DE102022113440A1

DE102022113440A1 - Witterungsbeständiger, flammfester Kompositwerkstoff

Info

Publication number: DE102022113440A1
Application number: DE102022113440.7A
Authority: DE
Inventors: Bernd Reinhard; Carsten Becker-Willinger; Mirko Bukowski; Aibate Hatago Stuurmann; Leonoritha Roswitha Naomas; Ahmad Cheikhyoussef; Erold Naomab
Original assignee: Inm Leibniz Institut Fuer Neue Mat Gemeinnuetzige GmbH; Inm Leibniz Institut Fuer Neue Materialien Gemeinnuetzige GmbH
Current assignee: Inm Leibniz Institut Fuer Neue Mat Gemeinnuetzige GmbH; Inm Leibniz Institut Fuer Neue Materialien Gemeinnuetzige GmbH
Priority date: 2022-05-27
Filing date: 2022-05-27
Publication date: 2023-11-30
Also published as: WO2023227712A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kompositwerkstoffs, mit einem alkalischen Bindemittel aus Alkalisilikat-Wasserglas, einem organischen Gelbilder und SiO2-Partikeln und einem biologischen Trägermaterial. Der Kompositwerkstoff ist besonders stabil, flammfest und auch für den Außenbereich geeignet.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kompositwerkstoffs und einen hergestellten Kompositwerkstoff und seine Verwendung.
Stand der Technik
Holzspanwerkstoffe sind Kompositwerkstoffe, welche aus Holzspänen und einem Bindemittel unter Druck und Wärme hergestellt werden. Es gibt viele Variationen, insbesondere hinsichtlich Spanbeschaffenheit, Spanorientierung sowie zahlreiche Produktionsverfahren mittels unterschiedlicher Bindemittelsysteme, wodurch Holzspanwerkstoffe als kompakte Werkstoffe für einen breiten Anwendungsbereich und eine breite Produktpalette erzeugt werden können. Dabei kommen im Wesentlichen organische Bindemittel auf Basis von Phenol- und Aminoplastharzen sowie in neuerer Zeit auch solche auf Basis von Polyurethanharzen zum Einsatz. Nachteilig ist hierbei, dass die genannten Harze während des Gebrauchs der Spanplatten gesundheitsschädlichen Formaldehyd freisetzen können und dass sowohl die Holzspäne als auch die Bindemittel aufgrund ihrer organischen Natur brennbar sind. Um einen Einsatz derartiger Verbundwerkstoffe z.B. im Baubereich zu ermöglichen, werden anorganische Zusätze eingebracht, die eine flammhemmende Wirkung erzeugen. Hierzu zählen insbesondere z.B. Borate und Phosphate, aber auch Tannine, die im Brandfall zu höher kondensierten Produkten reagieren, welche wiederum die Oberfläche des Bauteils gegenüber weiterem Sauerstoffzutritt abschirmen. Zusätzliche Sauerstoff-Barrierewirkung wird beispielsweise durch Einbringung schichtförmiger silikatischer Füllstoffe, wie z.B. Vermiculit, erzielt. Bei besonders anspruchsvollen Brandschutzanforderungen reicht allerdings die mit derartigen Verbundwerkstoffen erzielbare Flammschutzwirkung nicht aus, um den entsprechenden Normen gerecht zu werden. Auch die Verwendung aufschäumbarer Matrizes mit thermisch isolierend wirkenden Schaumstrukturen im Brandfall (Intumeszenzmassen) unter Verwendung von Hydroxymethyl-Cellulose, Kombinationen aus Dicyandiamid und Borsäure sowie Ammoniumphosphathaltigen Schichten bringt keine zufriedenstellende Verbesserung der Situation. Zusätzlich bleibt insbesondere die Freisetzung von Formaldehyd aus dem Matrixmaterial trotz aller Bemühungen zur Verbesserung des Brandschutzes bei diesen Materialansätzen nach wie vor ein ungelöstes Problem.
Daneben finden anorganische, nicht brennbare Bindemittel Anwendung in der Technik. Bindemittel auf Basis von MgCl₂/MgO/Polyethylenimin oder auch mit Gips führen allerdings zu Platten mit geringer mechanischer Festigkeit. Weitere anorganische Bindephasen in span- oder faserhaltigen Platten sind Zemente, die allerdings auch ein hohes Gewicht aufweisen und nicht ohne weiteres spanend bearbeitet werden können. Daneben weisen Zemente als Bindemittel einen sehr schlechten Carbon-Footprint auf, da im Rahmen des Herstellungsprozesses sowohl bei der Temperaturerzeugung im Ofen (1400 °C) als auch durch thermische Abspaltung von CO₂ aus der CaCO₃-Vorstufe CO₂ freigesetzt wird.
Häufig werden auch noch wasserabweisende Stoffe, Fungizide oder Insektizide verwendet, um die Platten beständig gegen Witterung und weitere natürliche Einflüsse zu machen. So werden beispielsweise Stilbene, Chinone oder Pyranderivate zur Verbesserung der Termitenresistenz eingesetzt oder Thalliumchlorid Fluorkieselsäure, Kaliumarsenit als Kontaktinsektizide gegen Hausbocklarven.
Wasserglas-basierte Bindemittel wären eine Alternative hinsichtlich des erzielbaren Flammschutzes in Kombination mit Gewichtsersparnis und besserem Carbon-Footprint, haben aber wegen ihrer mangelnden Hydrolysebeständigkeit und hohen Sprödigkeit bislang für Holzspanwerkstoffe keine Bedeutung erlangt.
Nach DIN EN 312 werden Spanplatten in verschiedene Kategorien eingeteilt (P1: Spanplatten für allgemeine Zwecke; P2: Spanplatten für Inneneinrichtungen einschließlich Möbel zur Verwendung im Trockenbereich; P3: Spanplatten für nicht tragende Zwecke zur Verwendung im Feuchtbereich; P4: Spanplatten für tragende Zwecke im Trockenbereich; P5: Spanplatten für tragende Zwecke im Feuchtbereich; P6: hoch belastbare Spanplatten für tragende Zwecke im Trockenbereich; P7: hoch belastbare Spanplatten für tragende Zwecke im Feuchtbereich).
Um die Flexibilität und Handhabbarkeit von Wassergläsern generell zu verbessern, wurden diese in der Vergangenheit z.B. mit Hydrogelbildenden organischen Polymeren (z.B. Galactomannanen) versetzt.
Halliburton [ US3390723 ] offenbart ein Bindemittel aus Natrium-Wasserglas und Galactomannan, welches als Hilfsmittel zur insitu-Etablierung von Umleitungen für Flüssigkeitsströme in Gesteinsformationen eingesetzt wird. Der Einsatz für Holzspanwerkstoffe ist nicht beschrieben.
Der Industrieverband Brandschutz [ DE3439929A1 ] beschreibt eine lichtdurchlässige Brandschutzmasse für die Herstellung von Brandschutzbauelementen sowie für die Beschichtung von Bauteilen und Bauwerksteilen aus Natrium-Wasserglas, einem organischen Bindemittel (beispielsweise Galactomannan), das eine feste Konsistenz aufweist. Dafür wird das Wasserglas mit einer gelbildend reagierenden Säure (z.B. Zitronensäure, B(OH)₃, H₃PO₄) und Wasser zur Bildung eines Hydrogels und zusätzlich einem Konservierungsmittel (Cu -II- Salz) versetzt und mit dem organischen Bindemittel zu der lichtdurchlässigen Festkörperbrandschutzmasse verfestigt. Die gelbildend reagierende Säure führt zu einer Reaktionsbeschleunigung, die zwar zu der Transparenz des beanspruchten Reaktionsproduktes beiträgt, aber für die Herstellung von Holzspanwerkstoffen ungeeignet wäre.
Seamans [ US4212920A ] beschreibt eine Flammschutzzusammensetzung aus Natrium-Wasserglas, Gummi Arabicum und Epoxidharz oder Latex, aus der in Kombination mit Cellulose-Fasern ein plattenförmiges Produkt über das Pressform-Verfahren hergestellt werden kann. Der anteilige Zusatz von bis zu 20 % Epoxidharz oder Latex dient dabei der Verbesserung der Feuchtigkeitsresistenz der Bindemittelzusammensetzung.
Die Anmeldung [ WO2015010690A2 ] beschreibt eine flexible Brandschutzmasse enthaltend anorganische Gelbildner und Hydrogelbildende Biomakromoleküle (= Galactomannane). Die Verwendung der Galactomannane dient dabei der Erzielung einer Formstabilität und Transportmöglichkeit über die Bildung einer organischen Gerüststruktur, die auf die anorganischen Gelbildner stabilisierend wirkt. Die Brandschutzmasse wird über Gießen, Walzen oder Kalandrieren verarbeitet und findet Verwendung als Zwischenschicht zwischen zwei Glasscheiben. Eine besondere Feuchtigkeitsresistenz der Zusammensetzung ist hierbei nicht erforderlich, da die Glasscheiben am Rand versiegelt werden. Wegen der fehlenden Feuchtigkeitsresistenz kann die beschriebene Zusammensetzung nicht sinnvoll als Bindemittel für die Erzeugung von Holzspanwerkstoffen zum Einsatz im Baubereich eingesetzt werden, da die resultierenden Werkstücke nicht witterungsstabil wären.
Es besteht außerdem ein Bedarf an witterungsbeständigen, feuerfesten, formaldehydfreien Kompositwerkstoffen, insbesondere Holzspanwerkstoffen, welche mindestens anteilig aus lokalen Ressourcen gewonnen werden können und einen geringen CO₂-Fußabdruck aufweisen. Zusätzlich sollten die Kompositwerkstoffe auch resistent gegen Insekten wie Termiten sein.
Außerdem sollte die Herstellung auch mit einfachen Mitteln möglich sein.
Aufgabe
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines witterungsbeständigen, bevorzugt feuerfesten, Kompositwerkstoffs, sowie den Kompositwerkstoff und seine Verwendung bereit zu stellen.
Lösung
Diese Aufgabe wird durch die Erfindungen mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht. Die Erfindungen umfassen auch alle sinnvollen und insbesondere alle erwähnten Kombinationen von unabhängigen und/oder abhängigen Ansprüchen.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines Kompositwerkstoffs gelöst, umfassend folgende Schritte:

a) Bereitstellung einer alkalischen Zusammensetzung umfassend mindestens ein Alkalisilikat-Wasserglas, mindestens einen organischen Gelbildner;
b) Zugabe mindestens einer Art von SiO₂-Partikeln;
c) Zusammenbringen der Zusammensetzung mit mindestens einem biologischen Trägermaterial, wie Fasern, Späne oder Vliese aus biologischen Quellen;
d) Verdichtung des erhaltenen Komposits unter Druck und erhöhter Temperatur in einer Form;
e) Nach Entformung, Trocknung des Komposits unter Erhalt des Kompositwerkstoffs.

Im Folgenden werden einzelne Verfahrensschritte näher beschrieben. Die Schritte müssen nicht notwendigerweise in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden, und das zu schildernde Verfahren kann auch weitere, nicht genannte Schritte aufweisen.
Es wird eine alkalische Zusammensetzung umfassend mindestens ein Alkalisilikat-Wasserglas und mindestens einen organischen Gelbildner bereitgestellt.
Das Alkalisilikat-Wasserglas ist bevorzugt ein Natrium-, Kalium- und/oder Lithiumsilikat-Wasserglas, besonders bevorzugt ein Natrium- und/oder Kaliumsilikat-Wasserglas, besonders bevorzugt ein Kaliumsilikat-Wasserglas.
Das Wasserglas ist bevorzugt ein Wasserglas mit hoher Konzentration, hoher Viskosität und hohem Feststoffgehalt. Bevorzugt ist ein Wasserglas mit einem Feststoffgehalt von über 40 Gew.-%, bevorzugt 40 Gew.-% bis 70 Gew.-%, insbesondere 40 Gew.-% bis 60 Gew.-%.
Ein weiteres Merkmal von Wasserglas ist das molare Verhältnis von SiO₂ und Alkalioxid (M₂O) im Wasserglas. Dieses molare Verhältnis SiO₂:M₂O wird als Modul bezeichnet. Das Wasserglas weist bevorzugt ein molares SiO₂/M₂O-Verhälsnis (Modul) von 0,8 bis 4 auf. Das Wasserglas liegt in der Zusammensetzung gelöst vor. Bevorzugt ist das verwendete Wasserglas ein flüssiges Wasserglas.
Sofern notwendig wird der Zusammensetzung bevorzugt nur Wasser als Lösungsmittel zugegeben.
Die Zusammensetzung ist eine alkalische Zusammensetzung. Bevorzugt liegt ihr pH-Wert bei über 12, insbesondere bei über 13.
Bevorzugt umfasst die Zusammensetzung mindestens ein Alkalihydroxid, bevorzugt LiOH, KOH und/oder NaOH, bevorzugt KOH und/oder NaOH, besonders bevorzugt KOH. Bevorzugt weisen das Alkalihydroxid und das Alkalisilikat-Wasserglas das gleiche Alkalimetall auf, z. B. ein Kaliumsilikat-Wasserglas und KOH. Durch das Alkalihydroxid werden die SiO₂-Partikel, insbesondere der gemahlene Sand, aktiviert.
Die Zusammensetzung umfasst außerdem mindestens einen organischen Gelbildner. Bevorzugt ist der organische Gelbildner ein Polysaccharid, welches auch chemisch modifiziert sein kann.
Geeignete Polysaccharide sind bevorzugt basenstabil.
Bevorzugt ist der organische Gelbildner ausgewählt aus Xanthan, Gummi arabicum, Guaran, Galaktomannane oder Mischungen davon, wobei der Gelbildner chemisch modifiziert sein kann. Bevorzugt sind Galaktomannane. Das Verhältnis zwischen Galaktose und Mannose kann 1:1 bis 1:5 betragen, bevorzugt 1:2.
Beispiele für chemische Modifikationen sind Hydroxylethyl-, Hydroxypropyl-, Carboxyl-, Carboxylalkylether-Gruppen (z. B. Carboxymethylether) sowie Kombinationen verschiedener chemischer Modifikationen in einem Polysaccharid.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden zuerst das Alkaliwasserglas und Alkalihydroxid zusammengegeben, ehe der organische Gelbildner zugegeben wird.
Bevorzugt wird in der Zusammensetzung Wasser als Lösungsmittel verwendet. Dies kann zugegeben werden, um den Feststoffgehalt und/oder die Viskosität der Zusammensetzung einzustellen oder ist durch die Wasserglaslösung vorgegeben, so dass kein zusätzliches Lösungsmittel mehr zugegeben wird.
Bevorzugt wird die Zusammensetzung für mindestens 3 Stunden, bevorzugt mindestens 10 Stunden, besonders bevorzugt mindestens 20 Stunden gerührt. Bevorzugt sind 3 bis 96 Stunden, besonders bevorzugt 10 bis 96 Stunden, insbesondere 20 bis 48 Stunden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird bei einer Temperatur zwischen 10 und 40 °C gerührt, insbesondere 15 bis 25 °C. Dies ist bevorzugt die Umgebungstemperatur.
Bevorzugt wird in einem geschlossenen Gefäß gerührt.
Die erhaltene Zusammensetzung (Vorstufenzusammensetzung) ist lagerfähig und kann bis zur weiteren Verarbeitung gelagert werden. Während der Lagerung kann es zur Quellung des Gelbildners kommen. Die Zusammensetzung bleibt aber aktivierbar und zur Verarbeitung geeignet. Bevorzugt ist die Zusammensetzung mindestens 6 Monate, insbesondere mindestens 1 Jahr lagerfähig.
Zu der Zusammensetzung wird mindestens eine Art von SiO₂-Partikeln gegeben. Bevorzugt handelt es sich um SiO₂-Partikel, welche als Hauptbestandteil Partikel im Mikrometerbereich umfassen.
Bevorzugt sind SiO₂-Partikel mit einer mittleren Partikelgröße von 0,05 µm bis 70 µm, bevorzugt 0,2 µm bis 30 µm.
Bevorzugt handelt es sich um Partikel mit einer Partikelverteilung von d₉₀ von unter 30 µm. Bevorzugt handelt es sich um Partikel mit einer Partikelverteilung von d₉₀ von unter 30 µm und d₁₀ unter 6 µm. Besonders bevorzugt sind Partikel mit einer Partikelverteilung von d₉₀ zwischen 2 µm und 30 µm und d₁₀ von zwischen 0,1 und 6 µm, insbesondere Partikel mit einer Partikelverteilung von d₉₀ von zwischen 10 µm und 30 µm und d₁₀ von zwischen 0,2 bis 2 µm. Besonders bevorzugt Partikel mit einer d₉₀ von zwischen 2 µm und 30 µm, d₅₀ von zwischen 1 bis 8 µm und d₁₀ von zwischen 0,1 bis 6 µm, bevorzugt mit einer Partikelverteilung von d₉₀ von zwischen 10 µm und 30 µm, d₅₀ von zwischen 2 und 5 µm und d₁₀ von zwischen 0,2 bis 2 µm.
