DE102015007004A1

DE102015007004A1 - Werkstoff mit hoher Druckfestigkeit, hoher Schwingungsdämpfung und hoher Nachhaltigkeit, insbesondere für den Straßenbau und Verfahren für dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102015007004A1
Application number: DE102015007004.5A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-11-10
Filing date: 2015-06-03
Publication date: 2016-05-12

Abstract

Werkstoff mit hoher Druckfestigkeit, hoher Schwingungsdämpfung und hoher Nachhaltigkeit, der unter Verwendung von höchstens 18 Volumen-% eines organischen Polymers als Bindemittel und unter Verwendung von mindesten 82 Volumen-% an organischen und/oder anorganischen Füllstoffen und von organischen und/oder anorganischen Verstärkungsfasern hergestellt wird, wobei die Füllstoffe und die Verstärkungsfasern in unterschiedlichen, handelsüblichen Größen verwendet werden und speziell die Füllstoffe in einem Korngrößenbereich von 1 Nanometer bis zu 63 mm verwendet werden. Dieses Gemenge durch das Polymer zu dem erfindungsgemäßen Werkstoff verbunden, wobei das Bindemittel entweder direkt als Polymer eingesetzt wird oder soweit es als Monomer vorliegt, erst innerhalb der Form des aus dem Werkstoff herzustellenden Produktes polymerisiert und in erwärmter Konsistenz und vor dem Prozess der Formgebung, eine Viskosität von nicht mehr als 80 mPa × s hat.

