DE102014002594A1 - Bulk or shaped bodies of inorganic polymers and their preparation - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Masse oder eines Formkörpers aus anorganischem Polymer beschrieben, bei dem Wasserglas mit einem Amid in bestimmten Mengen gehärtet wird und dabei feste Zuschlagsstoffe und gegebenenfalls verschiedene weitere Stoffe zugesetzt werden können. Außerdem werden Massen und Formkörper, die mit diesem Verfahren erhältlich sind, beschrieben und deren Verwendung.The invention relates to a method for producing a mass or a shaped article of inorganic polymer, in which water glass is hardened with an amide in specific amounts, solid adjuvants and, if appropriate, various further substances being able to be added. In addition, compositions and moldings obtainable by this method are described and their use.
Description
FachgebietArea of Expertise
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Massen und Formkörpern aus anorganischen Polymeren sowie bei diesem Verfahren erhaltene Massen und Formkörper und deren Verwendung z. B. in der Baubranche und für Gießereiformen.The present invention relates to a process for the preparation of masses and moldings of inorganic polymers and in this process obtained masses and moldings and their use z. B. in the construction industry and for foundry molds.
Hintergrundbackground
Anorganische Polymere sind bekannt. So wird eine Reaktion zwischen Wasserglas, d. h. Natriumsilikat, und Metakaolin (Al2Si2O7) in der Literatur häufig als Geopolymerisation bezeichnet. Geopolymerisation beruht auf der Ausbildung polymerer Strukturen zwischen Sauerstoff, Silizium und Aluminium. Zur Reaktion gebracht werden Wasserglas mit Metakaolin unter Beimischung von Natron- oder Kalilauge als Aktivator; der optimale pH-Wert dieser Reaktion liegt im Bereich von pH 13 bis 14. Nach
Aus der
Aus dem Aufsatz
Aus dem Aufsatz
Weiter ist aus
Weiter sei verwiesen auf:
Allerdings sind Verbesserungen bei den Produkteigenschaften und deren Herstellung noch wünschenswert.However, improvements in product properties and their manufacture are still desirable.
Es ist wünschenswert, dass die Ausgangssubstanzen bzw. -komponenten, die zur Herstellung verwendet werden, hinreichend lagerstabil sind, eine Recycelbarkeit gewährleistet ist und nur geringe bis gar keine Sicherheitsauflagen bei der Verarbeitung zu beachten sind. Die fertige Masse sollte rissfrei nagelbar, schleifbar, sägbar usw. sein. Weiter sollte das Material pilz- und säureresistent sein; zusätzlich wäre Feuerfestigkeit und/oder Temperatur- und/oder UV-Beständigkeit wünschenswert.It is desirable that the starting materials or components used for the preparation are sufficiently stable on storage, recyclability is ensured, and only little or no safety requirements are to be observed during processing. The finished mass should be free of nail, grindable, sawn etc. Further, the material should be fungus and acid resistant; In addition, refractoriness and / or temperature and / or UV resistance would be desirable.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung einer Masse oder eines Formkörpers, das mindestens einige der vorstehend beschriebenen Eigenschaften erfüllt. Eine weitere Aufgabe besteht in der Bereitstellung einer Masse oder eines Formkörpers, die/der mindestens einige der vorstehend beschriebenen Eigenschaften aufweist.The object of the present invention is to provide a method for producing a mass or a shaped body which fulfills at least some of the properties described above. Another object is to provide a composition or molding having at least some of the properties described above.
Die Aufgabe wird gelöst durch das in den Ansprüchen definierte Verfahren und die in den Ansprüchen definierten Produkte.The object is achieved by the method defined in the claims and the products defined in the claims.
Beschreibung der FigurDescription of the figure
Ausführliche Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine erste Zusammensetzung (im Folgenden Zusammensetzung a)) mit einer zweiten Zusammensetzung (im Folgenden Zusammensetzung b)) für eine Polykondensation in Kontakt gebracht und fester Zuschlagsstoff (vorzugsweise mit OH-Gruppen) zugegeben.In the method according to the invention, a first composition (hereinafter composition a)) is brought into contact with a second composition (in the following composition b)) for a polycondensation and solid additive (preferably with OH groups) is added.
Bei Zusammensetzung a) handelt es sich um eine wässrige Zusammensetzung, die in Wasser gelöstes Natrium- und/oder Kaliumwasserglas enthält.Composition a) is an aqueous composition containing sodium and / or potassium waterglass dissolved in water.
Wassergläser sind meist aus Sand und Na- bzw. K-Carbonat hergestellt. Sie bestehen aus in Wasser gut löslichen Silikaten, deren negative Ladung durch einwertige Gegenkationen (M+) kompensiert werden.Water glasses are usually made of sand and Na or K carbonate. They consist of water-soluble silicates whose negative charge is compensated by monovalent countercations (M + ).
Es ist möglich, ein Natriumwasserglas (manchmal auch als Natronwasserglas bezeichnet) einzusetzen oder ein Gemisch verschiedener Natriumwassergläser. Außerdem kann ein Kaliumwasserglas (manchmal auch als Kaliwasserglas bezeichnet) oder ein Gemisch verschiedener Kaliumwassergläser eingesetzt werden. Die Verwendung von einem oder mehreren Kaliumwassergläsern ist gegenüber der Verwendung von einem oder mehreren Natriumwassergläsern bevorzugt, da eine höhere Druckstabilität erreicht wird. Gemäß einer Ausführungsform wird ein Gemisch aus Natrium- und Kaliumwasserglas, wie z. B. 90:10 bis 10:90 Gemisch, z. B. ein 50:50 (bezogen auf Gesamtgewicht an gelöstem Wasserglas) Gemisch oder ein 90:10 Gemisch verwendet.It is possible to use a sodium water glass (sometimes called soda water glass) or a mixture of different sodium water glasses. In addition, a potassium water glass (sometimes referred to as potassium water glass) or a mixture of different potassium water glasses can be used. The use of one or more potassium water glasses is preferred over the use of one or more sodium water glasses since higher pressure stability is achieved. According to one embodiment, a mixture of sodium and potassium water glass, such as. B. 90:10 to 10:90 mixture, e.g. As a 50:50 (based on total weight of dissolved water glass) mixture or a 90:10 mixture used.
Wassergläser werden durch ihren s-Wert charakterisiert, der das Masseverhältnis SiO2/M2O (M = Alkalimetall) angibt; je kleiner der s-Wert ist, desto mehr Alkalimetalle sind vorhanden. Wassergläser mit verschiedenen s-Werten sind im Handel erhältlich. Water glasses are characterized by their s-value, which indicates the mass ratio SiO 2 / M 2 O (M = alkali metal); the smaller the s value, the more alkali metals are present. Water glasses with different s-values are commercially available.
Es sind Wassergläser mit s-Werten im Bereich von 0,7 bis 8 bekannt. Für die vorliegende Erfindung werden vorzugsweise Wassergläser mit einem s-Wert von 1,3–5 verwendet.Water glasses with s values in the range of 0.7 to 8 are known. For the present invention, water glasses with an s value of 1.3-5 are preferably used.
Als Kaliwassergläser kommen für die Erfindung z. B. solche mit einem s-Wert von 1,3–4,5, vorzugsweise 2–3,5 in Frage.As potassium water glasses come for the invention z. For example, those with an s value of 1.3-4.5, preferably 2-3.5 in question.
Als Natronwassergläser kommen für die Erfindung z. B. solche mit einem s-Wert von 2–5 in Frage, vorzugsweise 3–4,5.As soda water glasses come for the invention z. For example, those with an s value of 2-5 in question, preferably 3-4.5.
Gemäß einer Ausführungsform wird ein Gemisch von Wassergläsern verwendet, bei dem der Anteil an Wasserglas mit einem s-Wert von 1,3 bis 5 mindestens 90% bezogen auf die Gesamtmenge an in Zusammensetzung a) gelöstem Wasserglas beträgt.According to one embodiment, a mixture of water glasses is used in which the proportion of water glass having an s value of 1.3 to 5 is at least 90%, based on the total amount of water glass dissolved in composition a).
