DE102005022429B4

DE102005022429B4 - Kornartiger Füllstoff zum weißen Einfärben von Verbundwerkstoffen und dessen Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102005022429B4
Application number: DE102005022429A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Kräuter; Michael Flierl
Original assignee: BENE_FIT GmbH; Bene-Fit GmbH
Current assignee: BENE_FIT GmbH; Bene-Fit GmbH
Priority date: 2005-05-14
Filing date: 2005-05-14
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2025-05-15
Also published as: DE102005022429A1

Abstract

Kornartiger Füllstoff zum weißen Einfärben erste Bindemittel enthaltenden Verbundwerkstoffen oder Fußböden- und Wandbeschichtungsmaterialien, wobei der Füllstoff ein Trägermaterial mit einer Ummantelung aus anorganischen, weißen Farbpigmenten aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass Quarzsandkörner als das Trägermaterial einen niedrigen Fe₂O₃ Gehalt von 30–120 mg/kg mit jeweils der Ummantelung aufweisen, und die Ummantelung mindestens ein zweites Bindemittel aufweist, wobei die ummantelten Quarzsandkörner vor deren Verarbeitung in dem Verbundwerkstoff lose vorliegen und die Quarzsandkörner Korngrößendurchmesser aus einem Bereich von 0,1–10 mm aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft einen kornartigen Füllstoff zum weißen Einfärben von ersten Bindemittel enthaltenden Verbundwerkstoffen, wobei der Füllstoff Quarzsandkörner als Trägermaterial beinhaltet, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen kornartigen Füllstoffes sowie die Verwendung dieses Füllstoffes gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1, 10 und 14.
Herkömmlicherweise werden in Verbundwerkstoffen, wie beispielsweise Spülbecken oder Waschbecken sowie in Gemischen zur Beschichtung bzw. Bildung von Fußböden und Wänden Quarzsandkörner dazu verwendet, eine weiße Einfärbung mit dem gewünschten Weißgrad zu erhalten. Derartige Quarzsandkörner werden in den das erste Bindemittel aufweisenden Verbundwerkstoffen als Füllstoffe verwendet.
Beispielsweise beschreibt DE 1 29 109 A1 anorganische sphärische Adsorptionspigmente, die aus Siliciumdioxid-Kugeln mit einem Durchmesser von 50 nm bis 50 μm und einer Beschichtung aus einem Metalloxid mit Ausnahme von Titandioxid oder einem Metalloxid und einem farbgebenden Material bestehen und zur Pigmentierung von Lacken, Druckfarben und kosmetischen Formulierungen verwendet werden. Dabei werden die Siliciumdioxid-Kugeln durch Hydrolyse organischer oder anorganischer Siliciumverbindungen in Verbindung mit einem Emulsionsverfahren hergestellt.
Ein Pigment mit hoher Lichtstreuung, welches vorteilhafte Dispersionseingenschaften aufweist, wird in WO 94/21733 A1 offenbart. Das entsprechende Verfahren zur Herstellung des Pigmentes beinhaltet das Beschichten amorpher Kieselsäure-Partikel mit Titandioxid.
In DE 627 23 347 T2 werden sphärische SiO₂-Teilchen beschrieben, welche mit Oxiden der Elemente Titan, Eisen oder Zirkon beschichtet sind.
Um den gewünschten Weißgrad von Quarzsandkörnern zu erhalten, werden diese zur Bildung von Cristobalit auf eine Temperatur von über 1100°C über einen längeren Zeitraum erwärmt, um eine Kalzinierung der Quarzsandkörner herbeizuführen. Hierdurch entsteht in der Regel eine Erhöhung des Weißgrades dieser Füllstoffe.
Derartige Kalzinierungsverfahren sind jedoch aufgrund der hohen Erwärmungstemperaturen und der längeren Erwärmungszeiträume kostenintensiv.
Demzufolge liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen kornartigen Füllstoff zum weißen Einfärben von erste Bindemittel enthaltenen Verbundwerkstoffen, dessen Herstellungsverfahren sowie dessen Verwendung zur Verfügung zu stellen, der/das/die eine kostengünstige Herstellung des Füllstoffes und des weiß eingefärbten Verbundwerkstoffes, in dem der Füllstoff verarbeitet wird, ermöglicht.
Diese Aufgabe wird produktseitig durch die Merkmale des Patentanspruches 1, verfahrensseitig durch die Merkmale des Patentanspruches 10 und verwendungsseitig durch die Merkmale des Patentanspruches 14 gelöst.
Der Kerngedanke der Erfindung liegt darin, dass bei einem kornartigen Füllstoff zum weißen Einfärben von erste Bindemittel enthaltenden Verbundwerkstoffen, wobei der Füllstoff Quarzsandkörner als Trägermaterial beinhaltet, die Quarzsandkörner einen niedrigen Fe₂O₃-Gehalt von 30–120 mg/kg und jeweils ein Ummantelung aus anorganischen weißen Farbpigmenten sowie mindestens einem zweiten Bindemittel aufweisen. Des Weiteren weisen die Quarzsandkörner einen Korngrößendurchmesser aus einem Bereich von 0,1–10 mm auf. Die ummantelten Quarzsandkörner liegen vor ihrer Verarbeitung in dem Verbundwerkstoff in loser Form vor, d. h. jedes Quarzsandkorn weist eine Mantelschicht aus den weißen Farbpigmenten und dem weiteren Bindemittel auf. Auf diese Weise erübrigt sich der bisher