Description

Beschreibung, Gebiet der Erfindung:
Die Erfindung betrifft einen Werkstoff mit einer bisher bei vergleichbaren Werkstoffen unbekannten hohen Druckfestigkeit, einer besonders hohen Schwingungsdämpfung und einer herausragenden Nachhaltigkeit, gemessen als CO₂-Footprint insbesondere für die Anwendung im industriellen Bereich und dort insbesondere für die Anwendung im Hoch- und Tiefbau, im Maschinenbau und im Transportwesen und vor allem für den Straßenbau.
Stand der Technik und Ziel der Erfindung:
Betonstraßen und Asphaltstraßen sind im Straßenbau Standard. Beton und Asphalt sind weltweit vielgenutzte Werkstoffe.
Mineralische Füllstoffe mit mineralischer Bindung sind als Werkstoffe gut bekannt und weit verbreitet. Beton im Straßenbau oder im Bau von Verkehrsflächen von Flughäfen ist hierfür ein Beispiel.
Mineralische Füllstoffe mit organischer Bindung sind ebenfalls gut bekannte und weit verbreitete Werkstoffe. Asphalt im Straßen- und Wegebau ist hierfür ein Beispiel.
Seit der Zunahme hoher Fahrzeuggewichte auf Autobahnen und seit hoher Flugzeuggewichte auf Verkehrsflächen von Flughäfen ist die Druckfestigkeit von Asphaltbahnen dort nicht mehr ausreichend. Bahnen aus Asphalt genügen nicht mehr den heutigen Anforderungen bei sehr hohen Belastungen.
Bahnen aus Beton sind bei sehr hohen Fahrbahnbelastungen der heute bevorzugte Werkstoff. Aber selbst Hochleistungsbeton mit einer Druckfestigkeit bis zu 60 MPa ist nicht mehr ausreichend druckfest, wenn es um die Aufnahme von hohen Lasten bei häufigen Lastwechseln geht.
Bei Autobahnen treten bis zu 10⁷ Lastwechsel während der Lebensdauer der Bahn auf. Dabei wird die Grenze der Belastbarkeit von Hochleistungsbeton erreicht oder überschritten. Nicht zuletzt deshalb leidet die heutige Infrastruktur unter einer unbefriedigenden Nachhaltigkeit.
Der erfindungsgemäße Werkstoff verträgt, wie Versuche ergaben, bis zu 10⁹ Lastwechsel. Er ist also in der Lage, 2 Zehnerpotenzen an Lastwechseln mehr zu verkraften als Hochleistungsbeton.
Es ist deshalb nicht ausgeschlossen, dass die Lebensdauer von Autobahnen aus dem erfindungsgemäßen Werkstoff um ein Vielfaches länger sind als von Beton.
Betonstraßen haben bei starker Belastung derzeit eine Haltbarkeit von 20 bis 40 Jahren. Durch Einsatz des erfindungsgemäßen Werkstoffs könnte die Lebensdauer von Straßen theoretisch auf weit über 100 Jahre erhöht werden.
Die internationale Forschung hat sich die Probleme mit der Belastbarkeit von Beton zu eigen gemacht und unternimmt in Zusammenarbeit mit Straßenbauämtern und Baufirmen erhebliche Anstrengungen Bahnen mit wesentlich längerer Lebensdauer zu entwickeln.
Ein Gegenstand der aktuellen Forschung in der anorganischen Chemie sind z. B. Betone mit extrem hoher Festigkeit, wie ultrahochfester Beton (UHPC). UHPC mit einer Druckfestigkeit bis zu 200 MPa wird bereits im Rahmen von Pilotanwendungen eingesetzt.
UHPC bereitet jedoch Schwierigkeiten bei der Herstellung. UHPC setzt nämlich anders als die üblich verwendeten Hochleistungsbetone die bis zu einer Druckfestigkeit von 35 bis 60 MPa in großem Mengen im Bauwesen angewendet werden, die exakte Beherrschung der Chemie eines sehr diffizilen Vielstoffgemenges voraus und findet deshalb nur langsam Eingang in das auf den Einsatz traditioneller Stoffe ausgerichtete Bauwesen, wie z. B. das Straßenbauwesen.
Im Gegensatz zu mineralisch gebundenen Straßenbau-Werkstoffen mit hoher Festigkeit wie UHPC, oder auch abweichend zu organisch gebundenen Straßenbau-Werkstoffen wie mineralisch gefülltem Bitumen, benutzt die Erfindung ein Polymer, das nur mit einem sehr geringen Volumenanteil von ca. 1,5% bis 18%, vorzugsweise mit weniger als 12% als Bindemittel verwendet wird. Das erfindungsgemäße Polymer hat ferner den Vorzug, dass es sich einfach verarbeiten lässt und eine besonders hohe Nachhaltigkeit aufweist.
Dieses Polymer dient als organisches Hochleistungs-Bindemittel an Stelle eines mineralischen Bindemittels wie z. B. Zement im Beton oder an Stelle eines gering leistenden organischen Bindemittels wie Bitumen.
Aufgabenstellung der Erfindung:
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Werkstoff mit bisher nicht bekannter niedriger CO₂-Emission und einem außerordentlich niedrigem Energieeinsatz im Sinne von Nachhaltigkeit und Klimaschutz (CO₂-Emission) herzustellen. Beide Werte beziehen sich hierbei auf die Gewinnung bzw. Erzeugung der Rohstoffe, die Herstellung des Werkstoffs und den Unterhalt des Produktes während seiner Lebensdauer.
Der Erfindung liegt darüber hinaus die Aufgabe zugrunde, mit einer relativ einfach anwendbaren Technologie die Voraussetzungen für die Herstellung eines Werkstoffs mit außerordentlicher Druckfestigkeit zu schaffen, der zudem äußerst preiswert produziert werden kann.
Die Erfindung hat nicht zuletzt das Ziel, dem Ingenieur Werkstoffe mit hoher bis zu höchster Druckfestigkeit und guten anderen Festigkeitseigenschaften für die Herstellung von Produkten für die Bauindustrie, für den Maschinenbau, für das Transportwesen und für andere Produkte, die hohen Druckbelastungen ausgesetzt sind, neben der Anwendung von Stahl, neben Stahl, Aluminium und Beton erstmals zur vielseitigen allgemeinen Verfügung zu stellen.
Erfindungsgemäße Werkstoffe für hohe Belastungen sind Werkstoffe, deren Druckfestigkeit über 50 MPa liegt und die eine Druckfestigkeit von bis zu 500 MPa erreichen können.
Die Erfindung soll ferner die Herstellung, Nutzung und das Recycling (statt einer Entsorgung) dieser Produkte, zu außerordentlich niedrigen Kosten ermöglichen.
Der erfindungsgemäße Werkstoff, dessen Derivate und die aus ihm herstellbare Produkte können sowohl aus preislicher Sicht, als auch hinsichtlich des ökologischen Fußabdrucks alle heute bekannten Werkstoffe übertreffen.
Produkte aus dem erfindungsgemäßen Werkstoff können ihre Funktion mit geringerer Masse als herkömmliche Werkstoffe erfüllen. Das beruht darauf, dass nur geringe Werkstoffstärken konstruktiv erforderlich sind.
Vergleich mit anderen Werkstoffen:
Stahl ist bezüglich der erforderlichen Wandstärke eine Ausnahme. Nur mit Stahl sind gleichstarke oder dünnere Wandstärken als mit dem erfindungsgemäßen Werkstoff möglich.
Konstruktionen aus Stahl haben aber den Nachteil eines vielfach höheren Gewichts. Konstruktionen aus Stahl, der eine Dichte von 7,9 kg/dm³ hat sind mehr als dreimal so schwer wie solche aus dem erfindungsgemäßen Werkstoff, dessen Dichte in fast allen Fällen bei unter 2,5 kg/dm³ liegt. Das niedrigere Gewicht, ist ein markanter Unterschied des erfindungsgemäßen Werkstoffs gegenüber anderen Werkstoffen nach dem Stand der Technik. Er hat deshalb auch gegenüber anderen konventionellen Werkstoffen wie Beton sehr große Vorzüge.
Soweit für den erfindungsgemäßen Werkstoff Preise genannt werden, beziehen sie sich immer auf Rohstoffpreise ab Lieferwerk, ohne Frachtkosten oder Kosten der Verarbeitung.
Andere in der Technik in großem Umfang verwendeten Werkstoffe wie Stahl, Aluminium, Beton, Stahlbeton und Asphalt, sowie weitere Werkstoffe für sonstige Produkte, können nur dann mit dem erfindungsgemäßen Werkstoff funktionell verglichen werden, soweit sie eine vergleichbare Funktion erfüllen. Hierzu zählt heute nicht zuletzt der CO₂-Footprint.
Fast immer schneidet bei einem solchen Vergleich der erfindungsgemäße Werkstoff besonders vorteilhaft ab.
Die Nachhaltigkeit bzw. der CO₂-Footprint wird durch das emittierte CO₂ bezogen auf die Herstellung, die Entsorgung, den relativen Nutzen und die Nutzungsdauer eines Produktes definiert.
Dabei werden alle CO₂-Emissionen einer Produktions- und Verteilungskette beginnend bei der Rohstoffgewinnung aus der Erzgrube, aus dem Bohrloch oder vom Acker über den Transport, bei der Produktion und bei allen Transporten bis hin zum Endverbraucher berücksichtigt.
Ferner muss zusätzlich die CO₂-Bilanz der Entsorgung des Produktes am Ende der Nutzungsdauer berücksichtigt werden. Dabei kann sich die CO₂-Emission durch die Entsorgung erhöhend (z. B. beim Rückbau von Atomkraftwerken nach Ablauf der Nutzungsphase) oder reduzierend (z. B. beim Papier-Recycling oder beim Recycling von Stahl oder Aluminium-Bauteilen) auswirken.
Zur Erfindungshöhe:
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabenstellung wurde bisher durch andere Werkstoffe nicht annähernd erreicht, obwohl ein Werkstoff mit den Eigenschaften der Erfindung seit mehr als 200 Jahren von der Technik gesucht wird.
Allein schon mit Blick auf die Nachhaltigkeit sind zum Beispiel metallische Werkstoffe und matrixbildende Kunststoffe dem erfindungsgemäßen Werkstoff weit unterlegen.
Die Anstrengungen der EU die CO₂-Emissionen um 40% zu senken, können nur auf innovative technologische Weise Erfolg haben. Mit den heute in großen Mengen verwendeten Werkstoffen kann das Ziel der EU nicht erreicht werden. Die Erfindung kann für die Erreichung der Ziele der EU einen Beitrag leisten.
Der erfindungsgemäße Werkstoff im Kontext historischer Werkstoffentwicklungen:
Biopolymere Kunststoffe sind als Naturprodukte seit Anfang der Menschheit bekannt. Pflanzenfasern und Holz waren beispielsweise bereits in der Frühzeit wichtige Werkstoffe. Seit 1839 gibt es Produkte aus dem Werkstoff Gummi aufgrund der Erfindung des PKW-Reifens durch Goodyear.
Gestein wurde wegen seiner hohen Druckfestigkeit und seinem relativ zu Holz hohen spezifischen Gewicht bereits in der Steinzeit vor 100.000 Jahren z. B. als Waffe verwendet. Kies und Sand haben als Füllstoff in Beton und in anderen Werkstoffen große Bedeutung erlangt. Sie sind in der Technik heute ein sehr wichtiger Werkstoff. Glas aus Quarz und anderes Gestein wurde schon vor 7.000 Jahren hergestellt.
Metalle sind seit 8.000 Jahren im Gebrauch. Stahl stand am Beginn des Industriezeitalters und ist seitdem einer der wichtigsten Werkstoffe.
Industriell erzeugte Polymere gibt es seit 1860. Bakelit wurde im industriellen Maßstab ab 1908 hergestellt. Der Siegeszug der heutigen Kunststoffe begann 1945. Kunststoffe haben den Vorzug in der Technik von heute weil sie verglichen mit Metallen Leichtbauwerkstoffe sind.
Beton wurde erstmals auf der zweiten Pariser Weltausstellung im Jahre 1867 von dem Gärtner Monier vorgestellt und wird ab dann in der Technik in großem Maße angewendet.
Technologische Einordnung des erfindungsgemäßen Werkstoffs:
Der erfindungsgemäße Werkstoff vereint mineralische Werkstoffe (z. B. Sand, Kies, Mineralmehl, Nanoteilchen, Glas, Keramik etc.) mit Polymeren (z. B. Thermoplasten, Elastomeren) auf eine innovative Art. Hierbei haben erfindungsgemäß die mineralischen Werkstoff-Komponenten am Volumen den größten Anteil, vorzugsweise mehr als 82 Volumen-% und Polymere nur einen geringeren Anteil, nämlich weniger als 18 Volumen-%, vorzugsweise weniger als 10 Volumen-%.
Die Polymere werden im erfindungsgemäßen Werkstoff nicht als Klebstoffe, sondern als Bindemittel verwendet. Bindemittel verbinden in dünnen Schichten Feststoffe aller Größen. Klebstoffe haben eine andere Funktion. Sie fügen Produkte oder Teile von Produkten zusammen. Die Verwendung von dünnen Schichten von Polymeren als hauptsächliches Bindemittel für Massenwerkstoffe für den Straßenbau statt Zement oder Bitumen ist neu und führt zu einem Teil der Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe. Sie ist bei einem Hochleistungswerkstoff der in Millionen Tonnen hergestellt werden soll ein die Fachwelt überraschendes Novum.
Der erfindungsgemäße Werkstoff ist nicht nur für den Straßenbau von Interesse, sondern für eine Vielzahl von anderen Produkten, beispielsweise auch für Produkte wie Luft-, Wasser-, Schienen- oder Straßenfahrzeuge oder Teile für solche Fahrzeuge. Bei Fahrzeugen ist geringes Gewicht ein wichtiges Kriterium. Dieses Kriterium wird von metallischen Werkstoffen nicht oder nur schlecht erfüllt. Das gilt sowohl für das Fahrzeug als Ganzes, als auch für seine Teile.
Auch andere, nicht dem Verkehr dienende Produkte, die die bislang aus Werkstoffen wie Stahl, Aluminium, Beton oder anderen, nicht hinreichend nachhaltigen Werkstoffen, hergestellt werden, können mit dem erfindungsgemäßen Werkstoff mit einer sehr günstigen Nachhaltigkeit erzeugt werden.
Stahl, der dominierende Werkstoff für den Maschinenbau und nach Beton der weltweit wichtigste Werkstoff für Maschinen und stationäre Bauwerke, hat ein sehr hohes spezifisches Gewicht. Der erfindungsgemäße Werkstoff wiegt nur ein Drittel von Stahl oder hat bei Verwendung von leichten Füllstoffen sogar ein noch geringeres Gewicht.
Stahl ist mit einer hohen CO₂-Emission verbunden. Nicht nur die Herstellung von beispielsweise Flach-Stahl, sondern auch seine Verarbeitung z. B. in der Automobilindustrie, ist mit einem hohem Energieverbrauch und großen CO₂ Emissionen verbunden.
Stahl liegt bei den Kriterien zur Nachhaltigkeit aber immer noch wesentlich günstiger als z. B. CFK. Zwar führt CFK durch sein geringes Gewicht zu einer Reduzierung des Treibstoffverbrauchs während der Betriebsphase eines Fahrzeugs, jedoch ist die Herstellung der Carbon-Faser für den CFK mit einem sehr hohen Energieverbrauch und mit sehr hohen CO₂-Emissionen verbunden und deshalb sehr teuer und in toto schädlich für die Nachhaltigkeit.
Die produktionsbedingten CO₂-Emissionen von CFK sind sogar so hoch, dass der Vorteil des geringen Gewichts und des daraus resultierenden geringeren Energieverbrauchs beim Betrieb praktisch schon bis zur Fertigstellung des Fahrzeugs vernichtet worden ist.
Deshalb zielt die Fahrzeugentwicklung wieder verstärkt auf den Einsatz von anderen Werkstoffen als Stahl und CFK. Im großen Umfang werden heute bereits mit anderen Fasern als Carbon verstärkte Kunststoffe eingesetzt. Soweit Massenkunststoffe nicht im Hinblick auf die Festigkeit genügen, gewinnt Aluminium wieder an Bedeutung. Es ist somit noch nicht durch den Markt entschieden worden, ob CFK z. B. jemals den Eingang in die Massenproduktion von Automobilen finden wird.
Die Automobilindustrie würde gerne in der Serienproduktion Produkte aus CFK im großen Umfang einsetzen, besteht jedoch vorab auf einer erheblichen Preisreduktion der Carbon-Fasern.
Der hohe Energieverbrauch von CFK schlägt sich auch im Preis nieder. Während Teile aus CFK je nach Ausführung 30 (= PKW) bis 1000 Euro (= AIRBUS 350) pro kg kosten, kosten Teile gleicher Funktion aus Stahl nur etwa 1/6 von CFK-Teilen gleicher Funktion, haben jedoch den Nachteil, dass sie bei einer vergleichbaren Funktion mehr als doppelt so schwer wie CFK sind.
Nachhaltigkeit und Preis als hohe Hürde für alternative Werkstoffe zu Stahl und Beton:
Stahl und Beton sind nicht zuletzt wegen ihrer günstigen Preise die weltweit am umfangreichsten verwendeten Werkstoffe. Sie haben aber einen hohen CO₂-Footprint. Aus Gründen der Nachhaltigkeit ist ein zumindest teilweiser Ausstieg aus der Verwendung von Stahl und Beton erforderlich, wenn an den Klimazielen der EU festgehalten werden soll.
Die heutige Forderung nach einer erheblichen CO₂-Reduktion, erfüllt erstmals in der Geschichte der Technik der druckbelasteten Werkstoffe wie Stahl und Beton, der erfindungsgemäße Werkstoff. Produkte aus diesem neuen Werkstoff haben wegen dessen außerordentlich niedrigem CO₂-Footprint, seiner hohen Druckfestigkeit und wegen dessen kostengünstigen Herstellungsverfahren eine Sonderstellung unter allen denkbaren Alternativen.
Der Energieverbrauch eines Werkstoffs ist ein wichtiges Kriterium für die Nachhaltigkeit und für die Kosten eines Produkts. Die CO₂-Emission ist direkt abhängig vom Energieverbrauch.
Die Natur ist das große Vorbild für die Nachhaltigkeit und für einen CO₂-Footprint von Null. Nur durch Nachhaltigkeit konnte sie bis heute und wird sie weiterhin existieren. Die Erfindung orientierte sich an Produkten der Natur (nach den Erkenntnissen der Bionik), zielt aber abweichend von der Verwendung von natürlichen Strukturbaustoffen wie Holz oder Bambus, die als CO₂-freier oder sogar als CO₂-mindernder Rohstoff angesehen werden können, auf Produkte und/oder Teile von Produkten, deren Werkstoff druckfester als Holz oder Bambus sein muss und die auch in anderer Hinsicht bessere Eigenschaften als Naturprodukte aufweisen müssen. Dennoch kann mit dem erfindungsgemäßen Werkstoff mit sehr geringer CO₂-Emission oder sogar in manchen Anwendungen ohne CO₂-Emission gewirtschaftet werden. Der erfindungsgemäße Werkstoff erfüllt Kriterien der Natur in einem bisher nicht bekannten Ausmaß.