Durch die Verwendung eines Gemisches von Kali- und Natronwasserglas konnten überraschenderweise die Rissbeständigkeit und das Schrumpfverhalten des Produktes verbessert werden. Die Verwendung von Kaliwasserglas wirkt sich günstig auf die Druckstabilität des Produktes aus.By using a mixture of potassium and soda waterglass, surprisingly, the crack resistance and the shrinkage behavior of the product could be improved. The use of potassium silicate glass has a favorable effect on the pressure stability of the product.
Wässrige Lösungen von Wassergläsern sind viskos. Natronwassergläser führen bei gleichem SiO2-Anteil (s-Wert) in der Regel zu einer höheren Viskosität als Kaliwassergläser.Aqueous solutions of water glasses are viscous. Sodium water glasses usually lead to a higher viscosity than potash water glasses with the same SiO 2 content (s value).
Für die Herstellung der Zusammensetzung a) kann z. B. von kommerziellen Wasserglaslösungen mit einem Feststoffgehalt von ca. 30–48 Gew.-% ausgegangen werden.For the preparation of the composition a) z. B. of commercial water glass solutions having a solids content of about 30-48 wt .-% are assumed.
Wassergläser können auch über ihre strukturellen Eigenschaften hinsichtlich vorhandener Siliciumgruppen charakterisiert werden:
Der s-Wert eines Wasserglases bestimmt, in welcher chemischen Konstitution das Silikat vorliegt. Bei einem s-Wert von s = 1 besitzt das Silikat im Mittel eine negative Ladung. Theoretisch kann der s-Wert bis auf 0,25 absinken. Die Formel solch eines Kalisilikats wäre K4SiO4, d. h. ein vierfach negativ geladener Silizium/Sauerstoff-Tetraeder. Diese funktionelle Gruppe wird im Folgenden mit Q0 bezeichnet. Bildet sich aus solch einer Q0-Gruppe durch Kondensation eine Si-O-Si-Bindung, erhält man eine Q1-Gruppe. Am zentralen Siliciumatom hängt genau eine O-Si-Gruppe. Das Suffix bezeichnet damit die Anzahl brückenbildender Sauerstoffatome, die an dieses Siliciumatom binden. Dementsprechend wird eine zentrale Silikat-Gruppe mit zwei Bindungen zu Siliciumatomen eine Q2-, mit drei Bindungen eine O3- und mit vier Bindungen eine Q4-Gruppe genannt. Die Q4-Gruppe trägt keine negative Ladung mehr und ist neutral.Water glasses can also be characterized by their structural properties with respect to existing silicon groups:
The s value of a water glass determines the chemical constitution of the silicate. At an s value of s = 1, the silicate has on average a negative charge. Theoretically, the s value can drop to 0.25. The formula of such a potassium silicate would be K 4 SiO 4 , ie a four-fold negatively charged silicon / oxygen tetrahedron. This functional group is referred to below as Q 0 . If such a Q 0 group forms an Si-O-Si bond by condensation, a Q 1 group is formed. There is exactly one O-Si group attached to the central silicon atom. The suffix thus refers to the number of bridging oxygen atoms that bind to this silicon atom. Accordingly, a central silicate group with two bonds to silicon atoms is called a Q 2 -, with three bonds one O 3 - and with four bonds a Q 4 group. The Q 4 group no longer carries a negative charge and is neutral.
Damit können die verschiedenen Siliciumgruppen wie folgt gekennzeichnet werden:
- Q0:
- Monosilikat
- Q1:
- Endgruppe
- Q2:
- Mittelgruppe
- Q3:
- Verzweigungsgruppe
- Q4:
- Vernetzungsgruppe
- Q 0 :
- mono silicate
- Q 1 :
- end group
- Q 2 :
- Central group
- Q 3 :
- branching group
- Q 4 :
- networking group
Die Si-OR-Gruppe steht hier als Platzhalter für eine weitere Verzweigung des Si-O-Si-Gerüstes. Die nicht gezeigte Q4-Gruppe besitzt keine negative Ladung mehr sondern besteht nur noch aus Si(OR)4-Gruppen, die nicht mehr im Sinne einer Polykondensationsreaktion reagieren können. The Si-OR group stands here as a placeholder for a further branching of the Si-O-Si skeleton. The Q 4 group, not shown, no longer has a negative charge but consists only of Si (OR) 4 groups which can no longer react in the sense of a polycondensation reaction.
Für die Ermittlung der prozentualen Anteile von Q0 bis Q4 in einem gegebenen Wasserglas können 29Si-MAS-NMR-Spektren benutzt werden.To determine the percentages of Q 0 to Q 4 in a given waterglass, 29 Si MAS NMR spectra can be used.
In der vorliegenden Erfindung wurde z. B. ein Advance 500 DSX 500 WB der Fa. Bruker (Billerica, USA) bei Raumtemperatur mit einem 4 mm ZrO2-Rotor und der Rotationsgeschwindigkeit von 9 oder 10 kHz verwendet; folgende Einstrahlfrequenz wurde verwendet: 29Si: 99,36176 MHz. Es wurde mit Einzel-Pulsprogramm gearbeitet, mit folgender Pulszeit: 45-Grad-Puls bei 29Si mit einer Pulsdauer von 2 μsec. Als Abklingzeit wurde gewählt: 29Si: 6 sec.In the present invention, for. For example, an Advance 500 DSX 500 WB from Bruker (Billerica, USA) is used at room temperature with a 4 mm ZrO 2 rotor and the rotation speed of 9 or 10 kHz; the following irradiation frequency was used: 29 Si: 99.36176 MHz. It was worked with single pulse program, with the following pulse time: 45-degree pulse at 29 Si with a pulse duration of 2 μsec. The cooldown was 29 Si: 6 sec.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung und aller hier beschriebenen Ausführungsformen sind Wassergläser mit folgender Charakterisierung bevorzugt:
Bevorzugter Bereich Q1: 2–6%
Bevorzugter Bereich Q2: 10–25%
Bevorzugter Bereich Q3: 15–25%
Bevorzugter Bereich Q4: 45–70%
wobei die Fläche derjenigen Peaks, die einer bestimmten Siliciumgruppe Q(i) zugeordnet wird, zur Summe der Fläche aller Si-NMR-Signale (= 100%) ins Verhältnis gesetzt wird.In the context of the present invention and all embodiments described herein, water glasses with the following characterization are preferred:
Preferred range Q 1 : 2-6%
Preferred range Q 2 : 10-25%
Preferred range Q 3 : 15-25%
Preferred range Q 4 : 45-70%
wherein the area of those peaks associated with a particular silicon group Q (i) is related to the sum of the area of all Si NMR signals (= 100%).
Für die vorliegende Erfindung hat es sich darüber hinaus als wesentlich ergeben, dass der pH-Wert der Zusammensetzung a) bei 25°C mindestens 12 (gemessen mit pH-Meter) beträgt.For the present invention, moreover, it has been found to be essential that the pH of the composition a) at 25 ° C is at least 12 (measured with pH meter).
Durch die Verwendung des Amidhärters (I) bzw. Derivaten davon wird bei der Polykondensation der pH-Wert erniedrigt. Damit der pH-Wert bei der Reaktion nicht merklich unter 10 fällt, ist für die Zusammensetzung a) ein Mindest-pH-Wert von 12 erforderlich. Üblicherweise wird der pH-Wert bei der Reaktion um etwa 1–1,5 Einheiten fallen.By using the amide hardener (I) or derivatives thereof, the pH is lowered in the polycondensation. In order that the pH in the reaction does not noticeably drop below 10, a minimum pH of 12 is required for the composition a). Usually, the pH in the reaction will drop by about 1-1.5 units.
Durch den alkalischen pH-Wert ist Zusammensetzung a) gegen Pilzbesiedelung resistent sowie relativ säurestabil, was eine gute Lagerstabilität zur Folge hat.Due to the alkaline pH, composition a) is resistant to fungal colonization and relatively stable to acid, resulting in a good storage stability.
