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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers, insbesondere
einer Platte, bestehend aus einem partikelförmigen, anorganischen Leichtfüllstoff
und einer die Leichtfüllstoffpartikel
fixierenden Bindemittelmatrix sowie einen derart hergestellten Formkörper.
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Zum
Hintergrund der Erfindung ist festzuhalten, dass in vielen Bereichen
des Möbelbaus
Oberflächen aus
Natur- oder Kunststein, Glas und Edelstahl verwendet werden. Sollen
diese Materialien beispielsweise als Arbeitsfläche in einer Küche verwendet
werden, so haben diese ein gemeinsames Problem dahingehend, dass sie
nicht mit einfachen Konstruktions- und Montagemitteln auf Unterschränken befestigt
werden können.
Edelstahloberflächen
werden aufwändig
mit Holzplatten verleimt, um neben der eigentlichen Befestigung
auch eine Geräuschdämpfung zu
erreichen. Insbesondere im gewerblichen Einsatz ist Holz als Baustoff
allerdings problematisch, da es in der Regel die gesetzlichen Hygienebestimmungen
nicht erfüllt
und auch nicht ausreichend quellfest ist. Lattenkonstruktionen aus
Holz oder anderen Materialien, wie Aluminiumprofilen, müssen individuell
angepasst werden und bringen damit einen hohen Planungs- und Realisierungsaufwand
mit sich.
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Im
Bereich von Natursteinplatten werden oft kostenaufwändige Unterkonstruktionen
in Aluminiumwabenbauweise verwendet, um mit einer möglichst
dünnen
Platte des teuren Natursteinmaterials auszukommen. Sandwich-Bauelemente
aus Polyurethan-Schaum oder MDF-Platten wiederum sind problematisch
in Bezug auf ihre Brennbarkeit. Schließlich ist die Kon fektionierung
von harten Materialien, wie Naturstein und mineralische Werkstoffe,
generell problematisch.
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Es
besteht also ganz allgemein ein Bedürfnis nach einer quellsicheren,
schraubbaren, leichten Platte als Träger für hochwertige Konstruktionsmaterialien,
insbesondere im Möbelbau.
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Aus
dem Stand der Technik ist es grundsätzlich bekannt, leichte Platten
aus Leichtfüllstoffpartikeln
herzustellen, die in einer Bindemittelmatrix gebunden sind. Als
Füllstoffpartikel
haben sich dabei Blähglasgranulat oder
andere silikatische Leichtfüllstoffe
als geeignet herausgestellt. Als Bindemittel werden zum einen anorganische
Bindemittel, wie Wasserglas vorgeschlagen. Entsprechende Druckschriften
sind die
EP 0 849 411
B1 , die
EP
0 763 506 B1 oder die
EP 0 678 482 B1 . Die
DE 197 12 835 A1 bezieht
sich auf einen Formkörper
aus einem Leichtwerkstoff, bei dem ein Leichtfüllstoff aus Blähglasgranulat
oder expandiertes Perlite mit Natronwasserglas vermengt und anschließend die
Mischung gesintert wird.
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Die
vorstehenden Formkörper
sind aufgrund ihrer anorganischen Bindemittel so spröde, dass
sie praktisch nicht schraubfähig
sind. Aufgrund ihrer Bruchempfindlichkeit sind große Formate
solcher Platten schwer zu handhaben.
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Zur
Umgehung dieser Problematik ist es aus dem Stand der Technik ferner
bekannt, die erwähnten Leichtfüllstoffe
mit organischen Bindemitteln in Form von reaktiven Harzen, wie Epoxid-,
Polyurethan-, Polyester- oder Acryl-Harzen zu binden, wie dies beispielsweise
der
EP 0 851 808 B1 ,
dem Gebrauchsmuster
DE 295
21 747 U1 oder der
EP
0 386 745 B1 entnehmbar ist.