Die Verteilungen werden als Pulver und als wässrige Dispersion durch Laserbeugung bestimmt, bevorzugt ist Bestimmung in wässriger Dispersion.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfassen die Partikel gemahlenen Sand, bevorzugt sind sie gemahlener Sand, welcher bevorzugt bis zur der vorstehenden Partikelverteilung vermahlen wurde.
Die spezifische Oberfläche der Partikel liegt bevorzugt bei 1 bis 5 m²/g, insbesondere 1,5 bis 3,5 m²/g (mittels BET bestimmt) .
Der Gehalt an SiO₂ liegt bevorzugt bei über 90 Gew.-%, insbesondere über 95 Gew.-%, ganz besonders über 99 Gew.-% (ermittelt über ICP-OES (nach Mikrowellenaufschluss, Horiba Jobin Yvon Ultima2, Aufschluss in 1 ml 65 %iger HNO₃, 3ml 35 %iger HCL, 1 ml 50 %iger HF und 2 ml Reinstwasser. Das Hydrolysat wird mittels ICP-OES im Mineraliengehalt analysiert. Die quantitative Erfassung erfolgt mittels Standardeichgeraden)).
Die erhaltene Zusammensetzung wird bevorzugt unter Rühren homogenisiert.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird alternativ oder zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen Partikeln pyrogenes Silica zugegeben. Dies kann eine kleinere Partikelverteilung aufweisen. So kann das pyrogene Silica Partikel mit einer Größe von unter 1 µm umfassen. Beispiele für pyrogenes Silica ist beispielsweise ein Aerosil mit einem Partikeldurchmesser von 200-300 nm. Durch das pyrogene Silica kann die Trocknungszeit bis zum Erreichen der vollständigen Wasserbeständigkeit verkürzt werden. Allerdings reduziert sich meistens auch die Topfzeit der aktivierten Zusammensetzung.
Es ist auch möglich, aber nicht bevorzugt, weitere anorganische Stoffe zuzugeben, beispielsweise bis zu 10 Gew.-%. Bevorzugt sind anorganische Stoffe mit einem Anteil an SiO₂ von über 50 Gew.-%. Beispiele wären dafür Quarz, Schichtsilikate wie Glimmer, Wollastonit. Weitere Beispiele zeigt Tabelle 1.
Die erhaltene aktivierte Zusammensetzung wird bevorzugt zu einer Paste verarbeitet. Die Viskosität kann zur Zugabe von Lösungsmittel entsprechend der gewünschten Verarbeitung angepasst werden.
Die Zusammensetzung hat bevorzugt eine Topfzeit von bis zu 48 Stunden. Die Topfzeit kann insbesondere durch die Größenverteilung der SiO₂-Partikel angepasst werden. Bei unter 10 °C oder Lagerung in einem geschlossenen Gefäß kann die Topfzeit auf bis zu 8 Tage verlängert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform liegt das Gewichtsverhältnis zwischen Alkaliwasserglas und SiO₂-Partikel bei 30:70 bis 70:30, bevorzugt 40:60 bis 60:40.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die aktivierte Zusammensetzung 35 bis 60 Gew.-% Alkaliwasserglas, 1,5 bis 5 Gew.-% mindestens ein Alkalihydroxid, 0,3 bis 2,5 Gew.-% mindestens ein Gelbildner, 30 bis 60 Gew.-% mindestens eine Art SiO₂-Partikel. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die aktivierte Zusammensetzung 40 bis 55 Gew.-% Alkaliwasserglas, 1,5 bis 5 Gew.-% mindestens ein Alkalihydroxid, 0,3 bis 1,1 Gew.-% mindestens ein Gelbildner, 30 bis 55 Gew.-% mindestens eine Art SiO₂-Partikel.
Ein Beispiel für eine Zusammensetzung wäre beispielsweise 49,3 Gew.-% Alkaliwasserglas, 4 Gew.-% mindestens ein Alkalihydroxid, 0,8 Gew.-% Gelbildner und 45,9 Gew.-% gemahlener Sand.
Bevorzugt beziehen sich die Gew.-% auf die Einwaage des Alkalihydroxids. Bevorzugt ist es Alkalihydroxid mit mindestens 75 Gew.-% Anteil an Alkalihydroxid, insbesondere mindestens 80 Gew.-%, ganz besonders mindestens 85 Gew.-%, bezogen auf die Einwaage. So ist beispielsweises Kaliumhydroxid üblicherweise als Feststoff mit einem KOH-Anteil von 85 Gew.-% und 15 Gew.-% Wasser erhältlich. Bei der Berechnung des M₂O, bzw. K₂O-Anteils wird nur das MOH, bzw. KOH berücksichtigt.
Überraschenderweise wurde gefunden, dass sich durch das alkalische Milieu des Bindemittels in Kombination mit dem SiO₂-Partikeln und dem Wasserglas ein besonders stabiles Bindemittel ausbildet. Es wird angenommen, dass insbesondere µ-skalige SiO₂-Partikel wie gemahlener Sand als Reaktivfüller fungiert, da im alkalischen Milieu die Oberfläche der Partikel angelöst und oberflächlich teilweise in Alkalisilikate überführt wird. Dabei bleibt ihr Füllstoffcharakter erhalten, insbesondere bei einer multimodalen und/oder breiten Größenverteilung, so dass nach der Kompaktierung und Härtung eine dichteste Packung der angelösten Partikel resultiert. Die Härtung wird besonders durch die Anhebung des SiO₂/M₂O-Moduls des Bindemittels, insbesondere auf Werte über 8, insbesondere über 9, und dem zusätzlichen SiO₂-Eintrag durch die Partikel unterstützt. Durch die gute Verbindung können Kompositwerkstoffe, insbesondere Holzwerkstoffe mit sehr guten mechanischen und wasserresistenten, bzw. witterungsresistenten, Eigenschaften erhalten werden.
Die Vorstufenzusammensetzung und die aktivierte Zusammensetzung enthalten bevorzugt keine weiteren Vernetzungsmittel wie Borsäure oder refraktäre Komponenten wie Aluminiumsalze. Bevorzugt werden keine weiteren Lösungsmittel außer Wasser hinzugefügt. Desweiteren umfassen die Vorstufenzusammensetzung und die Zusammensetzung außer dem Gelbildner keine Polyole, wie Glykol, Glycerin oder Polyethylenglykoldiglycidylether. Es werden daher bevorzugt keine solchen organischen Vernetzer für Polysaccharidgel verwendet.