bekannte Kalzinierungsvorgang von Quarzsandkörnern zur Cristobalit-Bildung. Vielmehr wird aufgrund einer selektiven Auswahl von Quarzsandkörnern mit bestimmten Eigenschaften und einer spezifischen Zusammensetzung in Kombination mit einer Mantelschicht aus weißen Farbpigmenten ein kostengünstiger kornartiger Füllstoff erhalten, dessen Herstellung eine Erwärmungstemperatur von deutlich unter 1000°C zum Einbrennen der weißen Farbpigmente und des mindestens zweiten Bindemittels an der Oberfläche der Quarzsandkörner erfordert. Dies reduziert nicht nur die Erwärmungskosten, sondern führt zu noch besseren Weißgraden bzw. Helligkeitswerten derartig hergestellter Füllstoffe, so dass ein hellerer, inerter UV-, abrieb- und temperaturstabiler Füllstoff als körniger Bestandteil von Fußböden- und Wandbeschichtungen bzw. Verbundwerkstoffen erhalten wird.
Dieser kornartige Füllstoff kann zusammen mit dem anorganischen und/oder organischen ersten Bindemittel zur Bildung des Verbundwerkstoffes gegebenenfalls mit zusätzlichen Bestandteilen verwendet werden.
Als anorganische weiße Farbpigmente zur Erzielung des hohen Weißgrades eignen sich Zinkoxide, Titandioxide, Bariumsulfate oder kalzinierte Kaoline. Bevorzugt wird Titandioxid, gegebenenfalls in Verbindung mit geringen Mengen anderer Farbpigmente, verwendet. Die weißen Farbpigmente können aus 0,5–5 Ma-%, vorzugsweise 1–3 Ma-% Titandioxid, bezogen auf die Masse der Quarzsandkörner, bestehen. Hierbei wird ein Anatastyp als Titandioxid verwendet.
Als zweites Bindemittel eignen sich verschiedene organische oder anorganische Bindemittel, wie beispielsweise die bevorzugt angewendeten anorganischen Bindemittel, welche Anteile an Silizium und/oder Aluminium, Natrium, Kalium, Phosphor, Zink, Magnesium, vorzugsweise in wässriger Lösung enthalten.
Durch eine geeignete Vorauswahl der Quarzsandkörner als Trägermaterial lassen sich Quarzsandkörner erhalten, die bereits ohne Ummantelung eine sehr niedrige Eigenfärbung aufweisen. Hierbei handelt es sich um Quarzsandkörner mit einer extrem niedrigen Konzentration an färbenden Oxiden, wie CoO, Cr₂O₃ NiO, CuO, V₂O₅ und MnO₂. Ein solcher weißer Quarzsand weist somit eine hohe chemische Reinheit auf.
Ein zusätzliches Merkmal des bevorzugt verwendeten und gezielt ausgesuchten, weißen Quarzsandes mit geringer Lichttransparenz ist seine mikroskopische Struktur, die sich durch eine Vielzahl an gas- und flüssigkeitshaltigen Mikroeinschlüssen auszeichnet. Derartige Einschlüsse stellen Streuzentren und Brechungszentren für das einfallende Licht dar, welches zu einer Erhöhung des Weißgrades innerhalb einer Bindemittelmatrix führt.
Der Korngrößendurchmesser der verwendeten Quarzsandkörner wird aus einem Bereich von 0,05–3 mm ausgewählt. Eine darauf bezogene Vorselektierung der Quarzsandkörner findet statt.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung des kornartigen Füllstoffes zum weißen Einfärben der Verbundwerkstoffe beinhaltet das Vermengen der Quarzsandkörner mit 0,5–5 Ma-% der weißen Farbpigmente, bezogen auf die Masse der Quarzsandkörner zu einem ersten Gemisch, das Hinzumischen von 0,1–10 Ma-% der anorganischen Bindemittellösung zu diesem ersten Gemisch zur Bildung eines Endgemisches und das Brennen des Endgemisches bei der Temperatur aus einem Bereich von 300°C–1000°C, vorzugsweise von 400°C–800°C, zur Bildung von lose vorliegenden ummantelten Quarzsandkörnern. Derartig lose vorliegende Quarzsandkörner können als lose Schüttung nach ihren jeweiligen späteren Verwendungszweck nachbehandelt, wie z. B. hydrophobiert werden. Dies kann mittels einer Oberflächenbehandlung mit einem geeigneten Silantyp geschehen.
Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Weitere Vorteile und Zweckmäßigkeiten sind der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit Beispielen zu entnehmen.
Beispiel 1
Farbsandkörner mit einem Korngrößendurchmesser von 0,1–10 mm, vorzugsweise 0,1–3 mm, werden mit 1–3 Ma-% Titandioxid, vorzugsweise vom Anatastyp, vorgemischt. Nach Zusatz von 0,5–3 Ma-% anorganischer Bindemittellösung, die aus Silizium und/oder Phosphor, Zink, Natrium, Kalium, Magnesium, Aluminium oder deren Derivate besteht, wird eine erneute Durchmischung durchgeführt. Das sich daraus ergebende homogene Gemenge wird mittels eines Erwärmungsprozesses auf eine Endtemperatur von 400°C–800°C erwärmt und hierdurch gebrannt. Gegebenenfalls werden die fertig gebrannten ummantelten Quarzsandkörner als lose Schüttung noch hydrophobiert.
Im Rahmen einer Vergleichsmessung werden zwei erfindungsgemäße Füllstoffe mit 7 herkömmlich hergestellten Füllstoffen, die ebenso zur weißen Einfärbung von Verbundwerkstoffen dienen können, verglichen. Die Produkte 1–7 stellen herkömmlich verwendete Füllstoffe und die Produkte 8 und 9 stellen die erfindungsgemäßen Füllstoffe dar:

1. Typ 1: Konventioneller Quarzsand, pigmentbeschichtet, anorganisches Bindemittel, Körnung 0–10 mm, hier 0,1 mm–3 mm.
2. Typ 2: Konventioneller Quarzsand, pigmentbeschichtet, anorganisches Bindemittel, Körnung 0–10 mm, hier 0,1 mm–3 mm.
3. Typ 3: Konventioneller Quarzsand, pigmentbeschichtet, anorganisches Bindemittel, Körnung 0–10 mm, hier 0,05 mm–3 mm.
4. Typ 4: Konventioneller Quarzsand, pigmentbeschichtet, organisches Bindemittel, Körnung 0–10 mm, hier 0,1 mm–3 mm.
5. CaCO3, granuliert, Körnung 0–10 mm, hier 0,1 mm–3 mm.
6. Cristobalit, granuliert, Körnung 0–10 mm, hier 0,05 mm–3 mm.
7. Quarz mit Cristobalit an der Oberfläche, Körnung 0–10 mm, hier 0,05 mm–3 mm.
8. Typ 1, erfindungsgemäßes Produkt, Qualität 2, Körnung 0–10 mm, hier insbesondere 0,1 mm–3 mm.
9. Typ 2, erfindungsgemäßes Produkt, Qualität 1, Körnung 0–10 mm, hier insbesondere 0,1 mm–3 mm.

In der nachfolgenden Tabelle sind verschiedene Messwerte in Zusammenhang mit dem Weißgrad der Füllstoffe aufgeführt, wobei die Proben 1–7 die oben beschriebenen herkömmlichen Füllstoffe und die Proben 8 und 9 die erfindungsgemäßen Füllstoffe darstellen: Tabelle 1:

Nr.	L*-Wert	a*-Wert	b*-Wert
1	81,39	3,36	7,69
2	82,43	1,39	4,46
3	87,23	0,71	2,38
4	83,03	2,72	6,57
5	88,00	–0,13	1,95
6	88,26	0,83	2,17
7	88,12	0,51	1,92
8	84,02	0,63	1,50
9	88,89	0,37	1,83