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Die
EP 1 188 730 A2 offenbart
als geeignete Bindemittel für
einen Matrixwerkstoff auf der Basis eines Blähglas-Granulates Duroplaste,
wie Epoxidharz, Polyurethan, Phenolharz, ungesättigte Polyester, Silikonharz,
ferner Thermoplaste, wie beispielsweise Polyamid, Polyolefin, Polysterol,
PVC, Polyacetat, thermoplastische Polyester oder Elastomere, wie
Synthesekautschuk, Naturkautschuk oder Silikonkautschuk. Es handelt sich
bei diesen Bindemitteln um reaktive Systeme. Konkret offenbart ist
in dieser Druckschrift die Verwendung eines Polyamids des Typs PA
6, das als Flüssigkomponente
in das Haufwerk von Leichtfüllstoffpartikeln
beispielsweise aus Blähglasgranulat
bis zu dessen vollständiger
Füllung
eingebracht und anschließend
auspolymerisiert wird.
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Die
Verwendung von organischen reaktiven Bindemitteln der vorstehend
erwähnten
Art führt
zu einem relativ hohen Bindemittelverbrauch. Aufgrund ihrer Polymerisierung
führen
diese Bindemittel – egal
ob es sich um einkomponentige oder mehrkomponentige reaktive Systeme
handelt – immer
noch zu relativ spröden
Materialien.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfahren
für einen
Formkörper
und einen entsprechenden Formkörper
selbst aus anorganischen Leichtfüllstoffpartikeln
und einer diese fixierenden Bindemittelmatrix anzugeben, der aus
einem quellsicheren, aufgrund seiner stark reduzierten Sprödigkeit gut
schraubbaren, leichtgewichtigen Werkstoff besteht.
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Diese
Aufgabe wird in herstellungstechnischer Hinsicht laut Kennzeichnungsteil
des Anspruchs 1 und in produkttechnischer Hinsicht durch die im
Anspruch 14 angegebenen Merkmale gelöst. Demnach werden die Leicht füllstoffpartikel
mit einer Dispersion und/oder Lösung
eines organischen, auspolymerisierten, nicht reaktiven Bindemittelpolymers
in Wasser gemischt, diese Mischung in eine Form eingebracht und
anschließend
unter Bildung der die Leitfüllstoffpartikel
fixierenden Bindemittelmatrix getrocknet.
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Versuche
haben überraschender
Weise gezeigt, dass der auf diese Weise hergestellte Formkörper trotz
Verwendung eines nicht-reaktiven Bindemittelsystems ausreichend
fest, dabei jedoch so wenig spröde ist,
dass das Material gut schraubbar ist. Die verwendete Bindemittelpolymer-Dispersion
oder -Lösung
ergibt nach dem Trocknen einen hydrophoben Film auf den Leitfüllstoffpartikeln,
wodurch das Material seine Wasserfestigkeit erhält. Da das Bindemittel ferner
während
der Herstellung die Leitfüllstoffpartikel
sehr gut benetzt, ist der Bindemittelanteil deutlich zu reduzieren.
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Die
auf erfindungsgemäße Weise
erhaltenen Formkörper
sind insgesamt also wasserfest, schraubbar und in breiten Bereichen
in ihren spezifischen Gewichten – beispielsweise von 0,2 bis
0,45 g/cm3 oder höher einstellbar. Festzustellen
ist ferner, dass der Formkörper
selbstverlöschend
ist. Vergleichsversuche haben ergeben, dass sich gegenüber vergleichbaren
Produkten, die mit reaktiven polymeren Bindemitteln hergestellt wurden,
höhere
Dehnungswerte und Elastizitätsmoduli
ergeben. Dabei ist die verwendete Bindemittelpolymer-Dispersion
oder -Lösung
durch die Verwendung von Wasser als Dispersionsmedium und als Verdünnungsmittel
besonders umweltfreundlich, da keine organischen Lösungsmittel
oder flüchtige
Stoffe beteiligt sind.
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Ein
besonders bevorzugtes Bindemittelpolymer ist Polyvinylacetat, dessen
Copolymere oder eine Mischung aus diesen beiden. Ein besonders gut
ge eigneter Vertreter eines solchen PVA-Bindemittelpolymers ist – vorzugsweise
handelsüblicher – Holzleim,
der überraschender
Weise als Matrixmaterial für
Leichtfüllstoffpartikel,
wie Blähglasgranulat
im Sinne der erfindungsgemäßen Aufgabe
gut funktioniert. Durch eine teilweise Hydrolisierung dieses Bindemittels
wird der Formkörper
in seiner Wasserfestigkeit weiter verbessert.