Die Zusammensetzung b) enthält neben Wasser mindestens einen wasserlöslichen oder wassermischbaren (vorzugsweise wasserlöslich) Harter, wobei der Härter ausgewählt ist aus Amiden der allgemeinen Formel (I) und Derivaten ausgewählt aus Biureten und Urethanen wobei R1 bis R4 unabhängig voneinander ausgewählt werden aus H und gegebenenfalls mit einer oder mehreren OH-Gruppen substituiertem C1-6 Alkyl oder einer von R1 und R2 und einer von R3 und R4 mit der Gruppeeinen 5-gliedrigen Ring bilden, der gegebenenfalls ein- oder mehrfach mit Substituenten substituiert ist, die ausgewählt sind aus C12 Alkyl und C12 Alkyl substituiert mit einem oder mehreren OH.The composition b) contains, in addition to water, at least one water-soluble or water-miscible (preferably water-soluble) hardener, the hardener being selected from amides of the general formula (I) and derivatives selected from biurets and urethanes wherein R 1 to R 4 are independently selected from H and optionally substituted with one or more OH groups substituted C 1-6 alkyl or one of R 1 and R 2 and one of R 3 and R 4 with the group form a 5-membered ring optionally substituted one or more times with substituents selected from C 12 alkyl and C 12 alkyl substituted with one or more OH.
Die C1-6 (vorzugsweise C1-4, besonders bevorzugt C1-2) Alkylreste können unabhängig gegebenenfalls mit einer oder mehreren OH-Gruppen substituiert sein, was die Wasserlöslichkeit des Härters verbessern kann.The C 1-6 (preferably C 1-4 , more preferably C 1-2 ) alkyl groups may be independently optionally substituted with one or more OH groups, which may improve the water solubility of the curing agent.
Geeignete Beispiele für Härter sind Harnstoff (R1=R2=R3=R4=H), Biuret wobei ein oder mehrere H gegebenenfalls durch aliphatische (Gruppen wie z. B. Alkylgruppen ersetzt sind) und Urethan(wobei die Ethylgruppe gegebenenfalls mit einem oder mehreren Substituenten, ausgewählt aus aliphatischen Gruppen wie z. B. Alkylgruppen, substituiert ist).Suitable examples of hardeners are urea (R 1 = R 2 = R 3 = R 4 = H), biuret wherein one or more H are optionally replaced by aliphatic (groups such as alkyl groups) and urethane (wherein the ethyl group is optionally substituted with one or more substituents selected from aliphatic groups such as alkyl groups).
Die Menge zugegebenen Härters bestimmt im Produkt nicht nur die Anzahl der Quervernetzungen, sondern darüber hinaus auch die Harte des Produktes.The amount of added hardener determines in the product not only the number of cross-links, but also the hardness of the product.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben gefunden, dass folgende Bedingung erfüllt sein muss, um Produkte mit guter Festigkeit zu erhalten:
Die Menge an eingesetztem Härter in g (mH) beträgt mstö bis x·mstö The inventors of the present invention have found that the following condition must be met in order to obtain products having good strength:
The amount of hardener used in g (m H ) is m stö to x · m stö
Dabei gilt:
mstö = stöchiometisch benötigte Menge Härter in g und berechnet sich nach
- MGH
- = Molekulargewicht des verwendeten Härters
- MGM₂O
- = Molekulargewicht von M2O aus gelöstem Wasserglas (Zusammensetzung a)) mit M = Na oder K
- mWG
- = Menge gelöstes Wasserglas in g in der Zusammensetzung a)
- s
- = Massenverhältnis SiO2/M2O des in Zusammensetzung a) verwendeten Wasserglases
m stö = stoichiometrically required amount of hardener in g and calculated according to
- MG H
- = Molecular weight of the hardener used
- MG M₂O
- = Molecular weight of M 2 O from dissolved water glass (composition a)) with M = Na or K.
- m WG
- = Amount of dissolved water glass in g in the composition a)
- s
- = Mass ratio SiO 2 / M 2 O of the water glass used in composition a)
Bei Einsatz eines Gemisches aus 2 oder mehr Wassergläsern gilt mstö = Σmstö (i), wobei mstö(i) die nach Gleichung (1) für jedes Wasserglas (i) mit dem jeweiligen s(i)-Wert berechnete Menge an Härter ist.
x = 0,35 bei Verwendung von gelöstem Na-Wasserglas in Zusammensetzung a) und
x = 0,45 bei Verwendung von gelöstem K-Wasserglas in Zusammensetzung a) und
x = 0,35·yNa + 0,45·yK bei Verwendung eines Gemisches von gelöstem Na-Wasserglas und gelöstem K-Wasserglas in Zusammensetzung a), wobei
yNa = Gewichtsanteil an Na-Wasserglas bezogen auf Gesamtmenge an gelöstem Wasserglas berechnet nach:
(Menge in g des gelösten Na-Wasserglases)/(Gesamtmenge in g an gelöstem Wasserglas)
yK = Gewichtsanteil an K-Wasserglas bezogen auf Gesamtmenge an gelöstem Wasserglas, wobei yNa + yK = 1 gilt,
beim Einsatz eines Gemisches von Härtern gilt: MGH = ΣMGH(i)·m(i)) mit MGH(i) = Molekulargewicht von Harter (i)
m(i) = Gewichtsanteil an Härter (i) bezogen auf Gesamtmenge an verwendeten Härtern wobei Σm(i) = 1 gilt.When using a mixture of 2 or more water glasses m stö = Σm stö (i), where m stö (i) the calculated according to equation (1) for each water glass (i) with the respective s (i) value amount of hardener is.
x = 0.35 when using dissolved Na water glass in composition a) and
x = 0.45 when using dissolved K-water glass in composition a) and
x = 0.35 · y Na + 0.45 · y K using a mixture of dissolved Na water glass and dissolved K water glass in composition a), wherein
y Na = weight fraction of Na water glass based on total amount of dissolved water glass calculated according to:
(Amount in g of dissolved Na water glass) / (total amount in g of dissolved water glass)
y K = weight fraction of K water glass relative to the total amount of dissolved water glass, where y Na + y K = 1,
when using a mixture of hardeners: MG H = ΣMG H (i) * m (i)) with MG H (i) = molecular weight of hard (i)
m (i) = weight fraction of hardener (i) relative to total amount of hardeners used, where Σm (i) = 1.
Das Wasserglas kann erfindungsgemäß zum Abbinden unterschiedlichster Zuschlagsstoffe verwendet werden. Bevorzugte Zuschlagsstoffe weisen OH-Gruppen auf.The water glass can be used according to the invention for setting a wide variety of aggregates. Preferred additives have OH groups.
Beispiele geeigneter Zuschlagsstoffe sind Flusssand, Seesand, Wüstensand, SiO2 (wie solches, das in der Porzellanherstellung verwendet wird), Holzspäne, Fasern (z. B. mit einer Faserdicke von < 10 μm und einer Länge von 1–10 mm) wie Glasfasern, Steinwolle, Basaltfasern und Cellulosefasern und/oder Glaskügelchen (z. B. mit 1–3 mm Durchmesser), Styroporkügelchen (z. B. mit 1–3 mm Durchmesser) und Bimssteinpartikel.Examples of suitable aggregates are flux sand, sea sand, desert sand, SiO 2 (such as that used in porcelain manufacture), wood chips, fibers (eg having a fiber thickness of <10 μm and a length of 1-10 mm) such as glass fibers Rock wool, basalt fibers and cellulose fibers and / or glass beads (eg 1-3 mm in diameter), polystyrene beads (eg 1-3 mm in diameter) and pumice particles.
Die Menge an Zuschlagsstoff wird so gewählt, dass die verwendete Mischung aus Wasserglaslösung und Harter ausreicht für eine vollständige Benetzung.The amount of aggregate is chosen so that the mixture of water glass solution and hardener used is sufficient for complete wetting.
Neben den vorstehenden essentiellen Komponenten können noch ein oder mehr optionale Bestandteile enthalten sein, mit denen die Reaktion und/oder die Eigenschaften der Produkte weiter beeinflusst werden können. In addition to the above essential components, one or more optional ingredients may be included to further influence the reaction and / or properties of the products.
Die Feststoffe sollten dabei als Pulver eingemischt werden (bevorzugte mittlere Teilchengröße ≤ 100 μm).The solids should be mixed in as a powder (preferred average particle size ≦ 100 μm).
Gemäß einer Ausführungsform wird in Zusammensetzung a) Metakaolin verwendet (bevorzugte Teilchengröße < 20 μm). Gemäß einer anderen Ausführungsform wird ein Gemisch aus Metakaolin und Kaolin verwendet.According to one embodiment, metakaolin is used in composition a) (preferred particle size <20 μm). In another embodiment, a mixture of metakaolin and kaolin is used.