Der L*-Wert gibt den Grad der Helligkeit der Füllstoffe an, wobei der Wert 100 den theoretisch maximal erreichbaren Helligkeitswert darstellt. Der a*-Wert steht für einen Rot/Grün-Stich und der b*-Wert steht für einen Blau/Gelb-Stich der Füllstoffe, wobei hinsichtlich des angestrebten hohen Weißgrades ein Idealwert von 0 angestrebt wird. Die L*-, a*- und b* Werte werden gemäß dem CIE-L*a*b*-System (Commission internationale d'Eclairage) bestimmt. Hierbei handelt es sich um einen internationalen Standard, welches dieses internationale Institut festgelegt hat. Diese Bestimmungsmethode ist insbesondere dafür geeignet, Farbunterschiede darzustellen. Die Angabe der Farbwerte laut dem CIE-L*a*b*-System ist ebenso wie deren Bestimmungsmethode für Fachleute international bekannt. Hierbei weisen die L*-, a*- und b*-Werte keine Einheiten auf.
Der Tabelle 1 ist deutlich zu entnehmen, dass der L*-Wert bei den erfindungsgemäßen Füllstoffen 8 und 9 im Vergleich zu den herkömmlichen Füllstoffen ähnlich hoch oder höher ist.
Die a*-Werte und b*-Werte der erfindungsgemäßen Füllstoffe 8 und 9 liegen gegenüber zumindest einem Großteil der Werte der herkömmlichen Füllstoffe näher am Idealwert 0.
Beispiel 2
Die in Tabelle 1 wiedergegebenen Werte beziehen sich auf die nicht in einer Bindemittelmatrix eingebundenen Füllstoffe, also eine lose Schüttung. Nachfolgend werden in einer Tabelle 2 die L*-, a*- und b*-Werte für die gleichen Füllstoffe angegeben, wobei die Füllstoffe nun innerhalb einer Bindemittelmatrix vorliegen, wie sie bei einem Verbundwerkstoff gegeben ist.

Hierfür werden 75 g des jeweiligen Füllstoffes in 25 g einer MMA/PMMA-Mischung eingerührt, anschließend in eine Form zur Bildung eines Musterplättchens gegossen und unter Druck und Temperatur ausgehärtet. Die hierdurch entstehenden PMMA-Musterplättchen, die die optischen Eigenschaften einer Oberfläche eines mit dem jeweiligen Füllstoff hergestellten Formkörpers, wie beispielsweise eines Waschbeckens oder einer Küchenspüle, als Simulierung wiedergibt, werden wiederum farbmetrisch mittels eines Farbmessgerätes der Firma DataColor gemessen. Die Messwerte sind der nachfolgenden Tabelle 2 zu entnehmen. Tabelle 2:

Nr.	L*-Wert	a*-Wert	b*-Wert
1	79,04	2,95	5,41
2	81,77	0,96	5,83
3	86,14	–0,09	1,83
4	84,75	0,97	5,45
5	86,10	–0,36	3,13
7	83,00	–0,58	1,62
8	81,09	–0,06	1,54
9	86,44	–0,56	2,68

Der Tabelle 2 ist deutlich zu entnehmen, dass insbesondere bei dem erfindungsgemäßen Füllstoff Nr. 9 der höchste Helligkeitswert, nämlich 86,44 und sehr niedrige absolute a*- und b*-Werte erreicht werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist eine kostengünstige Herstellung eines Granulats auf Basis von Quarzsandkörner zur Erzielung einer hohen weißen Einfärbung von Verbundwerkstoffen möglich. Der hohe Weißgrad auf Basis des körnigen Quarzsandes wird durch eine Vorselektierung eines Quarzsandes und eine Ummantelung der Quarzsandkörner bei Temperaturen von wesentlich weniger als 1000°C erreicht. Die dadurch erhaltenen Granulate zeigen sowohl UV- als auch Abrieb- und Temperaturstabilität sowie inertes Verhalten.
Die erhaltenen Granulate können als Füllstoffe in Fußboden- und Wandbeschichtungen anderen Verbundwerkstoffen, wie Waschbecken und Küchenspülen, zusammen mit anorganischen und/oder organischen Bindemitteln eingesetzt werden. Zudem ist der Einsatz derartiger Füllstoffe in Farbmischungen, insbesondere für Fahrbahnmarkierungen, denkbar.