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Der
Feststoffanteil des im Wasser dispergierten oder gelösten Bindemittelpolymers
kann im Bereich von 10% bis 80%, bevorzugt von 15% bis 60%, noch
bevorzugter von 20% bis 50% in der Bindemittel-Dispersion oder -Lösung vorliegen.
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Die
Korngröße der vorzugsweise
als Blähglasgranulat
vorliegenden Leichtfüllstoffpartikel
liegt vorteilhafter Weise zwischen 0,01 mm und 8,0 mm. Ihr bevorzugter
Dichtebereich liegt zwischen 0,1 g/cm3 und
0,5 g/cm3.
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Der
Mischung von Leichtfüllstoffpartikel
und Bindemittel-Dispersion oder -Lösung kann ein anorganischer
Kompaktfüllstoff
mit einem Mengenanteil bis 30 Masseprozent bezogen auf den Leichtfüllstoff
beigemischt werden. Bevorzugtermaßen können hierfür Glimmer, Talkum, Kalziumcarbonat,
Bariumsulfat oder – mit besonders
guten Ergebnissen – Aluminiumtrihydrat
(ATH) eingesetzt werden. Mit Hilfe dieser Kompaktfüllstoffe
können überraschender
Weise die Festigkeit des Formkörpers
erhöht
und/oder brandhemmende Eigenschaften erzielt werden.
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Die
Bindemittelpolymer-Dispersion oder -Lösung kann mit einem Mengenanteil
von etwa 25 Masseprozent bis 60 Masseprozent bezogen auf den Leichfüllstoff
enthalten sein.
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Eine
deutliche Verbesserung der Formkörper-Festigkeit
kann durch eine Verdichtung der Mischung aus Leichtfüllstoffpartikel
und Bindemittel in der Form um bis zu 20% erzielt werden.
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Für die Trocknung
der Mischung hat sich eine Temperatur bis zu 120°C, vorzugsweise in einer Größenordnung
von 50°C, über einen
Zeitraum von mehreren Stunden herauskristallisiert.
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Die
Erfindung bezieht sich ferner auf einen Formkörper, der insbesondere nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellt wird, wobei die Bindemittelmatrix für die anorganischen Leichtfüllstoffpartikel
aus einer getrockneten Bindemittelpolymer-Dispersion oder -Lösung auf
Wasserbasis gebildet ist.
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Die
weiteren Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibung verschiedener
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Ausführungsbeispiele:
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Beispiel 1:
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Ausgangsstoffe
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- 70 g Holzleim
- 21 g Calciumcarbonatmehl Korngröße 0–90 μm
- 70 g Füllstoff
Blähglasgranulat
Korngröße 2–4 mm
- 49 g Füllstoff
Blähglasgranulat
Korngröße 0,1–0,3 mm
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In
den Holzleim mit einer Viskosität
von 5 Pas (gemessen mit einem Viskomat nach Schleibinger mit einem
Kegelmesskörper
nach dem Couette-Prinzip) wird unter langsamen Rühren produktionsweise das Kalziumcarbonatmehl
eingearbeitet, bis eine Viskosität
von 1,4 Pas (gemessen mit einem Viskomat nach Schleibinger mit einem
Mörtelpaddel
nach dem Couette-Prinzip) erreicht ist. In diese Mischung werden
schonend die Leichtfüllstoffe
eingearbeitet, bis eine homogene Mischung erzielt ist. Diese weist
estrichartige Konsistenz auf und wird in eine entsprechende Form
gefüllt
und gleichmäßig verteilt.
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Zur
Trocknung wird das so hergestellte Formteil in einem Umluftofen
bei 50°C über einen
Zeitraum von vier Stunden getrocknet.
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Das
E-Modul (gemessen im Dreipunktbiegeversuch) des so hergestellten
Formkörpers
beträgt
190 MPa.
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Beispiel 2:
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- analog Beispiel 1 mit dem Unterschied, dass die in die Form
eingefüllte
Mischung um 9% verdichtet wird.
