweier sich berührender mineralischer Fasern. Es kommt zur Ausbildung eines nicht brennbaren anorganischen Formkörpers, der sich durch eine geringe Trockenrohdichte zwischen 10 und 150 kg/m³, gute Wasser- und Säurebeständigkeit auszeichnet, wobei gleichzeitig eine hohe mechanische Festigkeit des Formkörpers festzustellen ist. Die Festigkeit ist dabei darauf zurückzuführen, dass eine Versinterung zwischen den einzelnen Fasern stattfindet, wodurch sehr hohe Bindungskräfte aufgrund des chemischen Bindungscharakters zwischen den einzelnen Fasern vorliegen. Aufgrund der Verwendung von wasserlöslichem Silikat als Bindemittel handelt es sich um einen rein anorganischen Formkörper. Das wasserlösliche Silikat dient dabei als temporäres Bindemittel und als Sinterhilfsmittel. Die Verwendung von wasserlöslichen Silikaten macht die Entstehung einer Flüs sigphase während des Sintervorgangs zwingend erforderlich, deren Erweichungstemperatur unterhalb der Erweichungstemperatur der mineralischen Fasern liegt.

Der Formkörper ist bevorzugt in Form einer netzwerkartigen Fasermatte ausgebildet. Durch diese Formgebung ist sowohl die Herstellung der Formkörper als auch der Transport und die erfindungsgemäße Verwendung erleichtert.

Bevorzugt ist der Formkörper aus 85 bis 99,95 Gew.-% der mineralischen Fasern und 15 bis 0,05 Gew.-% des Sintermittels und besonders bevorzugt zwischen 95 und 99,95 Gew.-% der mineralischen Fasern und 5 und 0,05 Gew.-% des Sintermittels erhalten.

Diese hohen Anteile der mineralischen Fasern sorgen dafür, daß die Eigenschaften des Formkörpers im Wesentlichen durch die mineralischen Fasern bestimmt wird.

Als Sintermittel werden dabei wasserlösliche Alkalisilikate, d.h. Wasserglas, bevorzugt. Wassergläser lassen sich im Gegensatz zu Standardgläsern in alkalischen Lösungen und Wasser lösen. Diese Löslichkeit ist darauf zurückzuführen, daß im Netzwerk Alkaliionen eingebaut sind, durch die die chemische Beständigkeit reduziert wird. Besonders bevorzugt werden als Sintermittel Natron- und/oder Kaliwassergläser, die besonders gute Eigenschaften bei der Vernetzung der mineralischen Fasern zeigen.

In einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Formkörper aus Mineralwolle, z.B. Glas- oder Steinwolle.

Bevorzugt weist der Formkörper eine Trockenrohdichte zwischen 10 und 50 kg/m³ auf. Die Auswahl der entsprechenden Trockenrohdichte kann dabei je nach Anwendungsfall erfolgen und durch die Auswahl der mineralischen Fasern und der Sinterbedingungen beliebig gesteuert werden.

Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers aus einem Netzwerk aus mineralischen Fasern, bei dem

a) die mineralischen Fasern mit dem Sintermittel aus wasserlöslichem Silikat zunächst zumindest bereichsweise benetzt werden, wobei die Größe des Bereichs über die Viskosität und die Oberflächenspannung des gelösten Sintermittels bestimmt wird,
b) die Fasern untereinander in Kontakt gebracht werden und
c) die Kontaktstellen durch einen Sinterprozess unter simultaner Formgebung verfestigt werden.

Dabei wird die Mineralfaser mit dem Sintermittel besprüht, wobei die Viskosität durch die Oberflächenspannung so eingestellt werden muss, dass die Einzelfasern zumindest bereichsweise benetzt werden. Diese Sintermitteltropfen reichern sich an den Kontaktbereichen zweier sich berührender Fasern an, die in einem anschließenden Sinterschritt verfestigt werden. Das Sintermittel dient dabei als temporäres Bindemittel und Sinterhilfsmittel.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird vor Schritt c) ein Formgebungsprozess durchgeführt, wodurch vorkonfektionierte Produkte, z.B. Fa sermatten, erzeugt werden können. In dem anschließenden Sinterschritt c) wird dann eine zonal begrenzte Schmelzfaser an den Kontaktstellen der Mineralfasern erzeugt.

Die Sintertemperatur muss dabei auf das Erweichungsverhalten des Systems aus Mineralfaser und Sintermittel abgestimmt werden. Bevorzugt liegt die Temperatur des Sinterschrittes zwischen 500 °C und 800 °C.