Die erfinderische Aufgabe wurde durch die Kombination von vorzugsweise mineralischen Füllstoffen und vorzugsweise mineralischen Fasern, mit einem sehr hohen Gesamtfüllungsgrad (= Füllstoff plus Faser) von über 60 Volumen-% und mit einem sehr weiten Kornspektrum, das nämlich von 1 Nanometer über viele Zwischenstufen bis 63 mm reicht und mit einem äußerst niedrigviskosen Monomer oder Polymer als Bindemittel, nämlich mit einer Viskosität unter 80 mPa × s gelöst.
Durch diese ungewöhnliche und dem Fachmann extrem anmutende Kombination von Rohstoffen für einen Produktionsprozess, wurde abweichend von einigen Regeln der Technik der erfindungsgemäße, preisgünstige Werkstoff geschaffen, der eine herausragende Nachhaltigkeit und fast keinen CO₂-Footpront hat, eine sehr hohen Druckfestigkeit aufweist und darüber hinaus noch schwingungsdämpfend und nicht korrosionsanfällig ist.
Dieses herausragende Ergebnis konnte seitens der Fachwelt zuvor nicht erwartet werden, sonst wäre der Werkstoff bereits heute am Markt verfügbar und sogar in einer dominierenden Position.
Der erfindungsgemäße Werkstoff ist nicht nur besonders druckfest, sondern kann auch höhere Zugkräfte aufnehmen als ein üblicher Massenkunststoff. Die Steigerung der Zugfestigkeit ist jedoch geringer, als die Steigerung der Druckfestigkeit. Deshalb ist in manchen Fällen eine Verstärkung durch Fasern erforderlich.
Der erfindungsgemäße Werkstoff kann zum Zweck der Verbesserung der Zugfestigkeit armiert werden. In einem Bauteil aus dem erfindungsgemäßen Werkstoff werden erfindungsgemäß die Zugkräfte fast ausschließlich durch unidirektional auf die Last ausgerichtete Fasern aufgenommen. Die unidirektionale Faserrichtung wird erreicht, indem die Fasern mit einer entsprechenden Ausrichtung in die Form gelegt werden. In dieser Ausrichtung verbleiben sie, wenn es wie erfindungsgemäß vorgesehen möglich ist, den Polymerisationsprozess in der Form drucklos durchzuführen. In diesem Fall wird die Unidirektionalität nicht durch Scherkräfte gestört. Die Fasern behalten ihre Lage.
Dadurch kann die gesamthaft nutzbare Festigkeit der Fasern mehr als verdoppelt werden. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Werkstücks und den vermindert notwendigen Fasereinsatz, vermindert sich die CO₂-Emission entsprechend nochmals.
Diese herausragenden Ergebnisse der Erfindung haben die Fachwelt überrascht.
Der erfindungsgemäße Werkstoff kann gefügedicht ausgeführt werden. Als gefügedicht werden Werkstoffe bezeichnet, bei denen die Füllstoffe im Wesentlichen in eine Matrix aus organischem Bindemittel, unter Ausschluss von Luftblasen eingebettet sind. Das organische Bindemittel umschließt dann alle Füllstoffteile vollständig und bildet eine porenfreie Matrix.
Füllstoffe im Sinne der Erfindung sind fließfähige, im Wesentlichen kugelförmige Partikel. Sie haben eine Korngröße zwischen 1 Nanometer und 63 mm. Das ist ein nicht nur in der Kunststofftechnik ungewöhnlich breiter Kornbereich.
Die Form der Füllstoffe ist für das Eigenschaftsbild des Werkstoffs gemäß der Erfindung von besonderer Bedeutung. Grundsätzlich können die Füllkörper eine beliebige Gestalt aufweisen. Jedoch muss dann u. U. eine geringere Packungsdichte und damit eine geringere Druckfestigkeit hingenommen werden.
Es hat sich bewährt, den erfindungsgemäßen Werkstoff aus gut fließfähigen Füllstoff-Partikeln aufzubauen, die überwiegend kugelförmig oder annähernd kugelförmig sind. Kugelförmige Granulate führen dazu, dass das Haufwerk sehr dicht gepackt werden kann, denn kugelförmige Granulate haben ein sehr gutes Fließvermögen, wodurch die kleinen und kleinsten Teilchen am besten den Weg in die noch zwischen den größeren Teilen verbliebenen Hohlräume finden. Eine dichte Packung des Granulats erfordert nur einen geringen Einsatz von Bindemittel und steigert die Druckfestigkeit.
Die erfindungsgemäße, sehr hohe Packungsdichte, stellt hohe Anforderungen an die Zusammensetzung des Füllstoffs. Für eine Packung mit nur einer einzigen Korngröße kann nur dann eine relativ hohe Packungsdichte erreicht werden, wenn die einzelnen Körner sich vom Auslegungskorn im Durchmesser nur geringförmig unterscheiden und nur eine geringe Abweichung von der Kugelform haben.
Es hat sich herausgestellt, dass die Anforderungen an die Abweichungen der unterschiedlichen Größen der einzelnen Körner am besten durch Korngrößengruppen beschrieben werden können. Die Korngrößengruppe benennt den Bereich der zulässigen Korngrößen und nicht die Größe des einzelnen Korns, da es in der Praxis unmöglich ist, eine feste Korngröße für jeweils eine Kornschüttung zu beschaffen.
Eine gewählte Korngrößengruppe muss hierbei eine klare Spannweite der Korngrößen aufweisen (z. B. 1 bis 100 Nanometer; 100 bis 1.000 Nanometer, 1.000 Nanometer bis 0,1 mm, 0,1 bis 2 mm, 2 mm bis 16 mm und 16 mm bis 63 mm) und gleichzeitig muss innerhalb dieser Korngruppen ein Toleranzbereich von +/–6% bezogen auf den minimalen und maximalen Durchmesser der Korngröße in einer Gruppe eingehalten werden, um gute Packungsdichten zu erzielen.
Wird dieser Toleranzbereich auf +/–4% oder niedriger begrenzt, so sind optimale Packungsdichten praktisch erreichbar. Bei Erhöhung des Toleranzbereichs auf maximal 10% sind noch befriedigende Packungsdichten erreichbar. Bei über 10% kann die Herstellung von qualitativ hoch stehenden Produkten nicht mehr erwartet werden.
Es hat sich in Versuchen gezeigt, dass eine maximale Abweichung der Körner von der Kugelform von +/–4% des Kugeldurchmessers hohe Packungsdichten und Abweichungen im Bereich von +/–8% noch befriedigende Packungsdichten gewährleisten, während Abweichungen von über +/–10% bereits sehr schlechte Ergebnisse zur Folge hatten.
Erfindungsgemäß werden bei geringerer Anforderung an die Packungsdichte wegen der einfacheren Packungsbildung Füllkörner einer einzigen Korngrößengruppe verwendet.
Es hat sich ferner bewährt, bei höheren Anforderungen an die Packungsdichte kugelförmigen Füllkörper einzusetzen, die aus zwei unterschiedlichen Korngrößengruppen bestehen. Bevorzugt werden hierbei Partikelmischungen, die einen Anteil von mindestens 60 Vol-%, vorzugsweise mindestens 65 Vol-% kugelförmiger Teilchen des größten Durchmessers (im folgendem als Primärkorn bezeichnet) und maximal 40 Vol-%, vorzugsweise maximal 35 Vol-% kugelförmiger Teilchen des nächst kleineren Durchmessers (im folgendem als Sekundärkorn bezeichnet) enthalten, wobei der Durchmesser des Primärkorns das 6- bis 18-fache, vorzugsweise mindestens das 10-fache des Durchmessers des Sekundärkorns beträgt.
Bei sehr hohen Anforderungen an die Packungsdichte werden Gemische aus kugelförmigen Füllkörpern mit drei unterschiedlichen Korngrößengruppen verwendet. Unter diesen haben besondere Bedeutung Gemische deren größten kugelförmigen Partikel (Primärkorn) einen Anteil von 68 Vol-%, deren mittelgroßen kugelförmigen Partikel (Sekundärkorn) einen Anteil von 24 Vol-% und deren kleinsten kugelförmigen Partikel (im folgenden Tertiärkorn genannt) einen Anteil von 8 Vol-% jeweils bezogen auf das Gesamtvolumen des Gemisches aufweisen, wobei die Durchmesser von großen und mittelgroßen sowie von mittelgroßen und kleinsten kugelförmigen Partikeln sich jeweils um das 6- bis 18-fache, vorzugsweise um das 10-fache unterscheiden.
Ferner ist bei zusätzlicher Verwendung von Nanoteilchen vorgesehen, dass Gemische aus kugelförmigen Füllstoffen mit mehr als drei unterschiedlichen Korngrößen (Primärkorn, Sekundärkorn, Tertiärkorn, Quartärkorn usw.) eingesetzt werden. Hierbei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass als kleinste Korngröße Teilchen mit einem Durchmesser ab 1 Nanometer (z. B. ein Schichtsilikat) verwendet werden und dass die Korngrößenstufung zwischen den einzelnen Fraktionen von der Fraktion mit dem kleinsten Korndurchmesser bis zur Fraktion mit dem größten Korndurchmesser, jeweils um den gleichen Faktor mit einer Toleranz von +/–20% erfolgt.
Außer mineralischen Füllstoffen können auch metallische oder andere nichtmineralische Stoffe eingesetzt werden. Als Beispiele für diese alternativen Füllstoffe seien genannt: duktile Metalle und Kunststoffe mit geringer offener Porosität, die sich unter Druck in der bereits gebildeten Packung verformen und so zu einer weiteren Erhöhung der Packungsdichte führen. Erfindungsgemäß sind Kugeln aus Metall besonders geeignet, insbesondere im Einsatz als Primärkorn.
Als Bindemittel haben sich Thermoplaste bewährt, beispielsweise Polyamid, Polyolefine, Polystyrol, PVC, thermoplastische Polyester. Weiterhin können als Bindemittel Elastomere eingesetzt werden. Zu dieser Produktgruppe gehört z. B. Synthesekautschuk, Naturkautschuk, Silikonkautschuk etc.
Durch Auswahl entsprechender Füllstoffe und Bindemittel können die Eigenschaften des erfindungsgemäßen Werkstoffs variiert und den individuellen Anforderungen des jeweiligen Einsatzgebietes angepasst werden. Es hat sich unter anderem herausgestellt, dass beim Kriterium Druck das Kraft-Weg-Diagramm allein schon durch den Aufbau der Packung modifiziert werden kann. Während z. B. bei der reinen Kunststoffmatrix aus PA6 (in Abwesenheit von Füllstoffen) einer Stauchung von z. B. 0,8% einer Kraft von 7,5 N/mm² entspricht, beträgt die Kraft bei einer Füllstoff-Packungsdichte von 50% bei einem feinkörnigen Mineralzusatz und bei gleichhoher Stauchung 12,5 N/mm².
Je nach Wahl und Menge der Füllstoffe, kann also die Druckfestigkeit einmal erhöht und ein anderes Mal gesenkt werden. Die erfindungsgemäße Variation der Eigenschaften eines Kunststoffs in einem so großen Bereich, ist bei Bauteilen aller Art von Bedeutung.
Nicht zuletzt sind die erfindungsgemäß möglichen Werkstoffe von herausragendem wirtschaftlichen Interesse. Da die mineralischen Füllkörper bezogen auf das Volumen nur etwa 1/10 so viel oder sogar weniger kosten wie z. B. das Bindemittel aus Kunststoff, können sehr preisgünstige Werkstücke geschaffen werden.
Hat z. B. der Füllstoff einen Volumenanteil von 82 Volumen-% und das Kunststoffbindemittel einen Volumenanteil von 18 Volumen-% am Werkstück, dann betragen die relativen Rezepturkosten des Werkstoffs bei einer Preisrelation Füllstoff:Kunststoff von 1:10 nur 0,82 × 0,1 plus 0,18 × 10 = 0,082 plus 1,80 = 1,88 statt 10 bei einem Werkstück aus 100% Kunststoff-Compound. D. h. bei dem Werkstück dieses Beispiels werden die Volumen-Rezepturkosten durch Anwendung der Erfindung um ca. 80% gesenkt. Für den Straßenbau ergeben sich noch niedrigere Werte. Es sind für diesen Bereich Rezepturen mit Rohstoffkosten von weniger als 1 €/dm³ möglich.
Durch die Erhöhung der Packungsdichte auf z. B. 97% und durch die daraus resultierende Reduktion des Kunststoffanteils auf 3%, können die Kosten der Rezeptur sogar um 96% gesenkt werden.
Der erfindungsgemäße Werkstoff ist ein Leichtbauwerkstoff.
Der erfindungsgemäße Werkstoff wiegt viel weniger als Stahl und sogar etwas weniger als Aluminium und Beton. Dieses Ergebnis ist von Bedeutung, weil durch die Erfindung als zusätzlicher Vorteil auch das Gewicht des Werkstücks gesenkt wird. Im Fahrzeugbau gilt die allgemeine Regel, dass ein niedrigeres Gewicht immer durch höhere Materialpreise erkauft werden muss. Das Werkstück nach der vorliegenden Erfindung weicht von dieser allgemeinen Regel ab.
Dass im Leichtbau, wo weniger Gewicht stets mit höheren Kosten erkauft werden muss, mit dem erfindungsgemäßen Werkstoff eine Kostenreduktion und eine Gewichtsreduzierung erzielbar ist, ist ein sehr wichtiges Ergebnis dieser erfindungsgemäßen Werkstoff-Innovation.
Dieses für den Fachmann überraschende Ergebnis, wird erfindungsgemäß durch Maximierung des Anteils der Packung einerseits und durch Minimierung der Verwendung von Bindemitteln andererseits erreicht. Diese beiden Maßnahmen ergeben sowohl einzeln, besonders jedoch in der Kombination, einen bislang nicht erwartbaren Fortschritt in der Werkstofftechnik. Erfindungsgemäß wird eine andere Mischtechnik als in der Kunststoffverarbeitung üblich angewendet. Statt wie üblich Füllstoffe in eine Kunststoffschmelze einzuarbeiten, geht das erfindungsgemäße Produktiorisverfahren einen völlig anderen Weg. Es vermeidet dadurch, dass die Zugabe von Füllstoffen an die heutige Grenze von etwa 50 Volumen-% stößt.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass zuerst die erwärmten Füllstoffe mit einem Intensivmischer (z. B. Eirich-Mischer) in einem diskontinuierlichen Misch-Prozess zur maximalen Packungsdichte gebracht werden und erst danach das erwärmter dünnflüssige Bindemittel bzw. das dünnflüssige Monomer Caprolactam auf die Füllstoff-Packungsvorlage behutsam aufgedüst wird. Die Aufdüsung erfolgt so lange bis der Abschluss der Benetzung aller Füllkörper eingetreten ist. Dieser Zustand ist durch Feuchtigkeitsbildung an der Oberfläche der Packung gut erkennbar.
Sobald die Benetzung abgeschlossen ist, wird die Bedüsung abgebrochen. Dann ist nämlich der Zustand einer optimalen hohen Packungsdichte und eines optimalen niedrigen Bindemitteleinsatzes erreicht. Rheologisch bedingt wird durch geringstmögliche Verwendung des Bindemittels bei vollständiger Benetzung aller Teilchen, die höchste Druckfestigkeit des erfindungsgemäßen Werkstoffs erreicht.
Durch Versuche konnte zur Überraschung von Werkstofftechnologen ferner festgestellt werden, dass der erfindungsgemäße Werkstoff bisher unbekannte Eigenschaften, unter anderem sogar bisher unbekannte rheologische Eigenschaften aufweist. Selbst bei sehr hohen Druckkräften bleibt die Struktur der Packung, zur Überraschung von Fachleuten, bei der Stauchung erhalten, während das Kunststoff-Bindemittel in einen Fließzustand versetzt wird und dabei als sehr dünner Film regelrecht zum Fließen, durch die aus den Füllkörpern gebildete Packung, gezwungen wird. Dadurch wird Druckenergie durch Wärmebildung vernichtet.
Die rheologischen Eigenschaften können erfindungsgemäß durch spezielle Ausbildung der Packung beeinflusst werden. Es können Werkstoffkombinationen mit bestimmten Druckfestigkeiten und bestimmten Oberflächenstrukturen geschaffen werden, die in der Anwendung in Werkstücken zur Übernahme von unterschiedlichen Aufgaben wie Energie- und Schallabsorption, Biegekräfte-, Zugkräfte- und Druckkraft-Aufnahme etc. in besonderer Weise geeignet sind.
So stellte sich bei Versuchen beispielsweise heraus, dass man geradezu maßgeschneiderte Lösungen mit Hilfe des erfindungsgemäßen Aufbaus der Packung herstellen kann. Zur Überraschung von Fachleuten, konnte so das Verhalten des Werkstoffs bei Lastwechseln wesentlich verbessert werden.
Eine weitere Anwendung der Erfindung ist die Aussteifung von Rahmen, insbesondere Fahrzeugrahmen, von A-, B- oder C-Säulen von PKWs, von Gussteilen, insbesondere sehr dünnwandigen großflächigen Gussteilen aus Aluminium oder Magnesium, wie Kofferraumdeckel, Türen oder Motorhauben.
Als zusätzliche Volumen-Bestandteile bei dem erfindungsgemäßen Werkstoff haben sich kurz- oder langfaserige Verstärkungsfasern bewährt.
Bekanntlich weisen Verbundwerkstoffe, die eine oder mehrere Komponenten aus Kunststoff enthalten, ein unterschiedliches Wärmeausdehnungsverhalten der einzelnen Komponenten auf. Es wird durch die unterschiedlichen Stoffeigenschaften von Kunststoff im Vergleich zu Metall und anderen Komponenten verursacht. Dabei ist z. B. die Wärmeausdehnung von Kunststoffen etwa um zwei Zehnerpotenzen höher als die von Stahl. Darüber hinaus werden Massenkunststoffe bei Temperaturen von über 200°C geformt und weisen bei der Abkühlung einen Schwund von bis zu ca. 10% auf. Diese ungünstigen Eigenschaften schränken den Einsatz von den bekannten Verbundwerkstoffen ein.
Es hat sich herausgestellt, dass bei einer Packungsdichte des Granulats von 90 Vol-% der Schwund der Werkstoffs erheblich abnimmt oder je nach Packungsaufbau fast vollständig eliminiert wird. So wird beispielsweise beim Guss von PA6 bei einer Gieß- und Polymerisationstemperatur von ca. 150°C ohne Leichtgranulat ein Schwund von 6% festgestellt, bei einer Packungsdichte des Leichtgranulats von 90 Vol-% dagegen nur ein Schwund von unter 0,5%.
Da die erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffe keinen oder fast keinen Schwund aufweisen, erübrigt sich auch in den meisten Fällen das nach dem Guss erforderliche mehrstündige Tempern. Dadurch werden nicht nur die Kosten erheblich gesenkt, sondern durch die Verkürzung der Herstellungszeiten von 10 bis 24 Stunden auf wenige Minuten, ist erstmals der Einsatz von Gusswerkstoffen in der Massenfertigung z. B. von großen Automobilteilen, möglich.
Die Erzielung optimaler Packungsdichten wird durch Maßnahmen zur Verdichtung des Haufwerks unterstützt. Geeignet hierfür sind z. B. Rütteln, Behandlung mit Ultraschall oder Vibration und/oder durch Anwendung von Unterdruck oder Überdruck. Jede dieser Maßnahmen erhöht die Packungsdichte erheblich.