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Das
E-Modul (gemessen im Dreipunktbiegeversuch) des so hergestellten
Formkörpers
beträgt
424 MPa.
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Beispiel 3:
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- analog Beispiel 1 mit dem Unterschied, dass die in die Form
eingefüllte
Mischung um 17% verdichtet wird.
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Das
E-Modul (gemessen im Dreipunktbiegeversuch) des so hergestellten
Formkörpers
beträgt
676 MPa.
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Beispiel 4:
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Ausgangsstoffe
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- 70 g Holzleim
- 140 g Füllstoff
Blähglasgranulat
Korngröße 2–4 mm
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Mit
dem Holzleim (Viskosität
5 Pas gemessen mit einem Viskomat nach Schleibinger mit Kegelmesskörper nach
dem Couette-Prinzip) wird unter schonendem Mischen eine homogene
Mischung mit den Leichtfüllstoffen
erzeugt. Diese Mischung mit estrichartiger Konsistenz wird in eine
Form gefüllt,
gleichmäßig verteilt und
um 10% verdichtet. Zur Trocknung wird das Formteil in einem Umluftofen
bei 50°C
getrocknet.
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Das
E-Modul (gemessen im Dreipunktbiegeversuch) des so hergestellten
Formkörpers
beträgt
104 MPa.
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Beispiel 5:
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Ausgangsstoffe
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- 50 g Holzleim
- 20 g Wasser
- 140 g Füllstoff
Blähglasgranulat
Korngröße 2–4 mm
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Der
Holzleim (Viskosität
5 Pas gemessen mit einem Viskomat nach Schleibinger mit Kegelmesskörper nach
dem Couette-Prinzip) wird mit Wasser verdünnt. Man erhält eine
Dispersion mit der Viskosität
von 0,195 Pas. Nun wird unter schonendem Mischen eine homogene Mischung
mit den Leichtfüllstoffen
erzeugt. Diese Mischung mit estrichartiger Konsistenz wird in eine
Form gefüllt,
gleichmäßig verteilt
und um 10% verdichtet. Zur Trocknung wird das Formteil in einem
Umluftofen bei 50°C
getrocknet.
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Das
E-Modul (gemessen im Dreipunktbiegeversuch) des so hergestellten
Formkörpers
beträgt
157 MPa.
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Beispiel 6:
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Ausgangsstoffe
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- 40 g Holzleim
- 30 g Wasser
- 140 g Füllstoff
Blähglasgranulat
Korngröße 2–4 mm
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Der
Holzleim (Viskosität
5 Pas gemessen mit einem Viskomat nach Schleibinger mit Kegelmesskörper nach
dem Couette-Prinzip) wird mit Wasser verdünnt. Man erhält eine
Dispersion mit der Viskosität
von 0,047 Pas. Nun wird unter schonendem Mischen eine homogene Mischung
mit den Leichtfüllstoffen
erzeugt. Diese Mischung mit estrichartiger Konsistenz wird in eine
Form gefüllt,
gleichmäßig verteilt
und um 10% verdichtet. Zur Trocknung wird das Formteil in einem
Umluftofen bei 50°C
getrocknet.
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Das
E-Modul (gemessen im Dreipunktbiegeversuch) des so hergestellten
Formkörpers
beträgt
74 MPa.
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Beispiel 7:
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Ausgangsstoffe
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- 50 g Holzleim
- 70 g Füllstoff
Blähglasgranulat
Korngröße 2–4 mm
- 50 g Füllstoff
Blähglasgranulat
Korngröße 0,1–0,3 mm
- 21 g Calziumcarbonat als Kompaktfüllstoff
- 10 g Wasser
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Der
Holzleim (Viskosität
5 Pas gemessen mit einem Viskomat nach Schleibinger mit Kegelmesskörper nach
dem Couette-Prinzip) wird mit Wasser verdünnt. Man erhält eine
Viskosität
von 2,68 Pas. Unter intensivem Rühren
wird das Calziumcarbonat dispergiert und eine Viskosität von 0,87
Pas erhalten. Nun wird unter schonendem Mischen eine homogene Mischung
mit den Leichtfüllstoffen
erzeugt. Diese Mischung mit estrichartiger Konsistenz wird in eine
Form gefüllt,
gleichmäßig verteilt
und um 14% verdichtet. Zur Trocknung wird das Formteil in einem
Umluftofen bei 50°C
getrocknet.