Claims

Kornartiger Füllstoff zum weißen Einfärben erste Bindemittel enthaltenden Verbundwerkstoffen oder Fußböden- und Wandbeschichtungsmaterialien, wobei der Füllstoff ein Trägermaterial mit einer Ummantelung aus anorganischen, weißen Farbpigmenten aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass Quarzsandkörner als das Trägermaterial einen niedrigen Fe₂O₃ Gehalt von 30–120 mg/kg mit jeweils der Ummantelung aufweisen, und die Ummantelung mindestens ein zweites Bindemittel aufweist, wobei die ummantelten Quarzsandkörner vor deren Verarbeitung in dem Verbundwerkstoff lose vorliegen und die Quarzsandkörner Korngrößendurchmesser aus einem Bereich von 0,1–10 mm aufweisen.
Füllstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die weißen Farbpigmente Titandioxid und/oder Zinkoxid und/oder Bariumsulfat beinhalten.
Füllstoff nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die weißen Farbpigmente aus 0,5–5 Ma-%, vorzugsweise 1–3 Ma-% Titandioxid, bezogen auf die Masse der Quarzsandkörner, bestehen.
Füllstoff nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die weißen Farbpigmente kalziniertes Kaolin beinhalten.
Füllstoff nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bindemittel 0,1–10 Ma-%, vorzugsweise 0,5–3 Ma-% einer Bindemittellösung, die Silizium und/oder Phosphor, Zink, Natrium, Kalium, Magnesium, Aluminium oder deren Derivate enthält, bezogen auf die Masse der Quarzsandkörner, ist.
Füllstoff nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Quarzsandkörner geringe Anteile an färbenden Oxiden enthalten, nämlich jeweils weniger als 0,005 Ma-% an CoO, Cr₂O₃, CuO und NiO, bezogen auf die Gesamtmasse der Quarzsandkörner, und jeweils weniger als 0,01 Ma-% an V₂O₅ und MnO₂, bezogen auf die Gesamtmasse der Quarzsandkörner.
Füllstoff nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ummantelten Quarzsandkörner einen Helligkeitswert aus einem Bereich von 80–95 bei einem Maximalwert von 100, einen absoluten Rot-Grün-Stichwert aus einem Bereich von weniger als 1 bei einem Idealwert von 0 und einen absoluten Blau-Gelb-Stichwert aus einem Bereich von weniger als 2 bei einem Idealwert von 0 aufweisen.
Füllstoff nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Helligkeitswert größer als 85, bevorzugt größer als 88 ist.
Füllstoff nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der absolute Rot-/Grün-Stichwert weniger als 0,5 ist.
Verfahren zur Herstellung eines kornartigen Füllstoffes zum weißen Einfärben von erste Bindemittel enthaltenen Verbundwerksstoffen oder Fußböden- und Wandbeschichtungsmaterialien, wobei in dem Füllstoff ein Trägermaterial mit jeweils einer Ummantelung aus anorganischen, weißen Farbpigmenten verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass Quarzsandkörner als das Trägermaterial mit 0,5–5 Ma-% an den weißen Farbpigmenten, bezogen auf die Masse der Quarzsandkörner, zu einem Gemisch vermengt werden, 0,1–10 Ma-% einer anorganischen Bindemittellösung zur Bildung eines Endgemisches hinzugemischt wird und das Endgemisch bei einer Temperatur aus einem Bereich von 300°C–1000°C, vorzugsweise von 400°C–800°C, zur Bildung von lose vorliegenden ummantelten Quarzsandkörnern gebrannt wird, wobei die Quarzsandkörner mit einem Korngrößendurchmesser aus einem Bereich von 0,1–10 mm verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die lose vorliegenden ummantelten Quarzsandkörner hydrophobiert und/oder silanisiert werden.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass als weiße Farbpigmente Titandioxid und/oder Zinkoxid und/oder Bariumsulfat verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10–12, dadurch gekennzeichnet, dass als weiße Farbpigmente kalziniertes Kaolin verwendet wird.
Verwendung von Füllstoffen zum weißen Einfärben von erste Bindemittel enthaltenden Verbundwerksstoffen oder Fußböden- und Wandbeschichtungsmaterialien, wobei die Füllstoffe ein Trägermaterial mit jeweils einer Ummantelungsschicht aus anorganischen, weißen Farbpigmenten aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass Quarzsandkörner als das Trägermaterial einen niedrigen Fe₂O₃-Gehalt von 30–120 mg/kg aufweisen und jeweils mit mindestens einem zweiten Bindemittel beschichtet werden, um anschließend als lose vorliegende ummantelte Quarzsandkörner in den Verbundwerksstoff oder Fußböden- und Wandbeschichtungsmaterialien als Füllstoff verarbeitet zu werden, wobei Quarzsandkörner mit einem Korngrößendurchmesser aus einem Bereich von 0,1–10 mm verwendet werden.