Es können erfindungsgemäß folgende Packungsdichten erreicht werden:

Beschreibung des Packungsaufbaus		Packungsdichte (Vol-%)
1. Maximale Korngröße (Primärkorn), Abweichung von der Kugelform max. +/–6%		66%
2. Wie 1., zusätzlich mit Sekundärkorn mit 1/10 der Primärkorn-Größe, gleiche Abweichungstoleranzen		86%
3. Wie 2., zusätzlich mit Tertiärkörnern maximal 1/100 der Primärkorn-Größe gleiche Abweichungstoleranzen		94%
4. Wie 3, zusätzlich 3% Nanoteichen		97%

Erfindungsgemäß wird ein Sekundärkorn mit einer Korngröße zwischen 1/6 und 1/12 des Primärkorns eingesetzt. Ein eventuelles Tertiärkorn hat wiederum 1/6 bis 1/18 der Korngröße des Sekundärkorns usw.

Ein erfindungsgemäßer Aufbau von Packungen nach den Beispielen 1 bis 3 bei einer Stufung der Korngrößen (P-Korn = Primärkorn, S-Korn = Sekundärkorn, T-Korn = Tertiärkorn). Der Vorgang der Maximierung der Packungsdichte kann darüber hinausgehend durch ein Quartärkorn, vorteilhaft durch Nanoteilchen, fortgesetzt werden usw. Beispiel:

Anteiliger Korngrößenaufbau		erreichte Packungsdichte/Kunststoffanteil
1. 100% P-Korn		→ 66% Packung + 34% Kunststoff
2. 65% P-Korn + 35% S-Korn		→ 86% Packung + 14% Kunststoff
3. 68% P-Korn + 24% S-Korn + 8% T-Korn		→ 94% Packung + 6% Kunststoff
4. 67% P-Korn + 23% S-Korn + 7% T-Korn + 3% Nano		→ 97% Packung + 3% Kunststoff

Entscheidend für die Qualität des erfindungsgemäßen Werkstoffs ist der erzielbare reduzierte Kunststoffanteil. Er kann entsprechend der Erfindung durch die Einführung jeweils eines weiteren Unterkorns immer weiter reduziert werden.
Das führt zu bisher unerreichten weiteren Vorteilen, insbesondere zu einem niedrigeren Preis für die Rohstoffrezeptur und zu besonders hohen Druckfestigkeiten.
Wie bereits beschrieben, weisen die mineralischen Füllstoffe erfindungsgemäß in der Packung eine gestufte Verteilung der Korngrößen auf. Das Primärkorn wird entsprechend der Geometrie des Werkstücks erstmal bestimmt und hat den größten Anteil am Volumen des Werkstücks. Die so gebildeten Packungen aus Primär- und Sekundär-, bzw. Primär-, Sekundär- und Tertiärkörnern usw. werden anschließend gefügedicht mit Bindemittel infiltriert.
Ferner kann z. B. in der Automobilindustrie erstmals mit dem erfindungsgemäßen Werkstoff das gesamte Fahrzeug so gebaut und gestaltet werden, dass alle oder fast alle Teile des Fahrzeugs an der Energieabsorption mitwirken und damit zu einem wesentlich verbesserten Unfallschutz beitragen. Diese Energieabsorption wird durch den Fluss der duktilen Kunststoffmatrix zwischen den kugelförmigen Füllstoffen bewirkt. Der Kunststoff verhält sich folglich wie eine hochviskose dämpfende Flüssigkeit.
Ein Zylinder aus dem erfindungsgemäßen Werkstoff wurde für einen Druckversuch wie folgt hergestellt:
Im Voraus wurden die einzelnen Füllstoffe getrocknet, gewogen, gemischt und anschließend auf 150°C erwärmt. Anschließend wurde die erwärmte Füllung in eine Zylinderform gefüllt. Caprolactam wurde in 2 Gefäße gefüllt und in jedem der Gefäße wurde entweder ein Katalysator oder ein Aktivator hineingegeben. Der Inhalt beider Gefäße wurde auf 150°C erwärmt. Das Caprolactam hatte dann eine Viskosität von 8 mPa × s.
In einem Intensivmischer wurden beide Caprolactam-Komponenten, nach der vorherigen Zumischung des Aktivators und Katalysators, als Kunststoffbindemittel mit 150°C in das Füllstoffgemisch gefüllt. Der Füllvorgang wurde hierbei nur durch die Schwerkraft bewirkt. Die Füllzeit betrug 1 min, der Volumenanteil des Bindemittels 13%. Zur weiteren Verdichtung wurde zunächst eine Rüttelbewegung mit Schwerkrafteinwirkung für 1 min ausgeübt. Hierdurch wurde eine weitere Erhöhung der Packungsdichte erzielt. Der Volumenanteil des Caprolactams im Füllstoffgemisch betrug dann nur noch 7,0%. Anschließend wurde zusätzlich ein Unterdruck von 150 Pa durch Absaugung am Zylinderboden zur vollständigen Benetzung aller Teile des Haufwerkes ausgeübt. Dieser Vorgang wurde in 1 min durchgeführt und führte zu keiner weiteren Veränderung der Packungsdichte. Der Austritt des Gemisches an der Bodenkontrollöffnung zeigte, dass das Haufwerk vollständig mit Caprolactam und Zusatzchemikalien ausgefüllt war. Anschließend begann die Polymerisation zu PA6 G. Die Reaktionszeit für die Polymerisation betrug 3 min. Abschließend wurde der Werkstoff aus der Zylinderform herausgenommen. Es stellte sich heraus, dass der Schrumpf sehr gering war und das Werkstück sich trotzdem aus der Form gut entnehmen ließ.
Die Verwendung von Polymeren als Bindemittel in nur geringer Menge und nicht als Hauptbestandteil des erfindungsgemäßen Werkstoffs, ist für die Erzeugung von hoher bis höchster Druckfestigkeit von Bedeutung. Druckfestigkeiten in der erfindungsgemäßen Höhe von bis zu 500 MPa, können bei den heute bekannten und üblichen Füllstoffanteilen zwischen 0 und 50% am Werkstoff nicht erzielt werden. Der Kunststoff würde bei solchen Drücken aus dem Werkstoff herausgequetscht werden. Das ist bei dem erfindungsgemäßen Werkstoff nicht der Fall. Je höher die Packungsdichte ist, desto höher wird seine Druckfestigkeit.
Zwar steigt bei Zugabe von zunächst geringen Füllstoffanteilen in Massenkunststoffen die Druckfestigkeit eines kunststoffgebundenen gefüllten Werkstoffs zunächst an, jedoch flacht dieser Anstieg ab, wenn sich der Füllstoffgehalt der 50%-Marke nähert.
Aus diesem und verschiedenen anderen Gründen werden z. B. Compounds für den Spritzguss mit einem höheren Füllstoffgehalt als 50 Volumen-% (= 70 Gewichts-%) nicht industriell hergestellt. Versuchsweise wurde jedoch schon eine B-Säule eines PKWs mit einem Füllstoffgehalt von 58% hergestellt.
Durch Versuche mit dem erfindungsgemäßen Werkstoff wurde auf überraschende Weise festgestellt, dass die Druckfestigkeit in einem Füllstoff-Bereich von über 60 Volumen-% am Werkstoff, plötzlich und völlig unerwartet wieder steil ansteigt. Dieser Anstieg setzt sich fort, bis die maximale Packungsdichte erreicht wird. Diese liegt je nach Kornaufbau erfindungsgemäß zwischen 90% und 98%.
Die erreichten hohen Druckfestigkeiten des erfindungsgemäß polymergebundenen Werkstoffs wurden bisher in der Fachwelt nur bei metallischen Werkstoffen für möglich gehalten.
Abgrenzung der Erfindung zum Deutschen Patent Nr. 100 46 298:
Ein dem erfindungsgemäßen Werkstoff ähnlicher, jedoch tatsächlich andersgearteter Werkstoff, ist durch das Deutsche Patent Nr. 100 46 298 im Jahre 2000 als Crash-Absorber durch Franke und Niedner bekannt gemacht worden.
Diese Erfindung hatte nicht eine hohe Druckfestigkeit zum Ziel, sondern eine eher mäßige Druckfestigkeit, weil ihre Funktion dem Schutz der Fahrgäste gilt. Deshalb hatte sie einen geschäumten Füllstoff mit geringer Korn-Druckfestigkeit zum Gegenstand.
Der Crashabsorber des o. g. Deutschen Patentes hat nur auf den ersten Blick Ähnlichkeit mit dem erfindungsgemäßen Werkstoff, denn ein Crashabsorber hat eine andere technische Funktion. Auch wird er mit einer für das Fahrzeuggewicht unbedeutenden kleinen Masse hergestellt und hat den Personenschutz und nicht ein geringes Gewicht oder eine besondere Nachhaltigkeit zum Ziel. Nachhaltigkeit ist jedoch ein sehr wichtiges Ziel z. B. beim Einsatz des erfindungsgemäßen Werkstoffs als Straßenbauwerkstoff in einer Menge, von Millionen Tonnen jährlich. Zur Erfüllung solcher Ziele waren die für die Herstellung von Crashabsorbern bekannten Werkstoffe ungeeignet.
Erst kürzlich wurde in Versuchen überraschenderweise festgestellt, dass der erfindungsgemäße Werkstoff mit der unerwartet hohen Druckfestigkeit hergestellt werden kann. Er übertrifft die Druckfestigkeit des Werkstoffs nach Patent 100 46 298 um nahe 2 Zehnerpotenzen. Weil er eine andere Aufgabe hat, ist er mit einem Crashabsorber nicht vergleichbar.
Abgrenzung der Erfindung zu Polymerbeton:
Der erfindungsgemäße Werkstoff ist eine wesentliche Weiterentwicklung des bereits in der Technik bekannten Polymerbetons. Polymerbeton ist ein einfacher und auf wenige Spezialprodukte beschränkter Werkstoff. Er wird wie Beton aus Kies und einem Bindemittel hergestellt.
Der erfindungsgemäße Werkstoff übertrifft z. B. bei der Druckfestigkeit den bekannten Polymerbeton um ein Mehrfaches. Sie beträgt bei Polymerbeton bis zu 100 MPa und beim erfindungsgemäßen Werkstoff 200 MPa bis 500 MPa. Die Verbesserung der Druckfestigkeit des erfindungsgemäßen Werkstoffs gegenüber Polymerbeton, ist auf den erfindungsgemäßen Kornaufbau zurückzuführen. Bei Polymerbeton werden nur übliche Füllstoffe wie bei Beton verwendet. Das ergibt den Unterschied.
Polymerbeton wird vor allem mit einem völlig anderen Bindemittel hergestellt. Für Produkte aus Polymer-Beton werden bisher bei dessen Herstellung ausschließlich Duroplaste (z. B. ungesättigtes Polyester-Harz, Epoxid-Harz etc.) als Bindemittel verwendet. Diese Harze sind teurer als z. B. Thermoplaste wie PA6 und können stofflich nicht wie PA6 recycelt werden.
Polymerbeton kann deshalb nicht stofflich rezykliert werden. Er weist deshalb nur eine eher ungünstige Nachhaltigkeit auf. Das duroplastische Polymer Epoxyd-Harz geht bei einer Rezyklation des Werkstoffs verloren und muss bei einer Wiederverwendung des Füllstoffs vollständig ersetzt werden. Aus dieser Sicht ist Polymerbeton mit Beton vergleichbar. Auch beim Beton geht das Bindemittel Zement beim Rezyklieren verloren.
Dieser Unterschied von Polymerbeton und Beton zum erfindungsgemäßen Werkstoff ist von großer Bedeutung, denn das Polymer ist ebenso wie der Zement der teuerste Teil des jeweiligen Werkstoffs und hat den weitaus höchsten Anteil am CO₂-Footprint.
Insofern hat der Polymerbeton in ähnlicher Weise wie Beton eine nur eingeschränkte Nachhaltigkeit. Die jeweils teuerste und energieintensivste Komponente, sei es das Polymer oder sei es der Zement, entzieht sich beim Polymerbeton ebenso wie bei Beton und bei anderen als dem erfindungsgemäßen Werkstoff der Wiederverwendung und verdirbt die Nachhaltigkeit.
Zur Chemie des erfindungsgemäßen Werkstoffs:
Für den erfindungsgemäßen Polymer-Höchstleistungswerkstoff wird anders als bei Polymerbeton als Bindemittel erstmals ein Thermoplast oder ein Elastomer verwendet, das sich insbesondere durch eine möglichst geringe Viskosität als Monomer oder als dünnflüssiges Polymer oder auch als mehlförmiges Polymer in einer Form oder alternativ auch ohne Form (z. B. im Straßenbau) „in situ” zu einem Werkstück formen lässt.
Soweit eine Formgebung erforderlich ist, kann sie für den erfindungsgemäßen Höchstleistungswerkstoff durch die in der Kunststoffverarbeitung bekannten Maschinen (z. B. Extruder, Pultruder, Spritzgussmaschinen, Kalander etc.) erfolgen.
Eine Verwendung von Kunststoffverarbeitungsmaschinen für den Crashabsorber nach Patent 100 46 298 erwies sich hingegen nicht als möglich, da die Scherkräfte das eingesetzte Glasschaumgranulat, wie Versuche ergaben, zerstörten. Das gleiche Ergebnis stellte sich bei Verwendung von anderen, für Crashabsorber geprüfte Leichtfüllstoffe ein.
Erfindungsgemäße Monomer- oder Polymer-Bindemittel müssen bei der Verarbeitungstemperatur dünnflüssig sein. Ihre Viskosität reduziert sich bei der Temperaturerhöhung.
Die Reduzierung der Viskosität durch Temperaturerhöhung wird erfindungsgemäß genutzt, indem die Temperatur so gewählt wird, dass die Benetzung und die Tränkung der Zuschlagstoffe, wie Füllstoff und Bewehrung wie z. B. Fasern, insbesondere die Benetzung von sehr dünnen Carbon-Fasern, erfindungsgemäß vollständig und praktisch porenfrei erfolgen kann. Eine porenfreie Tränkung von Fasern kann mit Kunststoffschmelzen mit einer Viskosität von mehr als 80 mPa × s nicht erreicht werden. Folglich sind die meisten Polymere zur Herstellung des erfindungsgemäßen Werkstoffs nicht geeignet.
In diesem Zusammenhang ist festzustellen, dass in den heute fast ausschließlich angewandten Technologien zur Herstellung von faserverstärkten Bauteilen, Duroplaste als Bindemittel verwendet werden. Mangels Kenntnis des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die Produzenten gezwungen, den beschwerlichen Weg über Duroplaste zu gehen.
Duroplaste sind, wie sich aus 2 ablesen lässt, spröde und erweichen nicht bei Wiedererwärmung. Erhöht man ihre Temperatur, gehen sie unter Umgehung der Schmelze in die Pyrolyse über, denn sie weisen eine starke Vernetzung auf, die zu einem starren Gefüge fuhrt.
Die erfindungsgemäß zu verwendenden thermoplastischen Bindemittel haben anders als Duroplaste ideale Eigenschaften für die Herstellung eines Werkstoffs mit sehr hoher Druckfestigkeit. Schon in der Verarbeitungsphase haben sie sehr günstige rheologische Eigenschaften, die Duroplaste nicht aufweisen.
Sowohl die Füllstoffe, als auch bei einem eventuellem Einsatz die verstärkenden Fasern, lassen sich durch das erfindungsgemäße, wie Wasser dünnflüssige Bindemittel, wegen dessen niedriger Viskosität, sehr gut benetzen. Denn wenn Fasern sich gut benetzen lassen, können fast alle Fasern in die Matrix eingebunden werden. Dadurch erhält ein faserverstärktes Bauteil eine höhere Festigkeit. Gleiches gilt für die Benetzung aller anderen Füllkörper des erfindungsgemäßen Werkstoffs.
Die erfindungsgemäßen Monomer- oder Polymer-Bindemittel für den erfindungsgemäßen Werkstoff haben in der Verarbeitungsphase erfindungsgemäß schon vor dem ersten Kontakt mit dem Füllstoff und/oder der Bewehrung mit Fasern eine Temperatur zwischen 150°C und 160°C und eine Viskosität unter 80 mPa × s. Sie werden im Fall von Caprolactam erfindungsgemäß bereits vom Lieferwerk im flüssigen Aggregatszustand angeliefert und in beheizten Tanks transportiert und gelagert. Erfindungsgemäß kann dabei Schutzgas ergänzend eingesetzt werden, damit die Aufnahme von Wasser aus der Luft vollständig vermieden wird. Bei der Verarbeitung von kleineren Mengen Caprolactam ist ein Versand und eine Lagerung im festen Aggregatszustand bei Raumtemperatur in wassergeschützten Säcken oder in Big-Bags alternativ vorgesehen.
Die Viskosität des erfindungsgemäßen Bindemittels liegt um ca. eine Potenz niedriger als die der üblichen Bindemittel für Polymerbeton, ungesättigtes Polyesterharz und Epoxyd-Harz, die üblicherweise bei Raumtemperatur gehärtet bzw. verwendet werden und bei dieser Temperatur je nach Sorte eine Viskosität von bis zu 1.000 mPa × s aufweisen.
Die in der üblichen Kunststoffverarbeitung eingesetzten Spritzgussmaschinen und Extruder haben die Aufgabe, Compounds vor der Formgebung zu schmelzen. Die gezielte Herstellung einer Schmelze erfolgt durch elektrische Beheizung und durch Reibung.
Kunststoffschmelzen aus Thermoplasten haben bei der Formgebung immer noch eine hohe bis sehr hohe Viskosität. Deshalb sind sie für die Herstellung des erfindungsgemäßen Hochleistungswerkstoffs aus Compounds nicht geeignet.
Eigenschaften von Monomeren und Polymeren:
Polymere und Monomere haben hingegen einen sehr breiten Viskositätsbereich, der im Wesentlichen von der Temperatur, von der Molekül-Kettenlänge, von deren Verzweigungsstruktur und von der Füllung durch Füllstoffe und Verstärkungs-Fasern abhängt. Polymere haben keine definierte Molekülmasse.
Die Zahl der Monomere in Polymeren lässt sich nur statistisch erfassen. Die Molmassenverteilung der Polymere bestimmt jedoch entscheidend die Viskosität und die technischen Eigenschaften der Kunststoffe.
Trotz dieser zu beachtenden, teilweise nur schwer beeinflussbaren Faktoren, kann z. B. Caprolactam gemäß der Erfindung vor der Formgebung exakt auf die gewünschte Viskosität eingestellt werden. Das ist gemäß der Erfindung möglich, weil Füllstoffe und Bewehrungen, wie z. B. Fasern, in Polymeren einen großen Einfluss auf die Viskosität des erfindungsgemäßen Werkstoffs haben. Art und Menge dieser Stoffe wird erfindungsgemäß ebenfalls zu Einstellung der gewünschten Viskosität genutzt.