Metakaolin ist ein Natriumaluminiumsilikat und kann formal als Kondensationsprodukt von Aluminiumhydroxid und Kieselsäure angesehen werden.Metakaolin is a sodium aluminum silicate and can formally be considered as a condensation product of aluminum hydroxide and silica.
Wenn neben Silicium auch Aluminium in der Struktur vorhanden ist, ergeben sich Produkte wesentlich größerer Härte. Die Erfinder vermuten, dass die Aluminiumzentren im Gerüst eine negative Nettoladung tragen.If, in addition to silicon, aluminum is also present in the structure, products of considerably greater hardness result. The inventors suspect that the aluminum centers in the framework carry a net negative charge.
Das Umsetzungsverhältnis von Natriumsilikat zu Metakaolin erfolgt bevorzugt in einem stöchiometrischen Verhältnis von ungefähr 1:1. Es wird vermutet, dass sich dann ein kovalentes, dreidimensionales Netzwerk höchster Stabilität bildet. Außerdem werden so alle Natriumatome zur Absättigung der Aluminiumkationen verwendet. Danach könnte Wasserglas mit Metakaolin im Gewichtsverhältnis von 242 g zu 258 g zur Reaktion gebracht werden. Es sind auch Si:Al Verhältnisse von 2:1 und 3:1, sowie andere Verhältnisse möglich, auch nicht geradzahlige Verhältnisse. Ein Gewichtsverhältnis von Wasserglas zu Metasilikat von 100:1 bis 100:25 ist bevorzugt (bevorzugter 100:5 bis 100:25), da solche Mischungen gut gießbar sind. Ein noch höherer Anteil an Metasilikat führte allerdings zu bröseligen und zu trockenen Mischungen und ist daher insbesondere für die Herstellung poröser Formkörper nicht bevorzugt.The conversion ratio of sodium silicate to metakaolin is preferably in a stoichiometric ratio of about 1: 1. It is believed that then forms a covalent, three-dimensional network of highest stability. In addition, all sodium atoms are used to saturate the aluminum cations. Thereafter, water glass could be reacted with metakaolin in a weight ratio of 242 g to 258 g. There are also Si: Al ratios of 2: 1 and 3: 1, and other conditions possible, even not even ratios. A weight ratio of water glass to metasilicate of 100: 1 to 100: 25 is preferred (more preferably 100: 5 to 100: 25) because such mixtures are readily pourable. However, an even higher proportion of metasilicate led to crumbly and too dry mixtures and is therefore not preferred, in particular for the production of porous shaped articles.
Da der Einbau von Aluminium-Tetraedern das Gitter einen Ladungsausgleich erfordert, müssen entsprechende Kationen, beispielsweise Alkalikationen in das Gerüst eingebaut werden. Das führt vermutlich dazu, dass einwertige Metallkationen aus dem Wasserglas ionisch gebunden werden, sofern Aluminium mit eingebaut wird. Das Metasilikat würde dann nicht nur als Komponente zum Aufbau eines kovalenten Netzwerkes, sondern gleichzeitig auch als Härter wirken. Dass insoweit Wasserglas in einer Mischung mit Metakaolin auch ohne weitere Harter aushärtet, obgleich dies recht lange dauern kann, ist insoweit verständlich und bei der Herstellung von Mehrkomponenten-Systemen zur Herstellung anorganischer Polymere der Erfindung ist diesbezüglich die Lagerzeit für die Ausgangssubstanzen des zu bildenden anorganischen Polymers zu beachten.Since the incorporation of aluminum tetrahedra, the grid requires a charge balance, appropriate cations, such as alkali cations must be incorporated into the scaffold. This probably leads to ionic bonding of monovalent metal cations from the water glass, provided that aluminum is incorporated. The metasilicate would then act not only as a component to build a covalent network but also as a hardener at the same time. That insofar water glass cures in a mixture with metakaolin without further hardening, although this may take a long time, is understandable in this respect and in the production of multicomponent systems for producing inorganic polymers of the invention in this regard, the storage time for the starting materials of the inorganic polymer to be formed to be observed.
Auch die Verwendung von Phosphaten in Zusammensetzung a) wirkt sich günstig auf die Druckfestigkeit des Produktes aus und kann außerdem die Schrumpfung beim Trocknungsprozess vermindern. Die erhaltenen Produkte zeigen außerdem gute Rostschutzeigenschaften.The use of phosphates in composition a) has a favorable effect on the compressive strength of the product and can also reduce the shrinkage in the drying process. The products obtained also show good anti-rust properties.
Es können Mono-, Di-, Tri- oder Polyphosphate verwendet werden, bevorzugt Di-, Tri- und/oder Polyphosphate des Natriums und/oder Aluminiums. Es wird angenommen, dass neben Silikat und Aluminat auch Polyphosphate in das Si-O-Al-Gerüst eines erfindungsgemäßen anorganischen Polymers eingebaut werden können. Dies wäre besonders vorteilhaft, weil bei der Polykondensation von Wasserglas wie auch von Metasilikat die beteiligten Moleküle jeweils nur zwei Andockstellen besitzen und damit prinzipiell ohne die bevorzugten Phosphate lineare Polymere gebildet werden. Wird hingegen ein Phosphat wie zum Beispiel Trinatrium-phosphat (Na3PO4), Tetranatriumdiphosphat (Na4P2O7) oder Pentanatrium-Triphosphat bzw. Metaphosphate mit Silikaten und Aluminaten zur Polykondensation gebracht, können hier Verzweigungen in den Ketten auftreten.Mono-, di-, tri- or polyphosphates can be used, preferably di-, tri- and / or polyphosphates of sodium and / or aluminum. It is believed that in addition to silicate and aluminate and polyphosphates can be incorporated into the Si-O-Al skeleton of an inorganic polymer of the invention. This would be particularly advantageous because in the polycondensation of water glass as well as metasilicate, the molecules involved in each case have only two docking sites and thus in principle without the preferred phosphates linear polymers are formed. If, however, a phosphate such as trisodium phosphate (Na 3 PO 4 ), tetrasodium diphosphate (Na 4 P 2 O 7 ) or pentasodium triphosphate or metaphosphates with silicates and aluminates for polycondensation brought here branching in the chains may occur.
Dies liegt an der Struktur der Phosphate, vgl. z. B. Trinatriumphosphat (Na3PO4): This is due to the structure of the phosphates, cf. z. B. Trisodium phosphate (Na 3 PO 4 ):
Die Verbindung Tetranatriumdiphosphat hat zum Beispiel vier Andockstellen, d. h. Na+O– Gruppen: The connection tetrasodium for example, has four docking points, that Na + O - groups:
Eine höhere von Anzahl von Andockstellen ergibt sich auch aus Trinatriumphosphat und Pentanatriumtriphosphat: A higher number of docking sites also results from trisodium phosphate and pentasodium triphosphate:
Es können so dreidimensional verknüpfte Raumgerüste gebildet werden.It can thus be formed three-dimensional space scaffoldings.
Die Menge der Phosphate ist nicht besonders beschränkt, beträgt aber vorzugsweise 0 bis 3 Gew.-%, bevorzugter 0 bis 1 Gew.-% bezogen auf Zusammensetzung a), gemäß einer anderen Ausführungsform > 0 bis 3 Gew.-%.The amount of the phosphates is not particularly limited, but is preferably 0 to 3 wt .-%, more preferably 0 to 1 wt .-% based on composition a), according to another embodiment> 0 to 3 wt .-%.
Eine weitere optionale Komponente von Zusammensetzung a) sind Oxide von mehrwertigen Metallen, vorzugsweise ein oder mehrere ausgewählt aus ZnO, TiO2, MnO, PbO, PbO2, Fe2O3, FeO, Fe3O4, ZrO2, Cr2O3, CuO, BaO, SrO, BeO, CaO und MgO, bevorzugt sind Oxide zweiwertiger Metalle wie MgO, BeO, SrO, BaO, PbO, CuO, CaO, ZnO und MnO; besonders bevorzugt ist TiO2.Another optional component of composition a) are polyvalent metal oxides, preferably one or more selected from ZnO, TiO 2 , MnO, PbO, PbO 2 , Fe 2 O 3 , FeO, Fe 3 O 4 , ZrO 2 , Cr 2 O 3 , CuO, BaO, SrO, BeO, CaO and MgO, preferred are oxides of divalent metals such as MgO, BeO, SrO, BaO, PbO, CuO, CaO, ZnO and MnO; particularly preferred is TiO 2 .