Die aktivierte Zusammensetzung weist bevorzugt einen SiO₂/M₂O-Modul von über 8, insbesondere von über 9 auf. Bevorzugt ist ein SiO₂/K₂O-Modul von 8 bis 16, bevorzugt 9 bis 14, ganz besonders 9 bis 10 auf.
Bevorzugt umfasst die Zusammensetzung keine weiteren Hydroxide, insbesondere Erdalkalihydroxide wie Ca(OH)₂.
Die Zusammensetzung umfasst bevorzugt keine Organosilane oder modifizierte kolloidale Nanopartikel.
Die aktivierte Zusammensetzung kann optional bis zu 2 Gew.-%, insbesondere bis zu 1 Gew.-% Additive enthalten, welche insbesondere die Verarbeitung erleichtern, beispielsweise Thixotropieradditive bei Verdünnung, wenn die Zusammensetzung aufgesprüht werden soll. Ein Beispiel für ein solches Additiv ist mikrofibrillierte Cellulose (MFC).
Die aktivierte Zusammensetzung wird mit biologischen Trägermaterial, wie Fasern, Späne oder Vliese aus biologischen Quellen, zusammengebracht, bzw. kontaktiert. Dies kann durch Imprägnierung, Tränken, Beschichten, Sprühbeschichten oder andere Auftragsverfahren geschehen. Es können auch mehrere Lagen an Holzfasern und/oder Holzspänen, sowie aktivierte Zusammensetzungen aufgebracht werden.
Das biologische Trägermaterial wird bevorzugt aus einem nachwachsenden Rohstoff gewonnen.
Die biologischen Trägermaterialien, wie Fasern, Späne oder Vliese aus biologischen Quellen, können aus allen für Kompositwerkstoffen geeigneten Pflanzen oder Hölzern gewonnen werden.
Der biologische Füllstoff wird bevorzugt gewonnen aus Reishülsen, Reisspelzen, Schilf, Sisal, Hanf, Baumwolle, Kenaf, Bambus, Flachs, Palme wie Nipal oder Kokos, Hölzer und/oder Zuckerrohr.
Beispiele für Hölzer sind Nadelhölzer wie Kiefer, Fichte, Tanne; Linde, Birke, Pinie, Walnuss, Eiche, Akazie oder ähnliches.
Besonders bevorzugt sind lokale Quellen, welche auch im Hinblick auf den CO₂-Fußabdruck zu bevorzugen sind.
Das Trägermaterial, insbesondere Holz, muss nicht getrocknet werden.
Das Trägermaterial liegt bevorzugt als Späne oder Vlies vor.
Bevorzugt weist das biologische Trägermaterial einen Anteil an SiO₂ mit > 1 Gew.%, insbesondere > 2 Gew.-% auf, welcher die Anbindung der aktivierten Zusammensetzung an das Trägermaterial unterstützt. Dies ist beispielsweise bei Akazie oder Reisstroh der Fall, welche einen Gehalt von über 5 Gew.-% aufweisen.
Die Holzfasern und/oder Holzspäne werden bevorzugt durch Zerspanung oder Hammer-Mahlen von Massivholz oder Holzabfällen aus der Sägeindustrie hergestellt. Für die Herstellung von Spanplatten wird das Material üblicherweise gesiebt, wobei eine Siebfraktion entsprechend der Maschenweite charakterisiert wird.
Dem Fachmann bei der Herstellung von Spanplatten ist bekannt, dass durch Wahl der Größenverteilung die Eigenschaften und das Aussehen des Kompositwerkstoffs beeinflusst werden können. Es können auch verschiedene Schichten mit Fasern und/oder Spänen unterschiedlicher Größe aufgetragen werden, beispielsweise um feinere Deckschichten zu erhalten.
Bevorzugt handelt es sich um Fasern und/oder Späne, insbesondere Holzfasern und/oder Holzspäne, mindestens einer Siebfraktion mit einem Bereich ausgewählt aus einem Bereich zwischen 0,5 mm und 10 mm. Bevorzugt eine Siebfraktion mit einem Bereich von > 1,4 mm bis 4 mm. Für feinere Schichten, wie Deckschichten kann beispielsweise die Siebfraktion 1 mm bis 2 mm, oder 1 mm bis 1,4 mm verwendet werden.
Das Zusammenbringen findet bevorzugt in einer entsprechenden Form statt, welche der Form des zu erhaltenen Kompositwerkstoffs entspricht.
Das Verhältnis zwischen Zusammensetzung (Bindemittel) und dem biologischen Trägermaterial kann entsprechend des zu erhaltenen Kompositwerkstoffs gewählt werden. Es können auch innerhalb eines Komposits unterschiedliche biologische Trägermaterialien, z.B. unterschiedliche Siebfraktionen, verwendet werden, um beispielsweise eine andere Oberflächenstruktur zu erhalten.
Das Verhältnis zwischen Feststoff in der Zusammensetzung zu dem biologischen Trägermaterial kann frei gewählt werden. Es kann abhängig vom herzustellenden Werkstoff gewählt werden. Es kann auch von der Oberfläche und/oder Dichte des Trägermaterials und/oder der SiO₂-Partikel abhängen. Bei hoher Dichte wird weniger Bindemittel benötigt. Auch wird bei großer Oberfläche des biologischen Trägermaterials mehr Bindemittel zur Benetzung benötigt. Es wird bevorzugt mindestens so viel Bindemittel verwendet, wie zur Benetzung der Oberfläche des biologischen Trägermaterials benötigt wird.
Das Verhältnis kann daher aus einem breiten Bereich gewählt werden. Bevorzugt ist ein Verhältnis von Masse an Feststoff im Bindemittel zu Trägermaterial nach Gewicht von 1:10 bis 10:1, bevorzugt 1:5 bis 5:1, besonders bevorzugt 20:80 bis 80:16. Durch den Bezug auf die Masse entsprechen die Verhältnisse im Prinzip den Verhältnissen von Bindemittel und Trägermaterial in dem Kompositwerkstoff.
Bevorzugt ist ein Gewichtsverhältnis von 0,5:1 bis 5:1.
Bevorzugt ist beispielsweise ein Verhältnis von 1:1 bis 4:1, insbesondere 2,89:1 bis 3,29:1 bezogen auf die Masse an Feststoff im Bindemittel zu dem biologischen Trägermaterial für Kompaktplatten.
Bevorzugt ist beispielsweise ein Verhältnis von 0,3:1 bis 1:1, insbesondere 0,4:1 bis 1:1 bezogen auf die Masse an Feststoff im Bindemittel zu dem biologischen Trägermaterial für Leichtbauplatten.