Typische Viskositäten von Flüssigkeiten und Schmelzen sind (Werte in mPa × s):

Bei 20°C:	n-Pentan	0,20
	Wasser	1,00
	Ethanol	1,19
	Caprolactam	8,52	(bei 80°C)
	Polymerschmelzen	10³ bis 10¹³	(wärmevariabel)
	UHMW-HDPE	10¹³	(bei 150°C)
	Bitumen	10⁷ bis 10¹⁴
	Asphalt	10⁵ bis 10¹⁶
	Glas	10²⁰ bis 19²⁴

Erfindungsgemäß werden alle genannten Einflussfaktoren (Temperatur, Molmasse, Füllstoffmenge, Füllstoffart, Füllstoffkornform, Füllstoffkorngröße und die Matrix-Bewehrung wie z. B. durch Fasern und andere Zuschläge) gezielt zur Modifikation bzw. Einstellung des erfindungsgemäßen Werkstoffs je nach Einsatzgebiet verwendet.
Das gilt erfindungsgemäß auch für Zuschläge, die die Viskosität auf Dauer oder auf Zeit verändern, wie z. B. Schichtsilikate oder Tixotropiermittel.
Erfindungsgemäß wird insbesondere ein Thermoplast-Rohstoff verwendet, der bereits vor der Polymerisation als dünnflüssiges Monomer zusammen mit einem Teil und/oder mit der gesamten Masse der Füllstoffe in die Form des Werkstücks eingebracht wird und erst in der Form nach erfolgter Zugabe aller Füll- und Verstärkungsstoffe polymerisiert. Erfindungsgemäß entsteht so erst in der Form ein Polymer, das als Bindemittel für die Füllstoffe und für die Bewehrung durch Fasern wirkt.
Als erfindungsgemäßes preisgünstiges Hochleistungsbindungsmittel hat sich Caprolactam für die Bildung des im Zuge der Verarbeitungsphase durch „in situ”-Polymerisation entstehende Polyamid (z. B. PA6 oder PA6 G) erwiesen.
Aber auch alle anderen Monomere für Polyamide und auch Monomere für andere Kunststoffe als PA6 bzw. PA6 G und auch bereits polymerisierte Thermoplaste und Elastomere können für den erfindungsgemäßen Werkstoff als Bindemittel verwendet werden, wenn sie in den erfindungsgemäßen Viskositätsbereich versetzt werden können, oder erfindungsgemäß in Pulverform vorliegen.
Erfindungsgemäß können auch solche Polymere verwendet werden, die derzeit noch nicht verfügbar sind oder erst in der Zukunft als dünnflüssige Ausgangsstoffe (Monomere) für Polymere mit einer Viskosität von vorzugsweise unter 80 mPa × s entwickelt werden.
Die Viskosität von 80 mPa × s ist erfindungsgemäß nicht notwendigerweise das obere oder untere Limit für die Verwendbarkeit als Bindemittel. Optimal sind erfindungsgemäß organische Bindemittel mit einer Verarbeitungsviskosität bei der Formgebung unter 20 mPa × s, vorzugsweise von nahezu 1 mPa × s (= wie Wasser bei 20°C) oder auch darunter.
Erfindungsgemäß werden vorzugsweise Polyamide wie PA6, PA6 G, PA 6.6, PA 6.10, PA 6.6/6.10 oder andere Polymere der Polyamid-Familie als final in der Form gebildete Bindemittel eingesetzt. Ihr Anteil am Volumen des erfindungsgemäßen Werkstoffs soll nur 1,5% bis 15% betragen. Erfindungsgemäß können jedoch bei Bedarf auch Volumenanteile unter 1.5% oder über 15% verwendet werden.
Erfindungsgemäß wird das leistungsfähige und preiswerte PA6 G (Polyamid 6 Guss) als bevorzugtes Bindemittel verwendet. Es kommt jedoch nicht als Polyamid-Compound zum Einsatz, sondern erfindungsgemäß als Caprolactam, einem Monomer, das erst in der Form des Werkstücks bei dessen Formgebung zu PA6 G polymerisiert wird.
Der optimale Zeitpunkt der Polymerisation und die Dauer der Polymerisation in der Form des Werkstücks, wird erfindungsgemäß durch die Zugabe geeigneter Katalysatoren und anderer Zusätze so eingestellt, dass sie innerhalb der gewünschten Zeit erfolgt und zeitlich so abgeschlossen wird, dass das Bindemittel des Werkstück vor Abschuss der Fertigung und vor dem Verlassen der Form polymerisiert ist.
Caprolactam wird erfindungsgemäß mit der niedrigsten Viskosität eingesetzt, die nach dem Stand der Technik einstellbar ist. Erfindungsgemäß wird es mit einer Viskosität unter 20 mPa × s, besser unter 6 mPa × s, vorzugsweise sogar unter 1 mPa × s und bei einer Temperatur über 100°C, vorzugsweise bei 150°C bis 160°C eingesetzt.
Erfindungsgemäß können auch andere Polymere, Thermoplaste, Duroplaste oder Elastomere mit einer Viskosität unter 80 mPa × s (z. B. als Schmelze) eingesetzt werden. Ferner, derzeit noch nicht verfügbare, jedoch in der Entwicklung befindliche Kunststoffe anderer Art, falls sie in Zukunft in erfindungsgemäßer dünnflüssiger Konsistenz oder in Pulverform zur Verfügung stehen sollten.
Erfindungsgemäß wird die Nachhaltigkeit des Höchstleistungswerkstoffs durch die Verwendung von Polyamid-Derivaten, die aus pflanzlichen Rohstoffen wie z. B. Rizinusöl hergestellt werden, zusätzlich verbessert.
Die Chemiefirma DMS (Holland) stellt z. B. ein Polyamid unter der Bezeichnung Eco-PaXX her, das überhaupt keinen CO₂-Footprint hat und das erfindungsgemäß verwendet werden kann.
Das erfindungsgemäße Haupt-Bindemittel PA6 G kann vollständig und vor allem sogar vollständig stofflich, d. h. ohne einen aufwändigen chemischen Regenerations-Prozess, recycelt werden (s. 4).
Versuche haben ergeben, dass Bauteile aus PA6 G-Regenerat die gleichen Produkteigenschaften aufweisen wie Bauteile aus Ur-PA6. Das ist ein bei Kunststoffen einzigartiges Ergebnis, da sich bei Rezyklaten aus anderen Kunststoffen als Polyamiden bekanntlich immer Qualitätseinbußen einstellen.
Die Erfindung basiert damit auf der Verwendung einer thermoplastischen Polymerfamilie, mit PA6 G im Zentrum, die bis dato bei hochdruckfesten Werkstoffen wie Polymerbeton nicht eingesetzt geworden ist, denn bis dato werden für diesen Einsatzzweck keine Thermoplaste, sondern Duroplaste (Epoxyd-Harze, ungesättigte Polyester-Harze usw.) verwendet, für die ein stoffliches Recycling, weil dafür ungeeignet, nicht in Betracht kommt.
Die Erfindung basiert ferner auf besonderen aktiven Füllstoffen, die ihrerseits erfindungsgemäß geeignet sind Packungsdichten bis in die Nähe von 100% zu generieren und in Verbindung mit anderen Stoffen Festigkeitseigenschaften des erfindungsgemäßen Werkstoffs bewirken, die im Bereich von Metallen liegen und diese stellenweise sogar übertreffen.
Erfindungsgemäß werden vorzugsweise mineralische Füllstoffe verwendet. Diese können aus natürlichen Vorkommen stammen oder Produkte der Technik (z. B. Glaskugeln, Glasfasern) sein.
Erfindungsgemäß werden mineralische Füllstoffe in den Korngrößen von Kies nach DIN 4922 (2 bis 63 mm), von Sand (0,63 bis 2 mm), von Gesteinsmehl (unter 0,63 mm) und von Nanoteilchen (unter 1.000 Nanometer) für den Aufbau einer hohen Packungsdichte verwendet.
Erfindungsgemäß werden für besonders druckfeste oder besonders schwere Werkstoffe Füllstoffe aus Glas, Keramik oder Metall verwendet. Ein aus Glas- oder Keramikkugeln erfindungsgemäß hergestellter Werkstoff kann Druckfestigkeiten von ca. 300 MPa erreichen.
Mit einem aus Stahlkugeln in verschiedener Größe und in sehr dichter Packung hergestellter Werkstoff, kann erfindungsgemäß eine Druckfestigkeit von über 500 MPa erreichten.
Bei diesen erfindungsgemäßen Werkstoffen, z. B. mit Stahlkugel-Füllung, werden je nach Kugelqualität je nach Verarbeitung Packungsdichten von über 90% und sogar von bis zu 97% erreicht.
Erfindungsgemäß können alternativ mit PA6 G als Bindemittel auch Werkstoffe mit geringer Packungsdichte herstellt werden. Es handelt sich dann um haufwerksförmige Werkstoffe.
Derartige Werkstoffe sind bereits mit Polyurethan (PUR) als Bindemittel bekannt.
Mit dem Bindemittel PA6 G kann erfindungsgemäß ein haufwerksförmiger Werkstoff mit überraschenderweise weitaus besseren Eigenschaften als mit dem Bindemittel PUR hergestellt werden.
Er ist zudem nachhaltiger als ein Werkstoff mit PUR als Bindemittel. Letzteres Bindemittel kann im Gegensatz zu PA6 nur nach Anwendung eines komplizierten chemischen Prozesses wiederverwendet werden.
Als Füllstoffe können erfindungsgemäß auch bio-organische Füllstoffe, wie z. B. mehlförmiges oder auch körniges Material aus Nussschalen verwendet werden. Ferner organische Bio-Verstärkungsfasern.
Erfindungsgemäß nehmen mineralische und/oder organische Füllstoffe zusammen mit Verstärkungsfasern mit mehr als 82% des Volumens den größten Teil des Werkstoffs ein. Es hat sich erwiesen, dass höchstgefüllte erfindungsgemäße Werkstoffe die besten mechanischen Eigenschaften, insbesondere die höchste Druckfestigkeit erreichen.
Zur Verfahrenstechnik:
Erfindungsgemäß werden Füllstoffe, Bewehrungen (Fasern) und andere Zusätze vor der Formgebung auf die Polymerisationstemperatur vorgewärmt. Die Vorwärmung erfolgt bei kleinen Durchsätzen in einem beheizten Mischer, bei großen Durchsätzen vorzugsweise in Trocknern, die dem Mischer vorgeschaltet werden (s. 3).
Das ebenfalls erfindungsgemäß vorgewärmte Bindemittel und alle anderen Bestandteile des erfindungsgemäßen Werkstoffs, werden in einem Intensivmischer, vorzugsweise in einem sogenannten Eirich-Mischer, intensiv zur Erzielung einer hohen Packungsdichte vermischt bevor sie der Formgebung zugeführt werden.
Der Intensivmischer wird vorzugsweise elektrisch oder durch ein Wärmeübertragungs-Öl beheizt. Die Temperatur wird im Mischer so eingestellt, dass in der nachgeschalte Formgebung alle vorgewärmten Komponenten zusammen mit der Wärmebildung während der exothermen Polymerisation die optimalen Reaktions- bzw. Bindungsbedingungen haben.
Die erfindungsgemäßen Werkstoffe können aus solchen Kunststoffen, Füllstoffen und Fasern bestehen, die ihrerseits höchst unterschiedliche Dichten haben. Die Gewichtsanteile und die Volumenanteile der einzelnen Stoffe sind deshalb unterschiedlich. Für die Beurteilung des erfindungsgemäßen Werkstoffs werden abweichend von Üblichen, das gewichtsbezogene Werte verwendet, stets Volumenanteile genannt.
Bei der Berechnung des CO₂-Footprints wird hingegen mit Gewichts-Prozenten gearbeitet.
Zur Nachhaltigkeit:
Eine Ausnahme der Werkstoffbeschreibung durch Volumenanteile (s. o.) gilt für die Ermittlung der Nachhaltigkeit des erfindungsgemäßen Werkstoffs. Zur Berechnung des CO₂-Footprints ist nicht das Volumen, sondern das Gewicht des Werkstoffs und die Massenanteile seiner einzelnen Komponenten maßgebend. Für die Berechnung des CO₂-Footprints gibt es in der Literatur nur massenbezogene Tabellen. Eine Tonne des erfindungsgemäßen Werkstoffs hat beispielsweise folgende Zusammensetzung:

PA6 G 50 kg

Mineralischer Füllstoff 950 kg

Erfindungsgemäßer Werkstoff 1.000 kg
Der CO₂-Footprint der Anteile des beispielhaften erfindungsgemäßen Werkstoffs beträgt:

PA6 G: 3,100 kg CO₂/kg PA6 G

Mineralischer Füllstoff: 0,002 kg CO₂/kg Füllstoff
Im Ergebnis hat eine Tonne des im Beispiel genannten erfindungsgemäßen Werkstoffs demnach folgenden CO₂-Footprint:

PA6 G (5%) 50 kg × 3,100 kg/kg = = 153 kg CO₂/t

Mineralischer Füllstoff (95%) 950 kg × 0,002 kg/kg = 2 kg CO₂/t

= 155 kg/CO₂/t
Der erfindungsgemäße Werkstoff des Beispiels hat einen für Werkstoffe außerordentlich geringen CO₂-Footprint. Zum Vergleich hat jeweils eine Tonne Material anderer, in der Technik gebräuchlicher Werkstoffe, folgenden CO₂-Footprint:

A) PA6 G Natur (ungefüllt, nicht faserverstärkt) = 3.100 kg CO₂/t

B) Guss-Stahl GG 20 = 1.095 kg CO₂/t

C) Aluminium = 5.570 kg CO₂/t

Günstiger fallen die Footprint-Werte allerdings für Stahlbeton aus:

D)	Stahlbeton:
	Kies	= 2 kg CO₂/t
	CEM (50% LL3-1) B5, wz = 035, inklusive Transport
	(= hochfest 80 MPa) 150 kg CO₂/m³	= 65 kg CO₂/t
	Stahl 200 kg/m3 = 80 kg/t	= 85 kg CO₂/t
	Summe Stahlbeton	= 152 kg CO₂/t

Der erfindungsgemäße Werkstoff des Beispiels hat im Vergleich zu Kunstoffen und Metallen einen sehr niedrigen CO₂-Footprint. Sein Footprint liegt jedoch in der gleichen Größenordnung wie der von Stahlbeton.
Trotzdem ist er Stahlbeton auch aus der Sicht des Foot-Prints weit überlegen. Der Vergleich zwischen dem erfindungsgemäßen Werkstoff und Stahlbeton ist nämlich zu ergänzen. Zwar gibt es aus der Sicht des CO₂-Footprints bezüglich der Herstellung keinen markanten, gewichtsbezogenen Unterschied. Bei einem Vergleich zwischen dem erfindungsgemäßen Werkstoff und Stahlbeton ist jedoch zusätzlich der leistungsbezogene Unterschied zu beachten.
Dabei ist zu berücksichtigen, dass der erfindungsgemäße Werkstoff wegen seiner um ein Mehrfaches höheren Druckfestigkeit als Stahlbeton leichtere und schlankere Konstruktionen ermöglicht als Hochleistungs-Stahlbeton und allein aus diesem Grund ein Produkt aus dem erfindungsgemäßen Werkstoff hergestelltes Bauteil einen wesentlich kleineren CO₂-Footprint als ein Funktions-Bauteil aus Stahlbeton aufweist.
Hinzu kommt, dass der erfindungsgemäße Werkstoff nicht korrodiert und nicht wie Stahlbeton auf andere Weise reparatur- oder wartungsanfällig ist und somit während der Lebensdauer weniger Unterhalt und Erneuerung benötigt. Last not least ist der erfindungsgemäße Werkstoff im Gegensatz zu Stahlbeton zu 100% stofflich rezyklierbar.
Damit erreicht der erfindungsgemäße Werkstoff einen CO₂-Footprint in der Nähe von Null. Das ist ein Wert, den Beton, der meistgebrauchte Werkstoff der Welt, wegen dem mit der Zementproduktion verbundenem CO₂-Ausstoß und wegen anderer Eigenschaften nicht annähernd erreichen kann.
Ein Null-CO₂ Footprint für den erfindungsgemäßen Werkstoff stellt sich insbesondere dann ein, wenn es z. B. erwartungsgemäß gelingt, den Stoffkreislauf für PA6 in toto zu schließen. Dieser Zustand wird erreicht, wenn sich der Absatz für PA6-Rezyklat erwartungsgemäß quantitativ einstellt.
Zur Porenfreiheit:
Der erfindungsgemäße Werkstoff des Beispiels ist praktisch porenfrei herstellbar. Es wurden Lufteinschlüsse unter 0,5% gemessen. Im Gegensatz hierzu sind sowohl bei Beton als auch bei faserverstärkten Kunststoffen Lufteinschlüsse um 5% üblich. Lufteinschlüsse mindern die Festigkeitswerte und sind deshalb unerwünscht.
Zu Werkstoffgewicht und Leichtbau:
Die Dichte des erfindungsgemäß hergestellten Werkstoffs beträgt bei der Verwendung von massiven mineralischen Füllstoffen ca. 2,3 kg/dm³.
Dieser Wert liegt unter der Dichte fast aller metallischen Werkstoffe einschließlich Aluminium. Damit ist der erfindungsgemäße Werkstoff auch für den Leichtbau von Interesse. Produkte aus Stahl haben bei gleicher Funktion ein mehrfaches Gewicht.
Verwendet man hingegen geschäumte oder naturporöse Füllstoffe wie z. B. Glasschaum, Hohlkugeln oder Bims, kann die Dichte auf bis zu einem Zehntel dieses Wertes, z. B. auf beispielsweise 0,23 kg/dm³ eingestellt werden.
Produkte mit derartig geringem Gewicht sind als Leichtbaustoffe z. B. für die Automobilindustrie und für Hersteller von Fluggeräten von Interesse.
Sie sind nicht nur als Crash-Elemente wie im Deutschen Patent Nr. 100 46 298 beschrieben von Interesse, sondern für eine Vielzahl von Leichtbauteilen.
Mit einer Dichte zwischen 0,23 und 2,3 kg/dm³ ist der erfindungsgemäße Werkstoff im Vergleich zu metallischen Werkstoffen ein Leichtbaustoff mit sehr günstigen Festigkeitswerten. Die Dichten gebräuchlicher Werkstoffe sind:

Stahl = 7,9 kg/dm³

Guss-Stahl = 7,2 kg/dm³

Stahlbeton (hochfest) = 2,5 kg/dm³

Aluminium = 2,7 kg/dm³
Produkte aus dem erfindungsgemäßen Werkstoff mit einer auf das Volumen bezogenen Füllung von über 60%, haben anders als geringer oder nicht gefüllte Produkte aus Kunststoff eine sehr hohe Druckfestigkeit, die eher den meistgebräuchlichen Massen-Werkstoffen wie Stahl, Guss-Stahl, Stahlbeton und Aluminium entspricht, als denen der Kunststoffe.
Beispielsweise beträgt die Druckfestigkeit des erfindungsgemäßen Werkstoffs mit einer der im Beispiel beschriebenen Zusammensetzung ca. 200 MPa (= 200 N/mm²). Das ist ein Vielfaches der Druckfestigkeit von ungefülltem PA6 G (= 25 MPa).
Der erfindungsgemäße Werkstoff ist schon in seiner einfachsten Ausführung fast allen vergleichbaren anderen Werkstoffen mit der Ausnahme von Stahl bzw. Guss-Stahl hinsichtlich der Druckfestigkeit überlegen. Nur Guss-Stahl hat eine höhere Druckfestigkeit:

Guss-Stahl (GG 20) 720 MPa
Die übrigen gebräuchlichsten Werkstoffe der Technik haben hingegen keine höheren Druckfestigkeiten als der erfindungsgemäße Werkstoff in seiner einfachsten Ausführung:

Stahlbeton (C 55/57) 80 MPa

Aluminium 200 MPa
Werkstücke aus dem erfindungsgemäßen Werkstoff sind dort, wo in der heutigen Technik Stahlbeton oder Metalle wie Aluminium zum Einsatz kommen, sowohl aus der Sicht der Druckfestigkeit und anderen Festigkeitswerten, als auch aus der Sicht der Nachhaltigkeit eine beachtliche Alternative.
Selbst Stahl ist in einem Gesamtvergleich, der auch die Nachhaltigkeit des erfindungsgemäßen Werkstoffs umfasst, dem erfindungsgemäßen Werkstoff in vielen Einsatzgebieten unterlegen.
Beispiele neuer Anwendungsgebiete für hochgefüllte erfindungsgemäße Kunststoffe:
Der erfindungsgemäße Werkstoff hat das Potential, wegen seiner hohen Nachhaltigkeit in die Domäne von Stahl und derjenigen von anderen metallischen Werkstoffen einzudringen. Stahl hat bereits den Nachteil eines sehr hohen CO₂-Footprints ab dem Stahlwerk. Bei Stahl kommt zu dem Erzeugungs-CO₂-Footprint noch einmal der Verarbeitungs-CO₂-Footprint in durchschnittlich gleicher Höhe hinzu. Bei dem größten Stahlverbraucher, der Automobilindustrie, führt die Stahlverarbeitung zu einer Verdoppelung des Gesamt-CO₂-Footprints von 800 auf 1600 kg CO₂ je Tonne eingesetzten Stahl.
Für den Bau vom Kraftfahrzeugen, Schiffen, Bahnen und anderen Verkehrsmittel, sowie für den Straßenbau, ist der Einsatz des erfindungsgemäßen Werkstoffs anstelle von Stahl deshalb eine willkommene Alternative. Durch Leichtbau sinkt bei Verkehrsmitteln der Energieverbrauch. Ein leichter PKW verbraucht weniger Kraftstoff als ein schwerer. Aus der Sicht der Nachhaltigkeit ist der erfindungsgemäße Werkstoff in der PKW-Herstellung noch zusätzlich wegen seinem CO₂-Footprint um die Nullmarke allen anderen Werkstoffen überlegen. Das betrifft außer Stahl auch insbesondere Aluminium.
Ebenfalls können Bauwerke, die traditionell aus Stahlbeton oder Stahl erstellt werden, durch Konstruktionen mit dem erfindungsgemäßen Werkstoff erstellt werden.
Beispiel Nr. 1: Türme und Rotoren von Windkraftanlagen:
Ein besonderes eindrucksvolles Beispiel für den Einsatz des erfindungsgemäßen Werkstoffs sind Türme für sehr große Windkraftanlagen (WKA). Türme für WKAs im Megawatt-Bereich erreichen bereits heute Nabenhöhen von 140 m und werden in Zukunft möglicherweise bis zu mehr als 200 m Nabenhöhe aufweisen. Die Rotoren dieser WKAs haben dann einen Durchmesser von ebenfalls über 200 m.
Bereits heute stellen die Rotoren der WKAs die weltweit größten rotierenden Maschinen dar. Ihre Bauteile sind hochdynamisch belastet und müssen während einer 20-jährigen Nutzungsdauer 10⁹ Lastwechseln standhalten.
Die Belastung durch Lastwechsel erfolgt nicht nur für die Werkstoffe von Rotoren, sondern für alle derzeit bei einem WKA eingesetzten Werkstoffe. Insbesondere der Turm, sei er aus Stahl oder aus Beton ist diesen Belastungen ausgesetzt.
Mit dem erfindungsgemäßen Werkstoff wird es ermöglicht, in Zukunft besonders große Türme für WKAs zu erstellen. Der erfindungsgemäße Werkstoff kommt den Erfordernissen der Zukunft in idealer Weise entgegen (höchste Druckfestigkeit, Dämpfung von Schwingungen, Reduzierung des Gesamtgewichts einer WKA auf etwa die Hälfte, Verkleinerung der Fundamente).
Über das Stahlbetonfundament eines WKA werden die Lasten ins Erdreich geleitet. Bei Beton- und Stahltürmen erfolgt anders als bei Türmen aus dem erfindungsgemäßen Werkstoff die Einleitung der Schwingungen auf ungedämpfte Weise und kann zu Schäden in der Umgebung führen.
Mit den derzeitig bei großen dynamisch belasteten Türmen der WKAs eingesetzten Werkstoffen (Stahlbeton oder Stahl) ist der Schwingungsabbau eine noch nicht hinreichend geklärte Aufgabenstellung.
Bauteile aus dem erfindungsgemäßen Werkstoff dämpfen, wie sich überraschender Weise herausstellte, die Schwingungen um den Faktor 10 besser als die Werkstoffe Beton oder Stahl.
Sehr hohe Türme werden allgemein vorteilhaft in Gitterbaukonstruktion erstellt. Nicht nur für WKA-Türme, sondern auch für andere hohe Bauwerke, wie Sendemasten, Stromleitungsmasten etc. bietet der Einsatz des erfindungsgemäßen Werkstoffs große Vorteile.
Dabei können die Streben des Gitters aus dem erfindungsgemäßen Werkstoff alternativ auch mit faserverstärkten Kunststoff erfindungsgemäß „ummantelt” werden. Eine erfindungsgemäß bevorzugte Methode der „Ummantelung” ist dabei die Pultrusion.
Gleiches gilt für andere Konstruktionen der Technik wie Kräne, Industriebauten, Bergbahnen, Schleusen, Bohrtürme und andere Offshore-Konstruktionen, Schiffe beliebiger Größe etc.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Werkstoffs ist seine chemische Beständigkeit. Anstriche gegen Rost sind nicht erforderlich. Bei „offshore” Anlagen ist PA6 wegen seiner Beständigkeit gegen Seewasser ein erprobter Werkstoff. Das reduziert die Unterhaltskosten während der Lebensdauer des Produkts, denn offshore-Bauten sind dem Seewasser ausgesetzt.
Schädigungen von Bauteilen durch Lastwechsel:
Fast alle Werkstoffe der Technik erleiden bei einer fortwährenden Einwirkung von Lastwechseln Schädigungen. Diese werden auf die Bildung von anfangs feinen, sich mit der Zeit vergrößernden Rissen in den Bauteilen zurückgeführt.
Üblicherweise wird in diesem Zusammenhang z. B. bei WKAs zwischen der planmäßigen Lebensdauer (20 Jahre) und der zusätzlich darüber hinausgehenden erwarten Restlebensdauer unterschieden. Beide zusammen ergeben die Gesamtlebensdauer einer WKA.
Erfindungsgemäß werden insbesondere bei dynamisch belasteten Produkten aus dem erfindungsgemäßen Werkstoff falls notwendig Nanoteilchen mit selbstheilender Wirkung in den Werkstoff eingebaut.
Versuche haben überraschender Weise ergeben, dass das Versagen eines Bauteils durch Verwendung des erfindungsgemäßen Werkstoffs durch einen Zusatz von nur 2 bis 5 Volumen-% Nanoteilchen begrenzt oder zumindest zeitlich verschoben werden kann. Die Lebensdauer eines Produkts kann nach der Erfindung um bis zu einer Zehnerpotenz verlängert werden. Es kann auf diese Weise durch die schwingungsdämpfende und rissfortsetzungsverhindernde Wirkung des erfindungsgemäß nanoverstärkten Werkstoffs ein wichtiger Beitrag zur Nachhaltigkeit technischer Produkte geleistet werden.
Es können verschiedene Nanoteilchen als aktiver Füllstoff eingesetzt werden. Erfindungsgemäß können z. B. Nano-SiO₂, Nano-Schichtsilikate, Nano-Ruß und aber auch andere Nanoteichen mit einer Teilchengröße unter 100 Nanometern eingesetzt werden. Sie haben sich in Versuchen bereits bewährt.
Beispiel Nr. 2: Neuer Werkstoff für den Straßenbau:
Es wird erwartet, dass in Zukunft das wichtigste Anwendungsgebiet der Erfindung der Neubau und die Renovierung von Autobahnen, Bundesstraßen und von Flugfeldern sein wird.
Zusammenfassend werden nachstehend die erfindungsgemäß in diesem Gebiet einsetzbaren Materialien für den erfindungsgemäßen Werkstoff, an einem interessanten Beispiel aus dem Straßenbau, dem sogenannten „Whitetopping” beschrieben.
Es wird ein Vergleich des CO₂-Footprints für den erfindungsgemäßen Werkstoff und seinen Materialien, mit den Materialien des konventionellen Straßenbaus vorgenommen.
Die in der Technik heute verwendeten Materialien bei einer Asphaltstraße bzw. einer Betonstraße werden mit derjenigen nach der Methode des „Whitetopping” überholten Straße unter Verwendung des erfindungsgemäßen Werkstoffs verglichen.
Mit „Whitetopping” wird die Reparatur von verbrauchten Asphalt-Straßen bezeichnet. Sie erfolgt durch die Auftragung einer dünnen neuen Fahrbahn. Hierbei wird nach dem Stand der Technik verbrauchter Asphalt-Belag glatt geschliffen und mit einer verhältnismäßig dünnen Betondecke überbaut (s. 7).
Materialien für den erfindungsgemäßen Werkstoff beim „Whitetopping”:
Anstelle von Beton mit Zement als Bindemittel wird für das „Whitetopping” erfindungsgemäß der erfindungsgemäße Werkstoff mit PA6 G als Bindemittel verwendet. Diese Art der Überbauung hat den Vorteil, dass die Straße schon spätestens am folgenden Tag wieder befahrbar ist (Beton erst nach 28 Tagen), praktisch nicht schwindet und die vielfache Festigkeit eines Beton-Toppings hat.
Der erfindungsgemäße Belag kann in „ultradünnen” Schichten mit einer Stärke im Bereich von 30 bis 60 mm aufgetragen werden. Ultradünn ist ein im Straßenbau verwendeter Begriff. Beim „Whitetopping” werden konventionelle Schichten aus Beton mit bis zu 100 mm Stärke noch als „Ultradünn” bezeichnet.
Matrix als Bindemittel:
Als Matrix können für das „Whitetopping” erfindungsgemäß eine Vielzahl von Polymeren, vorzugsweise Thermoplaste, verwendet werden.
PA6 G, hergestellt aus dem (wie Wasser) dünnflüssigen Monomer Caprolactam, das erst im Prozess der Werkstück-Formung zu PA6 G polymerisiert wird, ist erfindungsgemäß das bevorzugte neue „Whitetopping”-Bindemittel. PA6 G ist sowohl aus technischer Sicht, als auch aus preislicher Sicht, ein sehr günstiges Bindemittel für den erfindungsgemäßen Werkstoff in der Anwendung für den Straßenbau.
Füllstoffe für die Matrix:
Als Füllstoff kommt erfindungsgemäß eine große Zahl von Partikeln in unterschiedlicher Form, Korngröße und Qualität in Betracht. Darunter in alphabetischer Ordnung:
Aramidfasern, Basaltsand, Basaltmehl, Basaltfasern, Bimssand, Bimsmehl, Blähglas. Blähglaskugeln, Blähkeramiken, Blähschotter, Blähton, Flugasche, Glasfasern, Glashohlkugeln, Glasmassivkugeln, Glasmehle, Glaspartikel, Holz, Holzfasern, Holzmehle, Keramiken, Keramikhohlkugeln, Keramikmassivkugeln, Kohlenstoff, Kohlenstofffasern, Kohlenstoffpartikel, Kork, Korkmehle, Metalloxide, Metallpartikel, Mikrohohlglaskugeln, Mikrovollglaskugeln, Mineralien, Mineralgranulate, mineralische Gesteinsmehle, Stahl, Stahlfasern, Stahlkugeln, Tonerde, Quarzsand, Quarzmehl, Wollastonit u. v. a.
Bewehrung zur Steigerung der Zugfestigkeit:
„Whitetopping” aus Beton wird in bekannter Weise ebenso wie Stahlbeton bei Bedarf durch Armierungsstahl oder durch Fasern verstärkt. Stahlfasern oder Polyethylen- oder Polypropylen-Fasern werden üblicherweise in nur einem geringen Prozentsatz, von unter 5% der Betonmischung im noch rohen Zustand zugesetzt.
Der erfindungsgemäße Werkstoff hat im Vergleich zu Beton oder Asphalt im Straßen- oder Flugplatzbau von vornherein bessere Druck- und Zug-Spannungswerte und hat einen höheren E-Modul. Bei vielen Anwendungen erübrigt sich deshalb eine Verstärkung oder Bewehrung des „Whitetopping”.
Der erfindungsgemäße Werkstoff kann jedoch insbesondere bei besonders hohen Anforderungen an die Festigkeit oder bei Anwendung in besonders großen Baukörpern, die traditionell aus Stahlbeton erstellt würden, bewehrt werden.
Die Bewehrung kann erfindungsgemäß wie bei Stahlbeton durch Stahlgeflechte erfolgen. Diese können „schlaff” oder „vorgespannt” eingebaut werden.
Sie kann erfindungsgemäß auch in gleicher Weise mit Geflechten erfolgen, die nicht aus Stahl, sondern aus einem anderen strangförmigen Material hergestellt werden. Bewehrungs-Stränge und -Gurte, die aus sehr dünnen mineralischen Fasern oder aus Carbon-Fasern und einem Kunststoff als Bindemittel und als äußere Ummantelung z. B. durch Pultrusion, hergestellt werden, sind erfindungsgemäß besonders geeignet.
Nach einem weiteren Merkmal des erfindungsgemäßen Werkstoffs, wird falls erforderlich, eine Bewehrung in analoger Weise wie bei anderen Werkstoffen üblich, z. B. wie bei Beton oder bei faserverstärktem Kunststoff eingebaut.
Erfindungsgemäß können Kurz-Lang- oder Endlosfasern aus Polyethylen, Polypropylen, Nylon, Perlon oder anderen Polymerfasern, ferner aus Glas-, Basalt- oder anderen Mineralfasern, aus Bio-Fasern bestehend aus tierischen bzw. pflanzlichen Naturfasern, aus Carbon-Fasern und aus Stahl-Fasern, in den erfindungsgemäßen Werkstoff eingebaut werden.
Alternativ können Produkte aus dem erfindungsgemäßen Werkstoff auf ihrer äußeren Kontur mit Verstärkungen versehen werden. Sie können erfindungsgemäß mit Fasern umwickelt oder mit Faser-Geweben ausgerüstet werden, die durch einen Kunststoff gebunden werden.
Erläuterung der Zeichnungen:
1 zeigt die Rohstoffkosten unter Verwendung der Erfindung.

(1) Zeigt die Rohstoffkosten des in 1 mit XERATEC bezeichneten erfindungsgemäßen Werkstoffs. Sie liegen bei einem hohen erfindungsgemäßen Füllungsgrad zwischen 1,5 und 3 €/dm³
(2) Zeigt die Rohstoffkosten für geringer gefüllte Kunststoffe, wie sie in der Industrie üblich sind. Sie liegen zwischen 3 bis 7 €/dm³
(3) Zeigt die Preise (nicht Rohstoffkosten) von Standardwerkstoffen für der Industrie. Sie liegen i. d. R. bei über 8 €/dm³

2 ist eine Beschreibung der wesentlichen Eigenschaften von Thermoplasten, Elastomeren und Duroplasten. Der erfindungsgemäße Werkstoff wird zum Beispiel durch in-situ-Polymerisation aus dem Monomer Caprolactam hergestellt. Es entsteht das Thermoplast PA6 G. In Verbindung mit einem Füllstoffgehalt von mehr als 60% entsteht ein äußerst druckfester Werkstoff. Seine Nachhaltigkeit und seine Druckfestigkeit waren bisher der Technologie unbekannt.
3 zeigt das verfahrenstechnische Fließbild für die Herstellung des erfindungsgemäßen Werkstoffs.