Werden der Reaktionsmischung Metalloxide beigemischt, kann hier ein Kationenaustausch stattfinden. Es wird angenommen, dass Oxide mehrwertiger Metalle, wie z. B. zweiwertiger als Brücke zwischen zwei negativ geladenen Aluminiumatomen dienen können und so ein dreidimensionales Netzgerüst aufbauen helfen. Zu beachten ist dabei natürlich, dass die Metalloxidbeimischungen im Falle eines erforderlichen späteren Recyclings nicht problematisch sind und dass gegebenenfalls Einschränkungen im Hinblick auf die Verarbeitbarkeit ohne Sicherheitsauflagen auftreten könnten.If metal oxides are added to the reaction mixture, a cation exchange can take place here. It is believed that oxides of polyvalent metals, such as. B. bivalent can serve as a bridge between two negatively charged aluminum atoms and help build a three-dimensional network framework. It should be noted, of course, that the metal oxide admixtures are not problematic in the case of a later recycling required and that, if necessary, restrictions in terms of processability could occur without safety requirements.
Per se sind auch drei- oder vierwertige Ionen wie Fe3+, Cr3+, Zr4+ oder Ti4+ als Oxid und/oder Sulfat verwendbar. Allerdings ist eine clusterartige Anordnung von drei oder mehr Aluminiumatomen als eher unwahrscheinlich zu bewerten, so dass sich durch derartig höher wertige Ionen kein Vorteil zu erwarten ist.Per se, trivalent or tetravalent ions such as Fe 3+ , Cr 3+ , Zr 4+ or Ti 4+ are also usable as oxide and / or sulfate. However, a cluster-like arrangement of three or more aluminum atoms is considered unlikely, so that no advantage can be expected from such higher-valent ions.
Vorteilhaft ist insbesondere die Beimengung von Metalloxiden, deren Metalle stabile d. h. schwer lösliche Carbonate bilden. Bei der Reaktion mit organischen Carbonaten als Härter entstehen anorganische Carbonate wie Pottasche und Soda. Werden CaO, SrO, BaO, PbO, MgO oder ZnO zugegeben, kann ein späteres Ausblühen von Soda und Pottasche vermieden und gleichzeitig die Härte und Stabilität der Produkte gesteigert werden.Particularly advantageous is the addition of metal oxides whose metals are stable d. H. form sparingly soluble carbonates. In the reaction with organic carbonates as hardeners, inorganic carbonates such as potash and soda are formed. If CaO, SrO, BaO, PbO, MgO or ZnO are added, a later blooming of soda and potash can be avoided and at the same time the hardness and stability of the products can be increased.
Die Mengen an Metalloxiden sind nicht besonders beschränkt und betragen vorzugsweise 0 bis 5 Gew.-% bezogen auf Zusammensetzung a).The amounts of metal oxides are not particularly limited and are preferably 0 to 5 wt .-% based on composition a).
Gemäß einer Ausführungsform wird TiO2 in einer Menge von 0 bis 2 Gew.-% zugegeben, gemäß einer anderen Ausführungsform > 0 bis 2 Gew.-%.According to one embodiment, TiO 2 is added in an amount of 0 to 2 wt .-%, according to another embodiment> 0 to 2 wt .-%.
Die Verwendung von Alkylsilikonaten (bevorzugt C1-18 Alkylsilikonate, bevorzugter C1-6 Alkylsilikonate wie z. B. Methylsilikonat) in Zusammensetzung a) ist ebenfalls möglich und dann vorteilhaft, wenn eine wasserundurchlässige Masse gewünscht wird. Damit sind auch Verbundmaterialien aus wasserdurchlässiger und wasserundurchlässiger Masse ohne weiteres durch entsprechende Schichtung von Reaktionsgemischen herstellbar, gegebenenfalls unter Ausführung der Reaktion von Reaktionsgemischen mit bzw. ohne Methylsilikonat nacheinander. Erwähnt sei hier als Methylsilikonat z. B. Kaliummethylsilikonat, z. B. Rhodorsil Siliconate 51T der Fa. Rhodia.The use of alkyl siliconates (preferably C 1-18 alkyl siliconates, more preferably C 1-6 alkyl siliconates such as methyl siliconate) in composition a) is also possible and advantageous when a water-impermeable mass is desired. Thus, composite materials of water-permeable and water-impermeable mass are readily produced by appropriate stratification of reaction mixtures, optionally in carrying out the reaction of reaction mixtures with or without methyl silicate in succession. Mentioned here as methyl silicate z. For example potassium methylsiliconate, e.g. B. Rhodorsil Siliconate 51T Fa. Rhodia.
Die Menge an Alkylsilikonaten ist nicht besonders beschränkt und beträgt vorzugsweise 0 bis 10 Gew.-% bevorzugter 0,1 bis 5 Gew.-% bezogen auf Zusammensetzung a). The amount of alkyl siliconates is not particularly limited, and is preferably 0 to 10% by weight, more preferably 0.1 to 5% by weight, based on the composition a).
Um die Festigkeit der Produkte zu steigern können auch Alkali- und/oder Erdalkalisulfate zugesetzt werden, vorzugsweise Barium-, Calcium-, und/oder Lithiumsulfat. Ihre Menge ist nicht besonders beschränkt und beträgt vorzugsweise 0 bis 2 Gew.-% bezogen auf Zusammensetzung a), gemäß einer anderen Ausführungsform > 0 bis 2 Gew.-%.In order to increase the strength of the products, it is also possible to add alkali metal and / or alkaline earth metal sulfates, preferably barium, calcium and / or lithium sulfate. Their amount is not particularly limited and is preferably 0 to 2% by weight based on the composition a), in another embodiment,> 0 to 2% by weight.
Selbstverständlich können der Zusammensetzung a) auch organische oder anorganische Pigmente zugesetzt werden, wenn gefärbte Produkte gewünscht werden.Of course, organic or inorganic pigments can also be added to the composition a) if dyed products are desired.
In Schritt c) des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Zusammensetzungen a) und b) in Kontakt gebracht. Die Tatsache, dass, wie aus dem Obigen ersichtlich, giftige oder gesundheitsschädliche Chemikalien nicht eingesetzt werden müssen, erlauben dabei auch eine Verwendung der Produkte im Innenbereich beziehungsweise Innenbau.In step c) of the process according to the invention, the compositions a) and b) are brought into contact. The fact that, as can be seen from the above, toxic or harmful chemicals must not be used, thereby allowing the use of the products in the interior or interior.
Für die Reaktion wird von außen Wärme zugeführt, so dass die Reaktion bei einer Umgebungstemperatur von ≥ 80°C (vorzugsweise ≥ 95°C) abläuft. Bei einer Temperatur von 95°C wird die Masse bzw. der Formkörper z. B. nach etwa 24 h fest; bei höheren Temperaturen verringert sich die für die Verfestigung benötigte Zeit entsprechend. Die Erwärmung kann z. B. dadurch erreicht werden, dass das Reaktionsgemisch in einen Trockenschrank, Ofen oder eine Mikrowelle gegeben wird. Auch eine Wärmemanschette um den mit dem Reaktionsgemisch gefüllten Behälter ist möglich. Es hat sich gezeigt, dass eine Temperaturerhöhung von 95°C auf 105°C eine Beschleunigung des Aushärtens um den Faktor 2 zur Folge hat.For the reaction, heat is supplied from the outside, so that the reaction takes place at an ambient temperature of ≥ 80 ° C (preferably ≥ 95 ° C). At a temperature of 95 ° C, the mass or the shaped body z. B. solid after about 24 h; at higher temperatures, the time required for solidification decreases accordingly. The heating can z. B. be achieved by placing the reaction mixture in a drying oven, oven or microwave. Also, a heat cuff around the container filled with the reaction mixture is possible. It has been shown that a temperature increase from 95 ° C to 105 ° C results in an acceleration of the curing by a factor of 2.
