DE19543886C2

DE19543886C2 - Mit Gips gefülltes, elastisches Schaumstoffmaterial und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE19543886C2
Application number: DE1995143886
Authority: DE
Inventors: Gert Neumann; Milan Hurbanic
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1995-11-24
Filing date: 1995-11-24
Publication date: 2000-05-25
Anticipated expiration: 2015-11-25
Also published as: DE19543886A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elastisches, poröses Material auf Basis von Gips mit guter Festigkeit.

Im Baubereich werden große Mengen sehr gut feuerhemmender und gleichzeitig preisgünstiger Materialien benötigt. Hierfür bietet sich der Einsatz von gipshaltigen Polymermaterialien an. Gips liegt in ungebranntem Zustand als Sekundärrohstoff aus Rauchgasentschwefelungsanlagen (sog. REA-Gips) in großen Mengen vor. Seine Verwendung ist in doppelter Hinsicht preiswert, da er zum einen ein leicht verfügbares, preisgünstiges Material ist und zum anderen seine Verwendung als wiederverwertbarer Werkstoff die Abfallmengen von Rauchgasentschwefelungsanlagen verringert.

Aus der DE-OS 34 37 627 sind Formteile aus heißhärtendem Silikonkautschuk bekannt, der bei einer Mikrowellenbestrahlung in Gegenwart von Wasser schneller aushärtet. Ein Aufschäumen soll dabei vermieden werden. Es wird vorgeschlagen, das benötigte Wasser in Form von grundfeuchtem Mehl oder von Gips einzutragen.

Weiterhin sind bereits geschäumte, feste Produkte mit Rohdichten im Bereich zwischen 0,1 und 0,5 g/cm³ bekannt. Stand der Technik ist die Herstellung von gipshaltigen Schaumstoffen durch Einsatz isocyanathaltiger Preaddukte bei der Verfestigung von hydratisierten Gipsen, wie sie z. B. durch die Schriften DD 298 906 bzw. DE 29 40 785 beschrieben werden. Diese durch niedrige Raumgewichte ausgezeichneten Baustoffe sind starr und weisen als Nachteil die Entstehung von blausäurehaltigen Pyrolysegasen im Brandfall auf.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung von flexiblen Materialien mit ausgezeichneten feuerhemmenden Eigenschaften, die im Brandfall keine blausäurehaltigen Gase entstehen lassen.

Diese Aufgabe wird durch die Bereitstellung eines mit Gips gefüllten Schaumstoffmaterials gelöst, welches mindestens ein elastisches Polymeres mit anorganischer Haupkette oder anorganischem Netzwerk enthält.

Es hat sich überraschend gezeigt, daß die Kombination von Gips mit derartigen elastischen Polymeren zu Produkten mit unerwartet günstigen Flammschutzeigenschaften führt. Auch die Empfindlichkeit gegenüber Wasser ist trotz des hohen Gipsgehaltes erstaunlicherweise außerordentlich gering. Zusätzlich wurde festgestellt, daß die Einarbeitung von Gips in die genannten elastischen Polymeren zu einer wesentlich verbesserten Schallabsorption führt, während ungefüllte Schaumstoffe sehr viel schlechter den Schall absorbieren. Es wird vermutet, daß diese Eigenschaften einerseits durch eine hohe Offenzelligkeit im Vergleich zum weitgehend geschlossenzelligen Schaum des Standes der Technik und darüberhinaus durch die unerwartet gute Einbindung des Gipses in das Polymere bewirkt werden, was anhand der im Mikroskop sichtbaren, nahezu vollständigen Umhüllung der Gipskörner festgestellt werden kann. Dies äußert sich auch durch die nicht festzustellende Ausgliederung von Gipskörnern beim Walken des Schaumstoffes.