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Das
E-Modul (gemessen im Dreipunktbiegeversuch) des so hergestellten
Formkörpers
beträgt
210 MPa.
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Beispiel 8:
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Ausgangsstoffe
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- 70 g Holzleim
- 70 g Füllstoff
Blähglasgranulat
Korngröße 2–4 mm
- 50 g Füllstoff
Blähglasgranulat
Korngröße 0,1–0,3 mm
- 20 g ATH
- 10 g Wasser
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Der
Holzleim (Viskosität
5.0 Pas gemessen mit einem Viskomat nach Schleibinger mit Kegelmesskörper nach
dem Couette-Prinzip) wird mit Wasser verdünnt. Man erhält eine
Viskosität
von 2,68 Pas. Unter intensivem Rühren
wird das ATH (Aluminiumtrihydrat) dispergiert und eine Viskosität von 2,09
Pas erhalten. Nun wird unter schonendem Mischen eine homogene Mischung
mit den Leichtfüllstoffen
erzeugt. Diese Mischung mit estrichartiger Konsistenz wird in eine
Form gefüllt,
gleichmäßig verteilt
und um 17% verdichtet. Zur Trocknung wird das Formteil in einem
Umluftofen bei 50°C
getrocknet.
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Das
E-Modul (gemessen im Dreipunktbiegeversuch) des so hergestellten
Formkörpers
beträgt
458 MPa.
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Beispiel 9:
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Ausgangsstoffe
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- 70 g Holzleim
- 140 g Füllstoff
Blähglasgranulat
Korngröße 2–4 mm
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Mit
dem Holzleim (Viskosität
5,0 Pas gemessen mit einem Viskomat nach Schleibinger mit Kegelmesskörper nach
dem Couette-Prinzip) und den Leichtfüllstoffen wird unter schonendem
Mischen eine homogene Mischung erzeugt. Diese Mischung mit estrichartiger
Konsistenz wird in eine Form gefüllt,
gleichmäßig verteilt und
um 9% verdichtet. Zur Trocknung wird das Formteil in einem Umluftofen
bei 50°C
getrocknet.
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Das
E-Modul (gemessen im Dreipunktbiegeversuch) des so hergestellten
Formkörpers
beträgt
107 MPa.
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Beispiel 10:
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Nach
Beispiel 7 werden drei Platten hergestellt. Eine Platte wird 5 Tage
bei Raumtemperatur getrocknet. Die zweite Platte wird 24 Stunden
bei 50°C
getrocknet. Die dritte Platte schließlich wird 24 Stunden bei 100°C getrocknet.
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Man
erhält
folgende Biegefestigkeiten:
Platte
1 (Trocknung Raumtemperatur): | 109
MPa |
Platte
2 (Trocknung bei 50°C): | 234
MPa |
Platte
3 (Trocknung bei 100°C): | 560
MPa |
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Wird
Platte 1 anschließend
bei 100°C
weitere 3 Stunden getrocknet, steigt deren Biegefestigkeit auf 308
MPa, während
Platte 2 nach einem solchen zweiten Trocknungsschritt kaum eine Änderung
zeigt und 265 MPa ergibt. Weiteres Trocknen führt zu keinen weiteren Änderungen
mehr.
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Weitere Material-Angaben und Messbedingungen:
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Die
Biegefestigkeit der Probekörper
mit nahezu quadratischem Querschnitt von 20 mm Kantenlänge wurde
mit einem Stützabstand
von 150 mm bestimmt.
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Der
Leichtfüllstoff
Blähglasgranulat
mit 2–4
mm Korngröße hat eine
Schüttdichte
von 190 kg/m3.
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Der
Leichtfüllstoff
Blähglasgranulat
mit 0,1–0,3
mm Korngröße hat eine
Schüttdichte
von 400 kg/m3.
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Das
ATH weist eine Korngröße von 0–40 μm, das verwendete
Calciumcarbonat von 0–90 μm auf.
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Verwendet
wurden handelsübliche
wasserfeste Holzleime, wie beispielsweise Ponal®, Rhenocoll
Propellerleim® oder
Jowat®-Leime.