Werden neben Wasserglas, Harter (I) und Zuschlag noch andere Bestandteile verwendet, ist ein beispielhafter Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens wie folgt:
- (1) Bereitstellen einer Wasserglaslösung
- (2) Gegebenenfalls Zugeben von Oxid eines mehrwertigen Metalls wie z. B. TiO2 Erhalten wird eine stabile Lösung bzw. Suspension A.
- (3) Bereitstellen einer Härter-Lösung
- (4) Vermischen von Härter-Lösung und Lösung bzw. Suspension A, gegebenenfalls unter Rühren
- (5) Hinzufügen von Zuschlagsstoffen (vorzugsweise mit OH-Gruppen) und vermischen
- (6) Einfüllen in eine Form
- (7) Erwärmen auf mindestens 80°C (gemessen als Umgebungstemperatur z. B. in einem Ofen).
- (1) Provide a water glass solution
- (2) Optionally adding oxide of a polyvalent metal such as. B. TiO 2 Obtained is a stable solution or suspension A.
- (3) Provide a hardener solution
- (4) Mixing of hardener solution and solution or suspension A, optionally with stirring
- (5) Add additives (preferably with OH groups) and mix
- (6) filling into a mold
- (7) Heat to at least 80 ° C (measured as ambient temperature eg in an oven).
Der verfestigte Körper wird dann aus der Form entnommen.The solidified body is then removed from the mold.
Alternativ kann auch bereits nach Schritt (4) auf mindestens 80°C erwärmt werden (z. B. für 2 h), anschließend die Zuschlagsstoffe eingerührt/eingeknetet und anschließend weiter erhitzt werden.Alternatively, it is also possible to heat to at least 80 ° C. already after step (4) (for example for 2 h), then the additives are stirred in / kneaded in and then further heated.
Die verfestigte Masse kann durch Bearbeiten wie Sägen, Schleifen etc. in eine bestimmte Gestalt gebracht werden.The solidified mass can be brought into a specific shape by machining such as sawing, grinding, etc.
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Produkte sind verfestigte Massen/Formkörper, die sich durch hohe Festigkeit auszeichnen. Außerdem zeigen sie eine hohe Temperaturbeständigkeit bis ca. 1600°C.The products obtained by the process according to the invention are solidified compositions / moldings which are distinguished by high strength. In addition, they show a high temperature resistance up to 1600 ° C.
Die Dichte der erhaltenen Produkte beträgt vorzugsweise mindestens 0,3 g/cm3, bevorzugter mindestens 1 g/cm3, bestimmt mit dem unten beschriebenen Verfahren.The density of the products obtained is preferably at least 0.3 g / cm 3 , more preferably at least 1 g / cm 3 , determined by the method described below.
Bestimmung der DichteDetermination of density
Zur Dichtebestimmung wurde das Volumen und das Gewicht eines rechteckigen Probenkörpers bestimmt und die Dichte als Gewicht/Volumen berechnet.For density determination, the volume and weight of a rectangular sample were determined and the density calculated as weight / volume.
Bestimmung der WärmeleitfähigkeitDetermination of thermal conductivity
Zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit wurden Probenkörper mit einer Dicke von 3,5 cm zusammen mit einem Referenzkörper gleicher Dicke und einer Wärmeleitfähigkeit von 0,0354 W/mK (erhältlich von IRMM = Institute für Reference Materials and Measurements, Geel, Belgien) für 1 h auf eine Heizplatte mit konstant 80°C gelegt und dann mit einer Wärmebildkamera im Dunkeln vermessen. Über die gemessene Oberflächentemperatur (als Maß für die Wärmeleitfähigkeit) des Probenkörpers wird mit Hilfe des Referenzkörpers die Wärmeleitfähigkeit des Probenkörpers bestimmt.To determine the thermal conductivity, specimens 3.5 cm thick were used together with a reference body of the same thickness and a thermal conductivity of 0.0354 W / mK (available from IRMM = Institute for Reference Materials and Measurements, Geel, Belgium) for 1 h a heating plate with constant 80 ° C and then measured with a thermal imaging camera in the dark. The measured surface temperature (as a measure of the thermal conductivity) of the sample body is used to determine the thermal conductivity of the sample body with the aid of the reference body.
Bestimmung der Druckfestigkeit (N/mm2)Determination of compressive strength (N / mm 2 )
Die Druckfestigkeit der Proben wurde mit einer Universalprüfmaschine Z250 von Zwick/Roell gemessen. Dazu wurden die Druckkräfte (in N) über die Verformungsstrecke graphisch aufgezeichnet. Der maximal erreichte Druck wurde zur Oberfläche der Probe in Relation gesetzt.The compressive strength of the samples was measured on a Zwick Zwick Zwick tester. For this purpose, the compressive forces (in N) were recorded graphically over the deformation section. The maximum pressure reached was related to the surface of the sample.
Das Produkt, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhalten wird, hat eine Vielzahl von Anwendungen, insbesondere im Hausbau und für Gießereiformen.The product obtained by the process of the invention has a variety of applications, especially in house building and foundry molds.
Die Produkte sind säurestabil, pilzresistent, hitzeresistent bis typischerweise 1.600°C; außerdem sie sind säge- und/oder schleifbar, fräs- und nagelbar, ohne dass es zu Rissbildung kommt.The products are acid-resistant, fungus-resistant, heat-resistant up to typically 1,600 ° C; They are also sawed and / or sanded, can be milled and nailed without causing cracking.
Ein Produkt kann ohne weiteres mit Farbpigmenten eingefärbt werden.A product can easily be dyed with color pigments.
Die erfindungsgemäß erhaltenen Produkte aus anorganischem Polymer enthalten keine brennbaren Bestandteile (sofern nicht brennbare organische Materialien wie z. B. Cellulosefasern oder Holzspäne eingemischt wurden) und sind somit vollständig recycelbar.The inorganic polymer products obtained according to the invention contain no combustible constituents (unless incombustible organic materials such as, for example, cellulose fibers or wood chips were mixed in) and are thus completely recyclable.
Auf Grund der besonderen Wärmestabilität bis zu 1600°C ist ein Einsatz der erfindungsgemäßen Massen auch in der Gießereitechnik möglich; so ist die Herstellung von Gießereiformen möglich. Die hohe Hitzebeständigkeit der erfindungsgemäß erhaltenen Massen/Formkörper (insbesondere bei Sandzuschlägen) erlaubt die Verwendung auch mit hoch schmelzenden Legierungen.Due to the special heat stability up to 1600 ° C, use of the compositions according to the invention is also possible in foundry technology; Thus, the production of foundry molds is possible. The high heat resistance of the compositions / moldings obtained according to the invention (in particular with sand aggregates) allows the use also with high-melting alloys.
Einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind im Folgenden zusammengefasst:
- 1. Verfahren zur Herstellung einer Masse oder eines Formkörpers aus anorganischem Polymer, umfassend
a) Bereitstellen einer wässrigen Zusammensetzung enthaltend in Wasser gelöstes Natrium- und/oder Kaliumwasserglas, wobei die Zusammensetzung einen pH Wert von mindestens 12 aufweist,
b) Bereitstellen einer Zusammensetzung enthaltend
(i) Wasser,
und
(ii) mindestens einen wasserlöslichen oder wassermischbaren Härter,
wobei der Härter ausgewählt ist aus Amiden der allgemeinen Formel (I) und Derivaten davon ausgewählt aus Biureten und Urethanen wobei R1 bis R4 unabhängig voneinander ausgewählt werden aus H und gegebenenfalls mit einer oder mehreren OH-Gruppen substituiertem C1-6 Alkyl oder einer von R1 und R2 und einer von R3 und R4 mit der Gruppe einen 5-gliedrigen Ring bilden, der gegebenenfalls ein- oder mehrfach mit Substituenten substituiert ist, die ausgewählt sind aus C1-2 Alkyl und C1-2 Alkyl substituiert mit einem oder mehreren OH;
und wobei die Menge an eingesetztem Härter mH in g von mstö bis x·mstö beträgt
mit x = 0,35 bei Verwendung von gelöstem Na-Wasserglas in a) und
x = 0,45 bei Verwendung von gelöstem K-Wasserglas in a) und
x = 0,35 * yNa + 0,45 * yK bei Verwendung eines Gemisches von gelöstem Na-Wasserglas und gelöstem K-Wasserglas in a), wobei
yNa = Gewichtsanteil an Na-Wasserglas bezogen auf Gesamtmenge an gelöstem Wasserglas berechnet nach:
(Menge in g des gelösten Na-Wasserglases)/(Gesamtmenge in g an gelöstem Wasserglas)
yK = Gewichtsanteil an K-Wasserglas bezogen auf Gesamtmenge an gelöstem Wasserglas,
wobei yNa + yK = 1 gilt,
wobei mstö nach folgender Gleichung (1) berechnet wird:
mstö = (MGH/MGM₂O)·(mWG/(1 + s)) (1) mstö = Σmstö(i) (2) Σ(MGH(i)·m(i)) (3) - 2. Verfahren nach Punkt 1, wobei die in a) bereitgestellte Zusammensetzung außerdem ein oder mehrere Oxide von mehrwertigen Metallen enthält.