Elastische Polymere mit anorganischer Hauptkette bzw. mit anorganischem Netzwerk sind in verschiedensten Varianten bekannt und besitzen ausgezeichnete Eigenschaften in Bezug auf Temperaturbeständigkeit, Härte und dergleichen, wobei sich je nach Materialien die gewünschten Eigenschaften auch "maßschneidern" lassen. Als Beispiele für erfindungsgemäß verwendbare Elastomermassen seien elastische Polysiloxan- Kunststoffe genannt. Dabei können die höher funktionellen Vernetzungsstellen, die meist aus Silicium-Atomen bestehen, durch Metallatome (z. B. Al, Ti, Co, Ni, B) ersetzt sein. Letztere Verbindungen werden meist als Polyorganometallosiloxane bezeichnet. Die Silicongruppen können variabel substituiert sein; so sind phenylierte Siliconharze wegen ihrer Elastizität und Wärmebeständigkeit gesucht, während Fluorsilicone sich besonders durch ihre Oxidations- und Chemikalien-Beständigkeit auszeichnen. Weitere Beispiele für die erfindungsgemäßen Polymeren mit anorganischem Netzwerk sind die sogenannten ORMOCERE (ORganic MOdified CERamics). Solche ORMOCERE sind Polymere auf Basis von Monomeren mit der allgemeinen Formel X_aR_bSiR'(4-a-b), wobei X ganz allgemein eine hydrolysierbare Gruppe ist, R ein organischer Rest ist, der über ein C-Atom am Silicium gebunden ist, und R' eine ebensolche Gruppe darstellt, die mindestens eine polymerisierbare Gruppe (z. B. eine Doppelbindung) enthält. a kann Werte von 1 bis 3 annehmen, während b = 0 bis 2 ist. Diese Verbindungen werden hydrolytisch kondensiert und durch eine organische Polymerisationsreaktion thermisch, durch UV-Strahlung oder dergleichen polymerisiert, wobei Materialien erhalten werden, die sich durch Einstellen der verschiedenen Parameter im Molekül äußerst variabel gestalten lassen. Gegebenenfalls kann ein Teil der Silicium-Atome durch andere Metallatome wie Titan oder dergleichen ersetzt sein.

Eine dritte, ebenfalls beispielhafte genannte Gruppe für die erfindungsgemäß eingesetzten elastischen Polymeren mit anorganischer Hauptkette sind die Polyphosphazene, die insbesondere in Form der Phenyloxyphosphazene äußerst stabile, hochtemperaturfeste Kunststoffe für die Wehr- und Raumfahrttechnik darstellen. Selbstverständlich sind auch andere Polymere einsetzbar, wie beispielsweise Polyaluminiumphosphat mit Phenyloxy- und/oder Siloxanseitengruppen und andere Polymere mit Hauptketten aus Sauerstoff und Aluminium, Titan, Bor, Magnesium, Phosphor, Stickstoff und/oder dergleichen.

Erfindungsgemäß kann selbstverständlich jeglicher Gips eingesetzt werden, aus Kostengründen ist jedoch REA-Gips bevorzugt. Auch zerkleinerter gipshaltiger Bauschutt, der neben dem Hauptanteil Gips weitere Verunreinigungen wie Ziegelmehle, Fasermaterialien und ähnliche Baustoffrückstände enthält und deshalb einer Aufarbeitung zu Bindemittel-Gipsen nicht zugänglich ist, bietet sich erfindungsgemäß an. Der Gips kann beispielsweise eine Restfeuchtigkeit bis zu 30% (bezogen auf den Gips) aufweisen.

Die Poren im erfindungsgemäßen Schaumstoffmaterial werden entweder durch Spaltprodukte der Polymerisations-/ Kondensationsreaktionen (z. B. H₂ bei der Bildung der Polysiloxane) erzeugt; bei Fehlen solcher im Gaszustand befindlicher oder leicht dahin überführbarer Reaktionsprodukte werden dem Präpolymer in bekannter Weise Treibmittel (z. B. niedrig siedende Paraffine, eingeblasene oder eingerührte Luft und/oder eine Kombination aus Säuren und Carbonaten) zugesetzt. Ein solcher Zusatz kann sich auch empfehlen, wenn die Bildung von Treibgas während der Polymerisationsreaktion nicht ausreichend erscheint. Durch kontrolliertes Zudosieren entsprechender Mengen an Treibmittel läßt sich die Dichte des Produktes regeln.