Abhängig vom biologischen Trägermaterial kann es vorteilhaft sein, den erhaltenen Komposit vor der Verdichtung bis zu 200 Stunden, bevorzugt bis zu 180 Stunden, insbesondere bis zu 150 Stunden reifen zu lassen. Dies kann unter Ruhen oder unter Rühren geschehen. Dadurch können sich die Materialien besser miteinander verbinden.
Der erhaltene Komposit wird unter Druck und erhöhter Temperatur in einer Form verdichtet. Es kann die Form sein, in welcher der Komposit im vorherigen Schritt zusammengefügt wurde.
Bevorzugt ist dabei eine Temperatur zwischen 60 und 100 °C, besonders bevorzugt 80 °C bis 90 °C.
Das Komposit wird bis zur ausreichenden Festigkeit verdichtet. Dies ist beispielsweise nach mindestens 4 Stunden, insbesondere nach 5 bis 30 Stunden, der Fall.
Die notwendige Dauer und Temperatur kann für den jeweiligen Anwendungsfall gewählt werden. Auch verkürzt eine höhere Temperatur in der Regel die Dauer der Verdichtung.
Der verwendete Druck kann entsprechend angepasst werden. Normalerweise liegt der Druck zwischen 15 bis 50 bar.
Es kann vorteilhaft sein, aktivierte Mischungen zu verwenden, welche mindestens 48 Stunden gelagert wurden. Durch die zugenommene Viskosität verringert sich die Menge an ausgepresstem Bindemittel.
Das erhaltene Komposit wird entformt und unter Erhalt des Kompositwerkstoffs getrocknet, bevorzugt unter Einwirkung einer CO₂-Quelle.
Bevorzugt sind dies Bedingungen unter welcher eine Carbonatisierung des Kompositwerkstoffs erfolgt. Durch die Aufnahme von CO₂ kommt es zu einer weiteren Härtung des Kompositwerkstoffes. Bevorzugt ist eine Carbonatisierung innerhalb von unter 240 Stunden, insbesondere unter 120 Stunden, ganz besonders unter 48 Stunden.
Üblicherweise sind dies Bedingungen mit im Vergleich zur Atmosphäre erhöhten CO₂-Gehalt.
Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Proben in Glycerincarbonat- oder Propylencarbonat-Lösungen eingelagert werden. Im alkalischen Milieu setzen diese Verbindungen CO₂ frei, welches das überschüssige Hydroxid, beispielsweise KOH, in dem Kompositwerkstoff bindet. Dies kann auch bei erhöhten Temperaturen erfolgen. Danach können die Proben gewaschen und getrocknet werden.
Alternativ können die Kompositwerkstoffe auch in einer Klimakammer zusammen mit Trockeneis gelagert werden, beispielsweise 20 °C bei 65 % rel. Feuchte.
Eine Carbonatisierung ist auch durch Lagerung an natürlicher Atmosphäre möglich. Bevorzugt ist eine Lagerung für mindestens 30 Tage, bevorzugt mindestens 50 Tage. Bevorzugt ist dabei eine Lagerung bei Umgebungstemperatur, insbesondere Raumtemperatur von 20 bis 30 °C.
Das Trocknen kann bei erhöhter Temperatur, beispielsweise 60 °C bis 100 °C, insbesondere 70 °C bis 90 °C, erfolgen.
Es ist auch möglich, den Kompositwerkstoff mit weiteren Schichten, wie Dekorschichten, Lackschichten, Furnieren, zu versehen.
Der erhaltene erfindungsgemäße Kompositwerkstoff weist viele vorteilhafte Eigenschaften auf.
Das verwendete Bindemittel auf Wasserglasbasis härtet rissfrei aus. Die Vorstufenzusammensetzung kann bis zum Einsatz gut gelagert werden. Dies vereinfacht die Handhabung und den Transport. Die Topfzeit der aktivierten Zusammensetzung kann kontrolliert werden.
Der CO₂-Fußabdruck ist bis zu vierfach geringer als für Zement.
Trotz der Verwendung von Wasserglas wird hohe Witterungs- und Hydrolysestabilität erreicht.
Durch die Verwendung von Wasserglas ist der Kompositwerkstoff intrinsisch flammfest.
Der Kompositwerkstoff ist für die höchsten mechanischen Anforderungen für Holzwerkstoffe, insbesondere Holzspanplatten, im Baubereich (innen und außen) geeignet.
Auch weist er eine besondere Resistenz gegenüber Termiten auf.
Da als Holzquelle oder Quelle des biologischen Trägermaterials lokale Ressourcen verwendet werden können, ist der Kompositwerkstoff vielseitig lokal herstellbar. Auch die SiO₂-Partikel können aus lokalen Sandquellen gewonnen werden. Dadurch kann auf einfache Weise eine lokale Produktion der Holzwerkstoffe erreicht werden.
Der Kompositwerkstoff ist frei von Formaldehyd. Bevorzugt werden auch keine Zementzuschläge wie Ca(OH)₂ verwendet.
Bei der Trocknung wird sogar noch CO₂ aufgenommen.
Die Erfindung betrifft daher auch ein nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellten Kompositwerkstoff.
Der Kompositwerkstoff kann viele Arten von Formen aufweisen.
Er eignet sich beispielsweise für Spanplatten, Möbel, Türen, Stühle, Tische, Inneneinrichtung, Arbeitsplatten, Schränke, Sideboards, Bodenplatten, Terrassenbohlen, Wandelemente, Deckenelemente oder Dachelemente.
Bevorzugt umfasst der Kompositwerkstoff Holzfasern und/oder Holzspäne aus Akazien.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorstufenzusammensetzung erhalten nach Schritt a) des vorstehenden Verfahrens.
Die Erfindung betrifft außerdem die Verwendung der Vorstufenzusammensetzung zur Herstellung eines Kompositwerkstoffs.
Weitere Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich allein oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Möglichkeiten, die Aufgabe zu lösen, sind nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt.
Die Ausführungsbeispiele sind in den Figuren schematisch dargestellt. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente. Im Einzelnen zeigt:

1 Abhängigkeit der mechanischen Eigenschaften von dem Bindemittel/Fasergewichtsverhältnis;
2 Abhängigkeit des E-Moduls und der 3-Punktbiegefestigkeit vom Alter der Bindemittel/Fasermischung.

Herstellung des Bindemittels:
Beispiel 1a: Vorstufenzusammensetzung (Vorstufe NMC4 210913)
In 161,73 g Kaliumwasserglas van Baerle (SiO₂/K₂O-Modul: 2,93 : 1; Dichte 1,42 g/ml, Viskosität 40-50 mPas, ca. 41,3 Gew.% Feststoff) werden 13,15 g Kaliumhydroxid (85 Gew.%) unter Rühren aufgelöst. Nach Abkühlung der Lösung auf Raumtemperatur werden dieser unter starkem Rühren in kleinen Portionen 2,63 g Guar (Galactomannan mit Galactose/Mannose -Verhältnis 1:2) zugesetzt. Nach vollständiger Zugabe des Guars zeigt die Lösung eine leicht erhöhte Viskosität. Zum weiteren Quellen des Guars wird der Ansatz mindestens weitere 24 h mit niedriger Drehzahl bei Raumtemperatur gerührt. In dieser Form ist die Bindemittelvorstufe unbegrenzt lagerfähig.
Beispiel 1b: Aktivierung (NMC4 210913)
In 177,51 g hochviskoser Bindemittelvorstufe werden zuerst 142,93 g gemahlener Sand (Größenverteilung: z.B. d(10)= 0,547 µm; d(50)= 3,793 pm; d(90)= 19,642 µm und einer spezifischen Oberfläche von ca. 4,01 m²/g) mit einer Dissolverscheibe homogen verteilt. Im Anschluss werden noch 7,6 g pyrogenes Silica (silica fumed: Primärteilchenverteilung ca. 200 - 300 nm) in kleinen Portionen homogen eingerührt. Es resultieren 328,04 g einer milchig-weißen Bindemittelpaste (Feststoffgehalt: ca. 58,35%). Die Topfzeit des aktivierten Bindemittels beträgt ca. 12 Stunden.
Die Größenverteilung wird durch Laserbeugung bestimmten. Dazu wurde der Mastersizer 2000 der Fa. Malvern Panalytics verwendet. Es wurde die Partikelgröße mittels Laserbeugung sowohl für Nass- als auch für Trockendispergierung bestimmt. Für eine automatisierte Trockendispergierung wurde eine Scirocco 2000-Einheit verwendet. Für die Nassdispergierung wurde die automatisierte Nassdispergiereinheit Hydro 2000 S verwendet. Während die Trockendispergierung die Feinanteile bis ca. 200 nm detektierte, lieferte das Nassverfahren Feinanteile ab 350 nm dagegen, aber eine bessere Reproduzierbarkeit über 3 Messungen/Probe. Die Größenverteilungen für das Trockenverfahren ergaben Werte von 0,547 µm (d10), von 3,793 µm (d50) sowie 19,642 µm (d90). Nach dem Nassverfahren ermittelte Werte betrugen 0,951 µm (d10), 3,722 (d50) und 19,982 (d90). Die wässrige Dispergierung liefert homogenere Daten, wobei die Dispergierung der sub-p-großen Partikel offenbar aufgrund von Agglomeratbildung in der wässrigen Lösung einen Unterbefund liefert. Die bevorzugten Werte beziehen sich auf Nassverfahren.
In Tabelle 2 sind verschiedene Bindemittelzusammensetzungen aufgeführt. Betol steht für ein weiteres Wasserglas. Wöllner: Betol K57M: Modul ca. 1:1; Dichte 1,65 g/ml Feststoff: ca. 52%; Viskosität ca. 60 mPas. MFC wird als Thixotropieradditiv bei Verdünnung eingesetzt. Bei KOH bezieht sich die Einwaage auf KOH mit 85 Gew.-% KOH-Anteil.
Beispiel 1c: Herstellung einer Holzspan-basierten Kompositplatte
328,04 g Bindemittelpaste (NMC4 210913) werden mit 160 g Akazienspänen (Fraktion > 1,4 mm - < 4 mm) intensiv durchmischt. Nach ca. 30 Minuten wird die Mischung in eine Pressform, welche mit einer Antihaftbeschichtung versehen ist, homogen eingefüllt. Die Pressform erlaubt die Herstellung einer Platte der Dimension 20×20×1 cm³. Zur Vergütung der Oberfläche kann zusätzlich ein Bindemittel-Spangemenge mit einer feineren Siebfraktion der gehäckselten Biomasse aufgetragen werden. Eine beispielhafte Zusammensetzung sieht folgendermaßen aus: 72 g aktivierte Bindemittelpaste werden mit 24,4 g einer Spanfraktion von 1 -1,4 mm und 12 g einer Spanfraktion von 500 µm bis 1 mm homogen vermengt und homogen auf einer Oberfläche der zuvor in die Pressform eingefüllten grobkörnigeren Span-Bindemittel-Gemenge aufgetragen. In einer Heißpresse wird das Bindemittel-Span-Gemenge verdichtet und bei einer Temperatur von 80°C über 20 Stunden unter Vakuum ausgehärtet. Die entformten Platten werden im Anschluss im Trockenschrank bei 70 bis 90°C bis zur Gewichtskonstanz gelagert. Das Verhältnis Bindemittelfeststoff zu Gewicht Akazienspäne beträgt 1,2 : 1.
Die Carbonatisierung wird nach der Gewichtskonstanz der Kompositplatten vorgenommen:

a) in der Klimakammer bei 20°C und 65% rel. Feuchte für 3 Tage unter Begasung von CO₂ mittels Trockeneis. Das Trockeneis wird dazu nach 8h, 24h, 32h, 48h, 56h erneuert. Für die 8-stündige Periode werden 5 g Trockeneis eingelagert und für die 16-stündige entsprechend 10 g.
b) Eintauchen in Propylencarbonat (CO₂-Quelle) und Lagerung im Trockenschrank bei 80°C für 24 h. Danach werden die Kompositplatten zweimal für ca. 10 sec bei Raumtemperatur in demineralisiertes Wasser eingelagert. Die Trocknung erfolgt bei 80°C im Trockenschrank über Nacht.
c) alternativ zu Propylencarbonat aus Beispiel b) wird Glycerincarbonat (CO₂-Quelle) verwendet.

1 zeigt die Abhängigkeit der mechanischen Eigenschaften von dem Bindemittel/Fasergewichtsverhältnis (Bindemittel hier der Feststoff von Bindemittelvariante NMC4 210121, Alter der Vorstufe = 1d (= 1 Tag alt)). Danach wurde die Vorstufe mit gemahlenem Sand aktiviert und die Akazienfasern eingearbeitet. Nach 2 Stunden wurde die Formgebung in der Heißpresse bei 80°C für 20h und 25 bar Pressdruck durchgeführt. Nach Entformung wurde für 24h im Trockenschrank bei 80 °C nachgehärtet. Die Ermittlung der Biege- und Querzugsfestigkeiten erfolgt nach einer 50-55 tägigen natürlichen Alterung.
Beispiel 2a: NMC4 210121
In 323,46 g Kaliumwasserglas van Baerle (SiO₂/K₂O-Modul: 2,93 : 1; Dichte 1,42 g/ml, Viskosität 40-50 mPas, ca. 41,3 Gew.% Feststoff) werden 26,3 g Kaliumhydroxid (85 Gew.-%) unter Rühren aufgelöst. Nach Abkühlung der Lösung auf Raumtemperatur werden dieser unter starkem Rühren in kleinen Portionen 5,26 g Guar (Galactomannan mit Galactose/Mannose -Verhältnis 1:2) zugesetzt. Nach vollständiger Zugabe des Guars zeigt die Lösung eine leicht erhöhte Viskosität. Zum weiteren Quellen des Guars wird der Ansatz mindestens weitere 24 h mit niedriger Drehzahl bei Raumtemperatur gerührt. In dieser Form ist die Bindemittelvorstufe unbegrenzt lagerfähig.
In 355,02 g hochviskoser Bindemittelvorstufe werden 301,06 g gemahlener Sand mit einer Dissolverscheibe homogen eingerührt. Es resultieren 656,08 g einer cremefarbenen Bindemittelpaste (NMC4 210121) (Feststoffgehalt: ca. 58,35%).
Beispiel 2b:
140,6 g Akazienfasern werden homogen mit 656,08 g Bindemittel (NMC4 210121) vermengt. Die resultierende Bindemittel/Faser-Mischung wird nach 2-stündiger Ruhezeit in eine Pressform (Kavität: 200×200×20 mm³) gefüllt und mittels einer Heißpresse bei 80°C und einem Pressdruck von 25 bar zu einer 1 cm starken Platte verdichtet und über 20 h bei diesen Bedingungen vorgehärtet. Die Endhärtung erfolgt bei 80°C im Trockenschrank für 24 h.
Beispiel 3: Hanfvlies-Komposit:
98,2 g Kaliwasserglas (van Baerle) werden mit 8,6 g KOH unter Rühren und Eisbadkühlung versetzt. Im Anschluss werden 1,6 g carboxymethyliertes Guar (Fa. Ranie Chemie Produktions- und Vertriebs-GmbH: RAGUM AD-Type) in kleinen Portionen zum Ansatz gegeben. Nach vollständiger Zugabe wird das Eisbad entfernt und der Ansatz über Nacht bei Raumtemperatur gerührt.
Nach ca. 20h werden zu der Vorstufe zur Aktivierung 89,2 g Kieselsol (Levasil 50/50) und im Anschluss 36,6 g gemahlener Sandunter Rühren zugemischt. Es resultieren 234,2 g aktivierte Zusammensetzung (NMC4 Basis) mit einem SiO₂/K₂O-Modul von 12,31 und einem Feststoffgehalt von ca. 46,4%. Das Bindemittel wird nun in ein Hanfvlies (Flächengewicht 1000 g/m²) mit einem Gewicht von 21,6 g von Hand eingewalkt. Zur homogenen Verteilung des Bindemittels in dem schwammartig saugenden Hanfvlies ist ein entsprechender Überschuss an Bindemittel notwendig. Das zuvor präparierte Bindemittel wird vollständig verwendet.
Das Binder-getränkte Vlies wird nun in einem auf 40°C vorgeheizten Ofen für 1 h vorkonditioniert. Im Anschluss wird das Vlies in einer Heißpresse bei 85°C vorgehärtet. Dabei wird der Überschuss an Bindemittel ausgepresst. Um ein gleichmäßiges Abdampfen des Restwassers zu erreichen, wird das vorgehärtete Vlies zwischen Lochblechen nochmals für 16 h in der Heißpresse bei 80°C unter Vakuum endgehärtet.
Das gehärtete Hanfkomposit wiegt 92,65 g. Dies entspricht einem Bindemittel-Hanfvlies-Verhältnis 3,29 Gewichtsanteilen ausgehärtetem Bindemittel zu einem Gewichtsanteil Hanfvlies.
Beispiel 4:Leichtbauplatte
Sprühapplikation des Bindemittels auf die Faser und anschließende Kompositherstellung:

238 g Fasern werden fein verteilt in einer Wanne und in dünner Lage mit dem Bindemittel NMC4-MFC (Tabelle 2) mit einer Sprühpistole (SATAjet) mit einem Sprühdruck von 1,0 bar benetzt. Nachdem die Fasern eine gleichmäßige feine Benetzung aufweisen, wird die Faserlage um 180° gewendet und erneut bis zum deutlichen Erkennen der Benetzung mit Bindemittel besprüht.

Das Gesamtgewicht der benetzten Fasern beträgt 442,6 g. 220,4 g werden in einem separaten Behältnis verschlossen.
Die restlichen 222,22 g werden wiederum in der Wanne fein verteilt und ein weiteres Mal von beiden Seiten mit Bindemittel besprüht. Das Nassgewicht beträgt im Anschluss 276,8 g. Auch diese Binder-Faser-Mischung wird in einem separaten Gefäß verschlossen bis zur Weiterverarbeitung gelagert.
Zur Herstellung von Kompositplatten werden die beiden Faser-Bindermischungen jeweils in einer mit Backpapier ausgekleideten Pressform (20×20× ca.2cm³) eingefüllt und in einer Heißpresse auf eine Schichtdicke von 1 cm bei einem Pressdruck von 30 bar verdichtet und im Anschluss bei 85°C vorgehärtet. Nach 1,5 h wird das Komposit entformt und im Trockenschrank - eingelegt in ein Härtungsgestell für 40 h bei 85°C - nachgehärtet. Es resultieren Platten mit einem Gesamtgewicht von 169,29 g für Platte 1 und 204,59 g für Platte 2.
Die Carbonatisierung erfolgte durch Lagerung an Luft und durch Aufnahme von CO₂ aus der Luft.
Das Gewichtsverhältnis Faser zu Binder (gehärtet) beträgt bei:

Platte 1: ca. 2,33 F zu 1 B
Platte 2: ca. 1,4 F zu 1 B

Die Platten wurden durch folgende Verfahren untersucht:

Biegeversuche: (EN 310, Klassifizierung EN 312), E-Modul, Maximalspannung
Querzugfestigkeit: (EN 319, Klassifizierung EN 312)
Trocken und nach Kochtest EN 1087-1 (90 min 25°C -> 100°C, 120 min @ 100°C)
Wassereinlagerung: (EN 317: Dickenquellung, EN 321: Feuchtebeständigkeit durch Zyklustest, EN 1087-1: Kochprüfung)

Abhängig vom Probenkörper konnte im Biegetest ein Elastizitätsmodul von 2,2 GPa (Klassifikation P2 nach EN 312) bis 4,4 GPa (P7) erreichen werden. Die Biegefestigkeit lag bei 11 MPa (P1) bis 20 MPa (P6).
Im Querzugversuch nach EN 319 konnte eine Festigkeit von 1,2 MPa bis 3,6 MPa (P7) erreicht werden. Auch nach einem Kochtest in Wasser (90 Min. 25 °C → 100 °C; 120 Min. 100 °C) wurde noch eine Festigkeit von 0,15 MPa bis 0,35 MPa gemessen.
Proben wurden außerdem für 24 Stunden bei 20 °C in Wasser gelagert. Platten aus dem erfindungsgemäßen Kompositwerkstoff mit Akazienspänen wiesen nur eine Gewichtszunahme von 0 bis 4 % und eine Zunahme der Dicke von 0 bis 3 % auf.
Durch die Verwendung von Wasserglas und SiO₂-Partikeln weist der Kompositwerkstoff eine gute Feuerfestigkeit auf. Bei hohen Temperaturen bildet sich ein Glasschaum, welcher thermisch isoliert und ein Brennen des Werkstoffs verhindert. Eine hergestellte Platte konnte für 1 Stunde mit einer Temperatur von über 1000 °C direkt beflammt werden, ohne dass die Platte sich entzündet hat oder durchbrochen werden konnte.
Der erhaltene Kompositwerkstoff zeigt bei Lagerung auf einer Wiese - im Bewegungsradius von Termiten in der Nähe eines Termitenbaus - auch nach 6 Monaten keine Anzeichen von Termitenbefall.
2 gibt die Abhängigkeit des E-Moduls und der 3-Punktbiegefestigkeit vom Alter der Bindemittel/Fasermischung wieder. Für die Herstellung wurde die Bindervorstufe NMC4 mit einem Alter von 23 Tagen verwendet. Nach 5 bis 6 Tagen Alter der Binder/Fasermischung wird ein Maximum bei Biegefestigkeit und E-Modul erreicht (Herstellparameter: 1,5h in Presse bei 40 bar und 80 °C; 75,1 Gew.-% bezogen auf den Feststoff im Binderanteil, NMC4 als Vorstufe).
Tabelle 3 zeigt die Abhängigkeit der Eigenschaften der Komposite vom Alter der lagerfähigen Bindemittelvorstufe in Tagen (d): 1d, 4d, 7d, 15d, 16d, 21d, 23d. MFC bedeutet Additivierung mit mikrofibrillierter Cellulose.
Die Lagerungszeit der hergestellten Komposite betrug zwischen 1,5 und 2 Monate bei Raumtemperatur.
Die Prüfkörper wurden außerdem einer beschleunigten Carbonatisierung gemäß mindestens einer der vorstehenden Varianten unterzogen.