- 3. Verfahren nach Punkt 2, wobei es sich bei den Oxiden um eines oder mehrere, ausgewählt aus ZnO, TiO2, MnO, PbO, PbO2, Fe2O3, FeO, Fe3O4 , ZrO2, Cr2O3, CuO, BaO, SrO, BeO, MgO und CaO handelt.
- 4. Verfahren nach Punkt 2 oder 3, wobei es sich um ein Oxid von zweiwertigen Metallen oder Gemischen davon handelt.
- 5. Verfahren nach einem der Punkte 2 bis 4, wobei es sich um TiO2 handelt.
- 6. Verfahren nach einem der Punkte 2 bis 5, wobei die Oxide in einer Menge von 0 bis 5 Gew.-% bezogen auf Zusammensetzung a) enthalten sind.
- 7. Verfahren nach einem der vorherigen Punkte, wobei die in a) bereitgestellte Zusammensetzung außerdem ein oder mehrere Sulfate, ausgewählt aus Alkalisulfaten und Erdalkalisulfaten, enthält.
- 8. Verfahren nach Punkt 7, wobei die Sulfate in einer Menge von 0 bis 5 Gew.-% bezogen auf Zusammensetzung a) vorliegen.
- 9. Verfahren nach einem der vorherigen Punkte, wobei die in a) bereitgestellte Zusammensetzung außerdem ein oder mehrere Phosphate, ausgewählt aus Mono-, Di-, Tri- und Polyphosphaten, enthält.
- 10. Verfahren nach Punkt 9, wobei das Phosphat ausgewählt ist aus Di-, Tri- oder Polyphosphaten des Natriums oder Aluminiums und Gemischen von 2 oder mehr davon.
- 11. Verfahren nach Punkt 9
oder 10, wobei die Phosphate in einer Menge von 0 bis 3 Gew.-% bezogen auf Zusammensetzung a) vorliegen. - 12. Verfahren nach einem der vorherigen Punkte, wobei die in a) bereitgestellte Zusammensetzung außerdem ein oder mehrere Alkylsilikonate enthält.
- 13. Verfahren nach Punkt 12, wobei die Alkylsilikonate in einer Menge von 0
bis 10 Gew.-% bezogen auf Zusammensetzung a) vorliegen. - 14. Verfahren nach einem der vorherigen Punkte, wobei es sich bei dem Harter um mindestens einen aus Harnstoff, Biuret und Urethan handelt.
- 15. Verfahren nach einem der vorherigen Punkte, wobei der Zuschlagsstoff aus Flusssand, Seesand, Wüstensand, Holzspänen, SiO2-Pulver, Glasfasern und Perlit ausgewählt wird.
- 16. Verfahren nach einem der vorherigen Punkte, wobei es sich bei dem gelösten Wasserglas in der in a) bereit gestellten Zusammensetzung um mindestens ein Wasserglas handelt, für das gilt: Q1: 2–6% Q2: 10–25% Q3: 15–25% Q4: 45–70% wobei die Fläche derjenigen Peaks, die einer bestimmten Siliciumgruppe Q(i) zugeordnet wird, zur Summe der Fläche aller Si-NMR-Signale (= 100%) ins Verhältnis gesetzt wird.
- 17. Verfahren nach einem der vorherigen Punkte, wobei das Erwärmen in einem Trockenschrank, einem Ofen oder einem Mikrowellengerät durchgeführt wird.
- 18. Verfahren nach einem der vorherigen Punkte, wobei auf mindestens 95°C erwärmt wird.
- 19. Masse oder Formkörper erhältlich durch das Verfahren nach einem der Punkte 1 bis 18.
- 20. Masse oder Formkörper aus polykondensiertem Natrium- und/oder Kaliumwasserglas, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zuschlagsstoff vorhanden ist.
- 21. Masse oder Formkörper nach Punkt 19 oder 20, wobei als Zuschlagsstoff Flusssand, Seesand, Wüstensand, Holzspäne, Glasfasern oder Perlit verwendet wurde.
- 22. Verwendung der Masse oder des Formkörpers nach einem der Punkte 19
bis 21 als Dachziegel, Ersatz für Betonplatten, feuerfeste Holzplatten, Gießereiformen. - 23. Gießereiform aus einer Masse wie in einem der Punkte 19
bis 21 beschrieben. - Die Erfindung wird im Folgenden an Hand von Beispielen und unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert, ist aber in keinster Weise darauf beschränkt.
- A process for producing a mass or a molding of inorganic polymer, comprising a) providing an aqueous composition comprising sodium and / or potassium waterglass dissolved in water, the composition having a pH of at least 12, b) providing a composition comprising i) water, and (ii) at least one water-soluble or water-miscible hardener, wherein the hardener is selected from amides of general formula (I) and derivatives thereof selected from biurets and urethanes wherein R 1 to R 4 are independently selected from H and optionally substituted with one or more OH groups substituted C 1-6 alkyl or one of R 1 and R 2 and one of R 3 and R 4 with the group form a 5-membered ring optionally substituted one or more times with substituents selected from C 1-2 alkyl and C 1-2 alkyl substituted with one or more OH; and wherein the amount of hardener used is m H in g from m stö to x · m stö with x = 0.35 when using dissolved Na water glass in a) and x = 0.45 when using dissolved K water glass in a) and x = 0.35 * y Na + 0.45 * y K when using a mixture of dissolved Na water glass and dissolved K water glass in a), wherein y Na = weight fraction of Na water glass based on total amount of dissolved water glass calculated according to: (amount in g of dissolved Na waterglass) / (total amount in g of dissolved waterglass) y K = weight fraction of K waterglass relative to total amount of dissolved waterglass where y Na + y K = 1, where m stö is calculated according to the following equation (1):
m stö = (MG H / MG M₂O ) · (m WG / (1 + s)) (1) m stö = Σm stö (i) (2) Σ (MG H (i) * m (i)) (3) - 2. The method of item 1, wherein the composition provided in a) further comprises one or more polyvalent metal oxides.
- 3. The method of item 2, wherein the oxides are one or more selected from ZnO, TiO 2 , MnO, PbO, PbO 2 , Fe 2 O 3 , FeO, Fe 3 O 4 , ZrO 2 , Cr 2 O. 3 , CuO, BaO, SrO, BeO, MgO and CaO.
- 4. Method according to item 2 or 3, wherein it is an oxide of divalent metals or mixtures thereof.
- 5. The method according to any one of items 2 to 4, wherein it is TiO 2 .
- 6. The method according to any one of items 2 to 5, wherein the oxides are contained in an amount of 0 to 5 wt .-% based on composition a).
- 7. A method according to any preceding item, wherein the composition provided in a) further comprises one or more sulfates selected from alkali sulfates and alkaline earth sulfates.
- 8. The method of item 7, wherein the sulfates are present in an amount of 0 to 5 wt .-% based on composition a).
- 9. A method according to any preceding item, wherein the composition provided in a) further comprises one or more phosphates selected from mono-, di-, tri- and polyphosphates.
- 10. The method of item 9, wherein the phosphate is selected from di-, tri- or polyphosphates of sodium or aluminum and mixtures of 2 or more thereof.