Durch die Zugabe des Gipses wird das Volumen des Schaumansatzes überraschenderweise deutlich erhöht. Weiterhin wurde gefunden, daß im Gegensatz zu ungefülltem Schaum, der nahezu nur geschlossene Zellen aufweist, beim Zusatz von - insbesondere feuchtem - Gips mehr offene Zellen entstehen. Da durch die offenzellige Struktur der gipsgefüllten Schäume ein schneller Austausch des Treibmittels gegen Luft erfolgt, sind brennbare Treibmittel wie Wasserstoff oder Pentan nicht nachteilig, da das Brandverhalten nicht beeinträchtigt wird.

Dem erfindungsgemäßen Schaumstoffmaterial können Fasern zugesetzt werden. Dies ist insbesondere günstig, wenn eine Erhöhung der mechanischen Festigkeit gewünscht wird. Beispiele hierfür sind Zellstoff oder Papierfasern. Die Fasern werden bevorzugt in feuchter Form in die Masse eingearbeitet. Da hierbei der Schaum meist weniger als bei Realisierung des theoretisch entstehenden Gasvolumens aufgebläht wird, ist es empfehlenswert, daß in solchen Ausführungsformen auch bei Bildung von Treibgas durch die Polymerisationsreaktion zusätzliches Treibmittel zugegeben wird und/oder die Formtemperatur erhöht wird.

Weiterhin können den Massen Prozeßöle oder andere übliche Zusatzstoffe und Hilfsmittel zugegeben werden. Bevorzugt niedrig viskose Siliconöle, in geringerem Maße bei Erhalt der Flammschutzeigenschaften auch Paraffinöle, können beispielsweise zum Zwecke der Fluidisierung beigemischt werden.

Zum Aushärten wird die homogenisierte Masse in eine Form gegeben. Wegen der geringen Exothermie der Polymerbildungsreaktion ist die Zuführung von Wärme durch Temperierung oder Vorwärmen der Form vorteilhaft, insbesondere, wenn die Komponenten des Systems durch Verdünnungsmittel wie flüssiges Paraffin oder das zugesetzte Treibmittel weniger konzentriert vorliegen.

Mit den erfindungsgemäßen porösen Gipswerkstoffen stehen Isoliermaterialien zur Verfügung, die insbesondere eine hohe Wärmeisolierung aufweisen und als Wärmeisolierungen für Dächer bzw. Zwischenwände verwendet werden können. Die Dichte des Verbundmaterials liegt bevorzugt im Bereich von 0,35 bis 0,5 g/cm³. Es ist möglich, den Anteil an Gips (z. B. REA-Rohgips) auf mehr als 60 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmasse, anzuheben, ohne daß die normale Verarbeitbarkeit beeinträchtigt wäre. Das Brandverhalten der Werkstoffe ist im Test nach ASTM 1695 als nicht brennbar einzustufen. Hierbei ist es nicht möglich, den Schaumstoff mit der Brennerflamme zur Entzündung zu bringen. Auch die Empfindlichkeit gegenüber Wasser ist trotz des hohen Gipsgehaltes außerordentlich gering. Eine weitere unerwartete positive Eigenschaft ist die verbesserte Schallabsorption.

Beispiele

Als elastisches Polymeres mit anorganischem Netzwerk bzw. mit anorganischer Hauptkette wird ein bei Raumtemperatur vernetzender Zwei-Komponenten-Siliconschaum verwendet, nämlich RTV-2 SC 850 der Fa. Wacker Chemie. Dabei ist die Komponente A ein oligomeres Polysiloxan mit endständigen Hydrosilangruppen, die mit den Silanolgruppen der Komponente B unter Bildung von Wasserstoff reagieren. Folgende Rezepturen wurden hergestellt:

Beispiel 1

40 g Komponente A,
40 g Komponente B,
80 g REA-Gips.