Die Dauer des Sinterprozesses beträgt bevorzugt zwischen 0,1 und 2 Stunden, besonders bevorzugt zwischen 0,1 und 0,5 Stunden.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden die mineralischen Fasern vor dem Sinterprozess getrocknet, wobei bevorzugt eine Heißlufttrocknung bei Temperaturen zwischen 50 und 200 °C über einen Zeitraum zwischen 0,1 und 0,5 Stunden durchgeführt wird. Hierdurch kann eine gleichmäßigere Durchwärmung des faserhaltigen Brenngutes erzielt werden und ein Kollabieren der Fasermatten dadurch verhindert werden.

Verwendung finden die erfindungsgemäßen Formkörper hauptsächlich als Dämmstoffe in der Gebäudedämmung, speziell für die Dämmung von Wänden und Dächern. Hierzu zählen beispielsweise Brandschutz- oder Schallschutzelemente.

Anhand des folgenden Beispiels und der 1 und 2 soll der erfindungsgemäße Gegenstand verdeutlicht werden, ohne diesen auf dieses Beispiel zu beschränken.
Die 1 und 2 zeigen Rasterelektronenmikroskop aufnahmen, die in etwa 1000-facher Vergrößerung mehrere miteinander versinterte Glasfasern wiedergeben.
Beispiel:
5 Teile eines Natronwasserglases werden mit 15 Teilen Wasser versetzt. 8 Teile dieser wäßrigen Lösung werden mit Preßluft (4 bar) so vernebelt, daß 13 Teile einer Natron-Kalk-Glaswolle benetzt werden. Dabei sollten sich die Flüssigkeitstropfen an den Kreuzungspunkten der Glasfasern anlagern. Zur Erzielung einer gleichmäßigen Verteilung der Lösung wird die Glaswolle so aufgefasert, daß ein ca. 5 mm dickes, gut durchströmbares Glaswollegespinst entsteht. Die so gebildete benetzte Glaswolle wird schichtweise auf einem Metallgliederband abgelegt und im Gegenstrom mit heißer Luft bei ca. 170 °C ca. 10 min getrocknet. Zur Sinterung wird die Temperatur mit einer Aufheizgeschwindigkeit ≥ 10 K/min auf ca. 600 °C erhitzt. Zur Ausbildung der Sinterhälse sollte eine Haltezeit von ca. 10 min vorgesehen werden. Abschließend erfolgt ein schnelles Abkühlen auf Raumtemperatur mit einer Abkühlgeschwindigkeit von ≥ 20 K/min.

Claims

Formkörper aus einem Netzwerk mineralischer Fasern, dadurch gekennzeichnet, dass Mineralwollefasern in Kontaktbereichen über aus wasserlöslichem Silikat gebildete Sinterhälse verbunden sind und der Formkörper als netzwerkartige Fasermatte ausgebildet ist, wobei der Formkörper eine Trockenrohdichte zwischen 10 und 150 kg/m³ aufweist.
Formkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper aus 85 bis 99,95 Gew.-% der mineralischen Fasern und 15 bis 0,05 Gew.-% des Sintermittels erhalten ist.
Formkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper aus 95 bis 99,95 Gew.-% der mineralischen Fasern und 5 bis 0,05 Gew.-% des Sintermittels erhalten ist.
Formkörper nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Sintermittel ein wasserlösliches Alkalisilikat ist.
Formkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Sintermittel ein Natron- und/oder Kaliwasserglas ist.
Formkörper nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mineralischen Fasern aus Glas- oder Steinwolle bestehen.
Formkörper nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper eine Trockenrohdichte zwischen 10 und 50 kg/m³ aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers aus einem Netzwerk von aus Mineralwolle bestehenden Fasern, bei dem a) die aus Mineralwolle bestehenden Fasern mit dem Sintermittel aus wasserlöslichem Silikat zumindest bereichsweise benetzt werden, wobei die Größe des Bereichs über die Viskosität und die Oberflächenspannung des gelösten Sintermittels bestimmt wird, b) die Fasern untereinander in Kontakt gebracht werden und c) die Kontaktstellen durch einen Sinterpro zess unter Ausbildung einer netzwerkartigen Fasermatte unter simultaner Formgebung verfestigt werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sinterprozess bei Temperaturen zwischen 500 und 800 °C durchgeführt wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer des Sinterprozesses zwischen 0,1 und 2 h liegt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer des Sinterprozesses zwischen 0,1 und 0,5 h liegt.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Sinterprozess in Schritt c) eine Trocknung der mineralischen Fasern erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Heißlufttrocknung bei Temperaturen zwischen 50 und 200 °C über einen Zeitraum zwischen 0,1 und 0,5 h durchgeführt wird.
Verwendung des Formkörpers nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7 als Dämmstoff.
Verwendung des Formkörpers nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7 als Brandschutzelement.
Verwendung des Formkörpers nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7 als Schallschutzelement.