Nach 2-3 Monaten erfolgten die Quelltests und im Anschluss nach Trocknung und Konditionierung bis zur Gewichtskonstanz die Kochtests. Tabelle 1

Zuschlagsstoff	Chemische Zusammensetzung	pH	Korngröße d₁₀	Korngröße d₅₀	Korngröße d₉₀	Spezifische Oberfläche (BET)
Fumed silica, Aggregate 0,2 -0,3 µm	99% SiO₂ (amorph)					200±25 m²/g
Millisil W11	99% SiO₂ (kristallin)	7		22 µm	55 µm	0,8 m²/g
Millisil W12	99% SiO₂ (kristallin)	7		16 µm	50 µm	0,9 m²/g
Sikron Quarz SF 800	97,5% SiO₂ 2% Al₂O₃ (kristallin)	7		2 µm	6 µm	6,0 m²/g
Treminex 958-006 Nephelinsyenit	60,8% SiO₂ 23, 0% Al₂O₃ 10,4% Na₂O 4, 6% K₂O (amorph)	9,5	4 µm	32 µm	140 µm	0,8 m²/g
Treminex 958-700 TST Nephelinsyenit (Trimethylsilan-modifiziert)	60,8% SiO₂ 23, 0% Al₂O₃ 10,4% Na₂O 4,6% K₂O (amorph)	9, 5	1 µm	3 µm	9 um	4,0 m²/g
Tremin 939-010 Wollastonit-Nadeln Mittlerer Aspekt-Ratio: L/D = 11/1	50,0% SiO₂ 1% Al₂O₃ 45% CaO 0,8 % MgO	9, 5	L₁₀ 22 µm	L₅₀ 77 µm	L₉₀ 207 µm	0,46 m²/g
Tremin VP939-302 Wollastonit-Nadeln Mittlerer Aspekt-Ratio: L/D = 8/1	50,0% SiO₂ 0, 7% Al₂O₃ 47% CaO 0,3% MgO 1,0% Na₂O+K₂O	9, 5	L₁₀ 13 µm	L₅₀ 46 µm	L₉₀ 110 µm	1,0 m²/g

Tabelle 2

Ansatz	Molarer SiO₂ / K₂O Modul nach SiO₂-Zugabe	Theor. SiO₂-Anteil /g (mol)	Theor. K₂O-Anteil / g (mol)	Theor. H₂O-Anteil / g	Kaliwasserglas-Einwaage / g	KOH-Einwaage/ g	Guar-Einwaage/ g	Sand gemahlen-Einwaage / g	Alternative/ zusätzliche SiO₂-Quelle / g	Mikrofibrillierte Cellulose (MFC) / g
NMC4-Basis (Vergleich)	12,31	4,75 (0,079194)	0, 61 (0,006431)	6,27	4,91	0,43	0,08	1,83	Levasil 50nm/50 m²/g 4,46	0
NMC4 210121	9,21	195,16 (3,25271)	33,28 (0,35326)	96,94	161,70	13, 15	2,63	150,53	0	0
NMC4 210701 Betol	9, 23	201,26 (3,35432)	34,22 (0,36325)	107,46	161,70 +Betol 29, 77	1,320	2,63	150,53	0	0
NMC4 MFC 210712	9,21	429,79 (7,16318)	73,28 (0,77796)	400,76	356,10	28,96	5,79	331,50	0	5,79
NMC4 210712 verd.	9,21	429,79 (7,16318)	73,28 (0,77796)	313,49	356,10	28,96	5,79	331,50	0	0
NMC4 210913	9,21	1319,31 (21,98844)	224,95 (2,38801)	655,30	1093,06	88,90	17,78	966,22	Silica fume 200-300 nm 51,38	0

Tabelle 3

Ansatz	Feststoffanteil Bindemittel / Gew.-%	Anteil Holzfasern / Gew.-%	E-Modul / GPa (nach EN 310)	Biegefestigkeit / MPa (nach EN 310)	Querzugfestigkeit / MPa (nach EN 319)	Querzugfestigkeit nach Kochtest / MPa (nach EN 1087-1 und EN 319)	DickenQuellung (nach EN 317)
NMC4 1d	76,7	23,3	4,1	15,22	3,3	-	5,18%
NMC4 4d	77,2	22,8	3,9	17,88	3,63	0,35	2,18%
NMC4 7d	78, 7	21,3	3,7	16,08	2,46	0,30	-1,44%
NMC4 15d	74,4	25,6	3,0	12,61	0,96	0,17	1,55%
NMC4 16d	74,3	25,7	2,3	11,03	1,23	0,39	-5,73%
NMC4 21d	75,0	25,0	2,9	12,34	1,11	0,13	1,47%
NMC4 23d	75,1	24,9	3,09	13,74	1,69	0,19	2,14%
NMC4 MFC	30,0	70,0			0,18
NMC4 Verdünnt	41,7	58,3			0,76

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 3390723 [0008]
DE 3439929 A1 [0009]
US 4212920 A [0010]
WO 2015010690 A2 [0011]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kompositwerkstoffs umfassend folgende Schritte: a) Bereitstellung einer alkalischen Zusammensetzung umfassend mindestens ein Alkalisilikat-Wasserglas, mindestens einen organischen Gelbildner; b) Zugabe mindestens einer Art von SiO₂-Partikeln; c) Zusammenbringen der Zusammensetzung mit mindestens einem biologischen Trägermaterial, wie Fasern, Späne oder Vliese aus biologischen Quellen; d) Verdichtung des erhaltenen Komposits unter Druck und erhöhter Temperatur in einer Form; e) Nach Entformung, Trocknung des Komposits unter Erhalt des Kompositwerkstoffs.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der organische Gelbildner ein Polysaccharid ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die alkalische Zusammensetzung mindestens ein Alkalihydroxid umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der organische Gelbildner ausgewählt ist aus Xanthan, Gummi arabicum, Guaran, Galaktomannane oder Mischungen davon, wobei der Gelbildner chemisch modifiziert sein kann.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die SiO₂-Partikel gemahlenen Sand umfassen.
Kompositwerkstoff erhalten nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
Vorstufenzusammensetzung erhalten aus Schritt a) des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
Verwendung der Vorstufenzusammensetzung nach Anspruch 7 zur Herstellung eines Kompositwerkstoffs.