Formabmessungen

20 × 100 × 150 mm, 20 × 100 × 200 m
Raumgewicht des Schaumes: 0,35 g/cm³

Beispiel 2

40 g Komponente A
40 g Komponente B
80 g REA-Gips
20 g einer wäßrigen Fasersuspension (6%ige Suspension von zerfasertem Altpapier in Wasser)
Raumgewicht des Schaumes: 0,4 g/cm³

Beispiel 3

30 g Komponente A
30 g Komponente B
160 g REA-Rohgips
15 g Wasser
15 g Siliconöl
15 g Pentan (wird der Komponente A beigemischt)
Raumgewicht des Schaumes: 0,35 g/cm³

Die Herstellung der Probenkörper erfolgt in der folgenden Weise: Der REA-Gips wird der Komponente B zugesetzt und darin verrührt.

Wenn Fasermaterial eingearbeitet werden soll, wird dieses ebenfalls in die Komponente B eingearbeitet. Mit steigendem Anteil an Gips und bei zunehmender Fasermenge wird aus der zunächst hochviskosen Flüssigkeit zunehmend eine teigförmige Masse, die nur geringe Fließneigung zeigt. Um eine Fluidisierung dieser plastischen Masse zu erreichen, können im ersten Schritt der Komponente B angemessene Anteile an Wasser zugegeben werden. Dabei ist die Grenze durch die Entmischungserscheinungen in der Gesamtmischung gegeben. Nach der Homogenisierung der Komponente B, bei der zusätzlich Luft eingerührt wird, wird die Komponente A dazugewogen, und die Mischung wird kräftig durchgemischt. Dann wird die Mischung in eine Form gegeben, die aus Polypropylen (Beispiele 1 und 2) oder Metall (Beispiel 3) besteht. Die Form des Beispiels 3 ist auf 50°C temperiert.

Nach etwa 2 bis 3 Minuten beginnt der Treibvorgang, der nach weiteren 5 Minuten abgeschlossen ist. Als Ergebnis entsteht ein offenzelliger Schaum.

Claims

1. Mit Gips gefülltes Schaumstoffmaterial, umfassend mindestens ein elastisches Polymeres mit anorganischer Hauptkette oder anorganischem Netzwerk.

2. Mit Gips gefülltes Schaumstoffmaterial nach Anspruch 1, worin der Gips Rauchgasentschwefelungsanlagen-Gips mit einer Restfeuchte bis maximal 30 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Gipses, ist.

3. Mit Gips gefülltes Schaumstoffmaterial nach Anspruch 1 oder 2, worin das elastische Polymere mit anorganischem Netzwerk ein Polysiloxan-Kunststoff, eine organisch modifizierte Keramik oder ein Polyphosphazen ist.

4. Mit Gips gefülltes Schaumstoffmaterial mit einem Gewichts- Anteil an Gips von bis zu 65%.

5. Mit Gips gefülltes Schaumstoffmaterial nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß seine Dichte ≦ 0,5 g/cm³ ist.

6. Mit Gips gefülltes Schaumstoffmaterial nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es offenporig ist.

7. Mit Gips gefülltes Schaumstoffmaterial nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es weiterhin Fasern enthält.

8. Verfahren zum Herstellen eines mit Gips gefüllten Schaumstoffmaterials, umfassend mindestens ein elastisches Polymeres mit anorganischer Hauptkette oder anorganischem Netzwerk, umfassend die Schritte:

a) Zusetzen von Gips zur noch nicht ausgehärteten Masse eines elastischen Polymeren oder zu einer Komponente davon, und
b) Aushärten des Materials in der Form.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der noch nicht ausgehärteten Masse des elastischen Polymeren oder einer Komponente davon mindestens ein weiterer Bestandteil, ausgewählt unter Fasern, Silikon- oder Paraffinöl, zugesetzt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der noch nicht ausgehärteten Masse des elastischen Polymeren oder einer Komponente davon ein Treibmittel zugesetzt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der noch nicht ausgehärteten Masse des elastischen Polymeren oder einer Komponente davon ein niedrig siedendes Paraffin zugesetzt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß einer Komponente der noch nicht ausgehärteten Masse zuerst Gips zugesetzt wird und anschließend in die Mischung Luft eingerührt wird.