- 11. The method according to
item 9 or 10, wherein the phosphates are present in an amount of 0 to 3 wt .-% based on composition a). - 12. A method according to any preceding item, wherein the composition provided in a) further comprises one or more alkyl silicone agents.
- 13. The method according to item 12, wherein the alkyl siliconates are present in an amount of 0 to 10 wt .-% based on composition a).
- 14. The method of any preceding item, wherein the hardener is at least one of urea, biuret, and urethane.
- 15. Method according to one of the preceding points, wherein the aggregate is selected from river sand, sea sand, desert sand, wood chips, SiO 2 powder, glass fibers and perlite.
- 16. Method according to one of the preceding points, wherein the dissolved water glass in the composition provided in a) is at least one water glass, for which the following applies: Q 1 : 2-6% Q 2 : 10-25% Q 3 : 15-25% Q 4 : 45-70% where the area of those peaks associated with a particular silicon group Q (i) is proportioned to the sum of the area of all Si NMR signals (= 100%).
- 17. The method according to any preceding item, wherein the heating is carried out in a drying oven, an oven or a microwave oven.
- 18. Method according to one of the preceding points, wherein is heated to at least 95 ° C.
- 19. Mass or shaped article obtainable by the method according to one of the items 1 to 18.
- 20. mass or shaped body of polycondensed sodium and / or potassium water glass, characterized in that an aggregate is present.
- 21. Mass or shaped article according to
item 19 or 20, wherein the aggregate used was river sand, sea sand, desert sand, wood chips, glass fibers or perlite. - 22. Use of the mass or the molding according to any one of
items 19 to 21 as a roof tile, replacement of concrete slabs, refractory wood panels, foundry molds. - 23. Foundry mold from a mass as described in one of the
points 19 to 21. - The invention will now be described by way of example and with reference to the figures, but is in no way limited thereto.
Experimenteller TeilExperimental part
Verwendete Chemikalien:
Natriumwasserglas: s = 3,3, smolar = 3,4, Fa. Roth (Karlsruhe, D), wässrige Lösung mit 34,5% Feststoffgehalt
Kaliumwasserglas Betol 5020T: s = 1,35, Smolar = 2,2, Fa. Woellner (Ludwigshafen, D), wässrige Lösung mit 48% Feststoffgehalt
Perlit: Fa. Knauf (Dortmund, D), mittlerer Korndurchmesser etwa 10 μm
Sägespäne
feines SiO2 Pulver für Porzellanherstellung
Titanoxid: Fa. Merck (Darmstadt)
Harnstoff
Flusssand
Wüstensand aus DubaiUsed chemicals:
Sodium water glass: s = 3.3, s molar = 3.4, Roth Co. (Karlsruhe, D), aqueous solution with 34.5% solids content
Potassium water glass Betol 5020T: s = 1.35, S molar = 2.2, Fa. Woellner (Ludwigshafen, D), aqueous solution with 48% solids content
Perlite: Fa. Knauf (Dortmund, D), mean grain diameter about 10 microns
sawdust
fine SiO 2 powder for porcelain production
Titanium oxide: Merck (Darmstadt)
urea
river sand
Desert sand from Dubai
BeispieleExamples
Beispiel 1example 1
3,1 g Harnstoff wurden in 5 ml Wasser gelöst und mit 41 g Na-Wasserglaslösung (s = 3,3; Feststoffgehalt 34,5%) vermischt; 0,5 g TiO2 wurden beigemischt. Anschließend wurden 50 g Flusssand mit der Wasserglaslösung vermischt. Es wurde in die Druckform eingefüllt und 2 h in einem Trockenschrank auf 95°C erhitzt, anschließend wurde das Gemisch gerührt/geknetet und dann weitere 24 h im Trockenschrank bei 95°C gehalten.3.1 g of urea were dissolved in 5 ml of water and mixed with 41 g of Na waterglass solution (s = 3.3, solids content 34.5%); 0.5 g of TiO 2 was added. Subsequently, 50 g of river sand were mixed with the waterglass solution. It was filled into the printing plate and heated for 2 h in a drying oven at 95 ° C, then the mixture was stirred / kneaded and then kept in an oven at 95 ° C for a further 24 h.
Das erhaltene feste Produkt wurde aus der Form entfernt und mit den vorstehend beschriebenen Verfahren die Dichte und die Druckfestigkeit bestimmt, welche sich zu 1,38 g/cm3 bzw. 11,01 N/mm2 ergaben.The solid product obtained was removed from the mold and the density and compressive strength were determined by the methods described above to give 1.38 g / cm 3 and 11.01 N / mm 2 , respectively.
In einer alternativen Durchführung wurde erst das Gemisch aus Harnstoff und Wasserglas 2 h im Trockenschrank auf 95°C erhitzt und in die dann zähe Masse der Flusssand eingeknetet; anschließend wurde weitere 24 h bei 95°C gehalten.In an alternative implementation, the mixture of urea and water glass was first heated in a drying oven at 95 ° C for 2 h and kneaded into the then viscous mass of the river sand; then was kept at 95 ° C for a further 24 h.
Beispiel 2Example 2
Beispiel 1 wurde wiederholt, jedoch wurden 30 g Na-Wasserglaslösung (s = 3,3; Feststoffgehalt 34,5%) und 10 g K-Wasserglaslösung (s = 1,35; Feststoffgehalt 48%) und 100 g Flusssand verwendet.Example 1 was repeated except that 30 g of Na waterglass solution (s = 3.3, solids content 34.5%) and 10 g of K waterglass solution (s = 1.35, solids content 48%) and 100 g of river sand were used.
Eigenschaften des Produkts:
Dichte 1,61 g/cm3
Druckfestigkeit 1.9 N/mm2 Properties of the product:
Density 1.61 g / cm 3
Compressive strength 1.9 N / mm 2
Beispiel 3Example 3
Beispiel 2 wurde wiederholt, jedoch wurden 91 g Wüstensand statt Flusssand verwendet.Example 2 was repeated but 91 g of desert sand was used instead of river sand.
Eigenschaften des Produkts:
Dichte 1,49 g/cm3
Druckfestigkeit 4.9 N/mm2 Properties of the product:
Density 1.49 g / cm 3
Compressive strength 4.9 N / mm 2
Beispiel 4Example 4
Beispiel 2 wurde wiederholt, jedoch wurden statt 100 g Flusssand 100 g feines SiO2-Pulver aus der Porzellanherstellung verwendet.Example 2 was repeated, but 100 g of fine SiO 2 powder from porcelain production was used instead of 100 g of river sand.
Eigenschaften des Produkts:
Dichte 1,44 g/cm3
Druckfestigkeit 19.7 N/mm2 Properties of the product:
Density 1.44 g / cm 3
Compressive strength 19.7 N / mm 2
Beispiel 5Example 5
Beispiel 2 wurde wiederholt, jedoch wurden statt 100 g Flusssand 10 g Sägespäne verwendet.Example 2 was repeated, but 10 g of sawdust were used instead of 100 g of river sand.
Eigenschaften des Produkts:
Dichte 0,69 g/cm3
Druckfestigkeit 3,01 N/mm2 Properties of the product:
Density 0.69 g / cm 3
Compressive strength 3.01 N / mm 2
Beispiel 6Example 6
Beispiel 2 wurde wiederholt, jedoch wurden statt 100 g Flusssand 7 g Perlit verwendet.Example 2 was repeated, but 7 g of perlite were used instead of 100 g of river sand.
Eigenschaften des Produkts:
Dichte 0,42 g/cm3
Druckfestigkeit 1,4 N/mm2
Wärmeleitfähigkeit 0,135 W/mKProperties of the product:
Density 0.42 g / cm 3
Compressive strength 1.4 N / mm 2
Thermal conductivity 0.135 W / mK
In
oben links (HH) – Beispiel 5 (Sägespäne)
oben rechts (K55) – Beispiel 3 Beispiel 1 (Flusssand)
unten links (L29) – Beispiel 5 (feines SiO2)
unten rechts (L28) – Beispiel 4 (Wüstensand)In
top left (HH) - Example 5 (sawdust)
top right (K55) - Example 3 Example 1 (river sand)
bottom left (L29) - Example 5 (fine SiO 2 )
bottom right (L28) - Example 4 (desert sand)
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