(1), (2) und (3) sind Silos für die Bevorratung der verschiedenen Füllstoffe. Unter den Silos ist eine Vorrichtung (4) zur Dosierung durch Einwaage für die verschiedenen Füllstoffe
(5), (6) und (7) sind Trockner und/oder Vorwärmer für die Füllstoffkomponenten. Die Erwärmung der Füllstoffe erfolgt auf ca. 150°C
(8) und (9) sind auf ca. 150°C beheizte Tanks für die Bevorratung der Caprolactam-Edukt-Komponenten und für deren Dosierung in den Intensivmischer (10). Die Edukt-Komponenten beinhalten auch Aktivatoren bzw. Katalysatoren und diverse Additive. Aktivator und Katalysator befinden sich in getrennten Edukt-Tanks.
(10) ist ein beheizbarer Intensiv-Mischer, vorzugsweise ein sogenannter Eirich-Mischer, der die Homogenisierung des Füllstoff-Haufwerks und die Durchmischung der Füllstoffe des Haufwerks mit den Caprolactam-Komponenten gewährleistet. Seine Aufgabe ist es, insbesondere für eine sparsame aber dennoch vollständige Benetzung aller Füllstoff-Partikel zu sorgen. Er arbeitet diskontinuierlich. Er sorgt unter Berücksichtigung der exothermen Reaktion in der nachgeschalteten Form dafür, dass die Temperatur der chargenweise produzierten Werkstoffmasse exakt eingehalten wird, ebenso wie andere für die Polymerisation eingestellte Bedingungen. Beispielsweise ist für eine der erfindungsgemäßen Polymerisationsvarianten eine konstante Temperatur von 150°C zu halten. Beispielsweise werden erfindungsgemäß zuerst die verschiedenen Füllstoffe gemischt und zur Bildung eines Haufwerks mit höchstmöglicher Packungsdichte gebracht. Erst im Anschluss daran werden die flüssigen Komponenten des Werkstoffs aus den Tanks (8) und (9) zugeführt. Erfindungsgemäß werden die flüssigen Komponenten drucklos auf das Haufwerk und in Form von kleinstmöglichen Tröpfchen aufgegeben. Vorzugsweise erfolgt die Aufgabe durch Ultraschalldüsen. Erfindungsgemäß erkennt eine den Mischvorgang beobachtende Kamera, wann der Benetzungsvorgang abgeschlossen ist und beendet gegebenenfalls eine weitere Bedüsung des Haufwerks. Letzteres erfolgt, entweder sofort oder nach einem vorgegebenen zeitlichen Intervall.
(11) ist ein Vorratsreservoir für die im Mischer diskontinuierlich homogenisierten Werkstoffmasse. Es hat die Aufgabe mit Hilfe eines Förderorgans (12) die exakte Dosierung der Werkstoffmasse je nach Massenbedarf in die Form (13) zu gewährleisten
(12) ist ein Förder- bzw. Pump- und Dosierungssystem, welches den Transport und die Dosierung der Werkstoffmasse übernimmt.
(13) ist die Form für das Werkstück, welche je nach dem zu fertigen Produkt drucklos oder mit Druck betrieben wird.

4:

(1) zeigt die mit dem erfindungsgemäßen Werkstoff mögliche stoffliche Rezyklierbarkeit mit hoher Nachhaltigkeit.
(2) zeigt die mit in vielen Fällen mit anderen Werkstoffen durchgeführte Rezyklierung mit niedrigerer Nachhaltigkeit.

5 zeigt verschiedene Grundprinzipien und Modellmechanismen des strukturellen Tragverhaltens von Gesteinskörnern (Füllstoffen) in einer erfindungsgemäß hergestellten Straße unter der Last eines Reifens.
6 zeigt ein konventionelles verfahrenstechnisches Konzept für die Herstellung und für die Erneuerung einer Asphaltstraße. Es zeigt, dass die Verarbeitung von Asphalt für eine Standart-Asphaltstraße aufwendig ist.
Das in 3 erläuterte verfahrenstechnische Konzept für die Herstellung einer erfindungsgemäßen Straße ist eher einfacher und kann kostengünstiger apparativ realisiert werden
7 zeigt im oberen Bild das Konzept des „Whitetopping” auf einer verbrauchten Asphaltstraße mit dem erfindungsgemäßen Werkstoff und im unteren Bild die folgende Belastung einer durch „Whitetopping” regenerierten Asphaltstraße durch die Reifen eines Fahrzeuges.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10046298 [0109, 0112, 0121, 0186]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 4922 [0155]

Claims

Werkstoff mit hoher Druckfestigkeit, hoher Schwingungsdämpfung und hoher Nachhaltigkeit, der unter Verwendung von höchstens 18 Volumen-% eines organischen Polymers als Bindemittel und unter Verwendung von mindesten 82 Volumen-% an organischen und/oder anorganischen Füllstoffen und von organischen und/oder anorganischen Verstärkungsfasern hergestellt wird, wobei die Füllstoffe und die Verstärkungsfasern in unterschiedlichen, handelsüblichen Größen verwendet werden und speziell die Füllstoffe in einem Korngrößenbereich von 1 Nanometer bis zu 63 mm verwendet werden. Dieses Gemenge durch das Polymer zu dem erfindungsgemäßen Werkstoff verbunden, wobei das Bindemittel entweder direkt als Polymer eingesetzt wird oder soweit es als Monomer vorliegt, erst innerhalb der Form des aus dem Werkstoff herzustellenden Produktes polymerisiert und in erwärmter Konsistenz und vor dem Prozess der Formgebung, eine Viskosität von nicht mehr als 80 mPa × s hat.
Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Werkstoffs nach Anspruch 1 und eines Formteils aus diesem Werkstoff gekennzeichnet durch folgende hauptsächlichen Produktionsschritte: a) Transport und Lagerung der organischen Rohstoffe und deren Zusätze in einem flüssigen Aggregatszustand gegebenenfalls unter Schutzgas zum Schutz derselben vor einer Kontamination durch H₂O. b) Alternativ hierzu: Transport und Lagerung der o. g. Rohstoffe bei Raumtemperatur im festen Aggregatszustand, in vor H₂O-geschützten Gebinden und Aufschmelzen der Rohstoffe vor Verwendung im Prozess. c) Erwärmen der organischen Rohstoffe auf 150°C oder auf eine andere für den Herstellprozess vorgegebene höhere oder tiefere Temperatur bereits vor der weiteren Verarbeitung zu dem Werkstoff. d) Erwärmen der Füllstoffe und der Verstärkungsfasern auf eine ähnliche Temperatur wie die organischen Rohstoffe, ebenfalls vor Verarbeitung zu dem Werkstoff. e) Einwiegen der einzelnen Rohstoffe entsprechend der Rezeptur und Dosierung und Förderung derselben in einen Intensivmischer, wobei zuerst die Füllstoffe und die Verstärkungsfasern dem Mischer zugeführt werden. f) Mischen der Füllstoffe und der Verstärkungsfasern im Intensivmischer und Bildung eines homogenen Haufwerks mit der maximalen Gemenge bedingten und wirtschaftlich herstellbaren Packungsdichte. g) Benetzung des Haufwerks nach dessen Bildung mit einem Monomer und/oder mit einem bereits polymerisierten Bindemittel. h) Die Zugabe der organischen Rohstoffe in den Intensivmischer erfolgt nach Beendigung der Bildung des Haufwerks und zwar durch Vorrichtungen wie z. B. Duschköpfe mit geringem Impuls, vorzugsweise mit solchen für die Ultraschallzerstäubung. i) Nach der vollständigen Benetzung aller Körner und Fasern der Füllstoffe, erfolgt die Beendigung der Zugabe der organischen Rohstoffe unmittelbar nach vollständiger Benetzung oder auch erst etwas später, entsprechend einem rezepturbedingtem Zeitintervall zur Erzielung eines eventuellen Benetzungsüberschusses. j) Korrektur der Temperatur des Rohstoffgemenges im Mischer, entsprechend der Rezeptur unter Berücksichtigung der Exothermie der Polymerisation. k) Entleerung der Mischung aus dem Intensivmischer in einen Vorratsbehälter, aus dem das Gemenge in der erforderlichen Dosierung in die Form für das Produkt gepumpt wird. Die Polymerisation erfolgt bei der Verwendung von Monomeren anschließend in der Form.
Werkstoff nach Anspruch 1 und Verfahren zur Herstellung des Werkstoffs nach Anspruch 2 mit einem Polymer oder Monomer als Bindemittel mit niedriger Viskosität, zur optimalen Benetzung des Haufwerks, wobei bei Verwendung eines Monomers das Bindemittel erst im Zuge der Füllung der Form des Produktes fertig polymerisiert wird.
Verwendung des Werkstoffs und des Verfahrens gemäß Anspruch 1 bis 3 zur Herstellung von Fahrbahndecken von Straßen, Fahrradwegen, Sportanlagen und Parkplätzen und von anderen Bauwerken der Infrastruktur, sowie zur Erneuerung von verbrauchten Asphaltstraßen durch „Whitetopping”.
Verwendung des Werkstoffs gemäß Anspruch 1 bis 3 zur Herstellung von Ingenieurbauten im Hochbau wie Wohn- und Gewerbebauten, im Tiefbau wie Tunnels, sowie von Masten, Türmen, Brücken und ähnlichen Ingenieur-Bauwerken.
Verwendung des Werkstoffs gemäß Anspruch 1 und 3, zur Herstellung von Bauteilen des Maschinenbaus, von Verkehrsmitteln und von Ausrüstungen des Hoch- und Tiefbaus.
Verwendung eines organischen Bindemittels zur Herstellung des Werkstoffs, gemäß der Ansprüche 1 bis 6 und von Produkten aus diesem Werkstoff dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer des Bindemittels erst bei der Verarbeitung des Werkstoffs zu einem Bauteil in einer Form oder auch durch Frei-Formung aus einem bis dahin existierenden Monomer, das als organischer Rohstoff für das Bindemittel verwendet wird, entsteht und dass das Bindemittel seine endgültige Funktion erst in der Phase der Polymerisation übernimmt.
Organisches Bindemittel nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel ein rezyklierbares Thermoplast ist und dass es einen CO₂-Footprint nahe Null aufweist.
Organisches Bindemittel nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es als ein erwärmtes Monomer mit einer Viskosität unter 80 mPa × s eingesetzt wird, wie beispielsweise Caprolactam und dass das Monomer erst in der Form für das Produkt zu PA6 polymerisiert wird, wobei das Monomer zuvor verfahrenstechnisch dazu dient, schon in einer vorgeschalteten Prozessstufe zur vollständigen Benetzung der Füllkörper und der Verstärkungsfasern zu sorgen, welche sich in Form eines Haufwerks noch in einem Mischer befinden.
Werkstoff und Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle eines Monomers ein erwärmtes Polymer die Funktion des Bindemittels übernimmt und dass es bei dieser Temperatur eine Viskosität unter 80 mPa × s hat.
Organisches Bindemittel nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel, sei es ein Monomer oder ein Polymer aus pflanzlichen Produkten oder anderen erneuerbaren Rohstoffen hergestellt wird.
Caprolactam zur Herstellung des Werkstoffs und zur Durchführung des Verfahrens nach Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass es als Monomer in geschlossenen Behältnissen, bei Bedarf unter Schutzgas, bei einer Temperatur von mehr als 80°C in einem flüssigem Aggregatszustand gelagert und transportiert wird, um die Aufnahme von H₂O aus der Umgebung vor dem Abschluss der Polymerisation zu PA6 G auszuschließen.
Organisches Bindemittel nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel ein Duroplast, vorzugsweise ein Epoxyd-Harz, ein ungesättigtes Polyester-Harz oder ein Elastomer ist, dessen Viskosität durch den Einsatz von Verdünnungsmitteln vor der Verarbeitung herabgesetzt worden ist.
Organisches Bindemittel nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Polyurethan ist.
Werkstoff und Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllstoffe, die Verstärkungsfasern und gegebenenfalls auch die Form des Werkstücks auf eine Temperatur eingestellt werden, die so gewählt wird, dass unter Berücksichtigung der Exothermie der Polymerisation sich exakt die vorgegebene Temperatur des Gesamtsystems während der Dauer der Polymerisation einstellt.
Anorganische oder organische Füllstoffe nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass deren Korngroße in einem Spektrum von 1 Nanometer bis zu 63 mm liegt und deren Anteile so gestuft gewählt werden, dass fast eine mathematisch höchstmögliche Packungsdichte entsteht.
Zugabe von Nanoteichen als Komponente des Werkstoffs gemäß Anspruch 1 in einer Menge von bis zu 5% je Sorte, zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs, insbesondere zur Verhinderung der Ausbreitung von Mikrorissen und zur Verbesserung der Schwingungsdämpfung des Werkstoffs.
Bewehrung des Werkstoffs nach Ansprüchen 1 bis 7, gekennzeichnet durch „schlaffe” und/oder „vorgespannte” Stahlarmierungen, durch Stahlfasern oder ebensolche Armierungen aus anderem Material wie z. B. durch Verstärkungsfasern aus Mineral- und/oder Carbon-Fasern sowie aus Polymerfasern.