DE19704631A1

DE19704631A1 - Verfahren zur Herstellung faserverstärkter keramischer Leichtbaustoffe, das verwendete Bindemittel und die Baustoffe selbst sowie ihre Verwendung

Info

Publication number: DE19704631A1
Application number: DE1997104631
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-02-07
Filing date: 1997-02-07
Publication date: 1998-08-13

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung keramischer faserverstärkter Leichtbaustoffe, das dazu verwendete Bindemittel und die Baustoffe selbst sowie ihre Verwendung.

Anorganische Leichtbaustoffe werden als wärmedämmende Materialien im Bauwesen vielfach eingesetzt.

Bei der Herstellung an organischer Leichtbaustoffe wird durch Zu gabe porenhaltiger Zuschläge bzw. gasbildender oder schaumbilden der Stoffe grundsätzlich ein Baustoff geringerer Dichte und damit ein Baustoff geringerer Festigkeit erhalten.

Im Stand der Technik sind mehrere Verfahren zur Herstellung von autoklavgehärteten Kalk-Silikat-Leichtbaustoffen bekannt, die vor wiegend mit hydraulischen Bindemitteln arbeiten. Sie unterscheiden sich in der Wahl des Kalk enthaltenden bzw. bei der Zementhydrata tion Kalk freisetzenden Bindemittels, in der Wahl des SiO₂ enthal tenden Reaktionspartners (Quarzmehl, Schieferton) für die Kalk- Quarzmehl-Reaktion und in der Wahl des Gasblasen- bzw. Schaumbild ners.

Die Kalk-Quarzmehl-Reaktion führt zum Bildung von Kalksilikat-Hy draten, die als Bindemittel wirksam sind:

Ca(OH)₂ + SiO₂ + x H₂O → CaO SiO₂ x H₂O

Diese Reaktion liegt allen diesen Verfahren zugrunde und findet nur bei höheren Temperaturen (170-190°C) im gespannten Dampf eines Autoklaven statt.

Die chemische Erzeugung der Gasblasen führt zu Produkten, die als Gasbeton bezeichnet werden. Die Einarbeitung eines Schaums in den wäßrigen Brei eines vorwiegend hydraulischen Bindemittels führt zu sog. Schaumbeton.

Bei der Herstellung von Gasbeton wird z. B. ein feinverteiltes Gemisch von Kalk und Quarzmehl unter Zusatz von das Wasser unter Gasentwicklung zersetzenden Aluminiumpulver angemacht und der Einwirkung von hochgespanntem Dampf im Autoklaven ausgesetzt.

Schaumbeton wird in der Weise hergestellt, daß entweder Schaum in eine wäßrige, hydraulisch härtende Masse eingemischt oder darin nach Zusatz eines Schaumbildners erzeugt wird.

In diesen Zusammenhang gehört auch der Leichtstein "Turrit". Während sowohl beim Gas- als auch beim Schaumbeton die Porosität durch künstliche Erzeugung von Gasblasen hervorgerufen wird, wurde für die Herstellung von Leichtsteinen im Autoklav ein ganz anderer Weg beschritten. Dieses Verfahren geht von der Beobach tung aus, daß mit hohen Wasserzusätzen hergerichtete, ganz dünn flüssige Mischungen aus Kalkhydrat und feingemahlenem Quarzsand bei der Behandlung im Autoklaven zu einer Masse erstarren, die nach dem Verlassen des Autoklaven und der Austrocknung aus einem feinporigen Skelett von Calciumsilikathydraten besteht, deren Raumgewicht bei sehr hohen Wasserzusätzen bis unter das des Kor kes herabgehen kann, wobei selbst derartige leichte Materialien immer noch eine verhältnismäßig gute Festigkeit besitzen.

Die das Ausgangsmaterial bildende wasserreiche Masse kann aller dings nur in Formen in den Autoklav gebracht werden und neigt außerdem zum Sedimentieren. Die dünnflüssige Masse muß deshalb zunächst ohne Verformung einer verhältnismäßig kurzen Vorbehand lung im Autoklav ausgesetzt werden; sie verwandelt sich hierbei je nach Höhe des Wasserzusatzes in eine gallertartige oder in eine krümelige Masse, die nun zu Steinen oder Blöcken verpreßt werden kann, und die bei einer zweiten Autoklavbehandlung bei sehr geringem Raumgewicht relativ hohe Festigkeit erreicht.

Der Herstellung von Gasbeton, Schaumbeton und Leichtsteinen ist die Dampfhärtung im Autoklaven gemeinsam. Diese ist wegen der allgemeinen Reaktionsträgheit vieler Silikate bzw. der Kiesel säure (Quarzsand, Quarzmehl) unumgänglich. Wie oben ausgeführt, muß zur Herstellung des Leichtsteins Turrit sogar eine zwei fache Behandlung im Autoklaven erfolgen.

Die Herstellung dieser drei Leichtbaustoffe ist also in Anlage und Betrieb ziemlich aufwendig und damit kostenintensiv.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Leichtbaustoffen anzugeben, welches ohne Dampfhärtung im Autoklaven auskommt. Dies ist nur möglich, wenn der Erfindung auch die Aufgabe zugrunde liegt, ein neues Binde mittel anzugeben, welches Teil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist.

Desweiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, trotz fehlender Dampfhärtung im Autoklaven einen Leichtbaustoff an zu geben, der Festigkeiten aufweist, die den Festigkeiten bekannter Leichtbaustoffe zumindest entsprechen.

Die Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Leichtbaustoffe mit den Merk malen des Anspruchs 1.

Das Bindemittel auf Kalk-Silikat-Hydrat-Basis, welches nach der oben beschriebenen Kalk-Quarzmehl-Reaktion bei den bekannten Ver fahren zur Herstellung von Leichtbaustoffen im Autoklaven ent steht, wird also durch das erfindungsgemäße Bindemittel ersetzt, welches aus einer wäßrigen Mischung von Alkalisilikaten mit Aluminiumhydroxid besteht.

Diese wäßrigen Mischungen zeigen überraschenderweise ein sehr gutes Abbindeverhalten, wenn man bestimmte Mengenverhältnisse der Komponenten in der Mischung innerhalb gewisser Grenzen ein hält.

Bevorzugt wird eine Mischung, die die Komponenten Alkalisilikat und Aluminiumhydroxid im Mengenverhältnis Al : Si = 3 : 1 ent hält. Mit einem Bindemittel solcher Zusammensetzung werden sehr harte Formkörper mit überraschend hohen Festigkeiten erhalten.

Besonders bevorzugt wird eine Mischung mit dem Mengenverhältnis Al : Si = 3 : 1, bei der als Alkalisilikat Wasserglas verwendet wird; etwa in Form von käuflicher 40%iger Wasserglaslösung.

Die Raumgewichte der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herge stellten faserverstärkten Leichtbaustoffe lassen sich einerseits über die Menge des dem Bindemittel zugesetzten Wassers erniedrigen. Je nach Verwendung der erfindungsgemäßen Leichtbaustoffe werden mit Wasser verdünnte aber auch konzentriertere wäßrige Mischungen von Alkalisilikat mit Aluminiumhydroxid als Bindemittel einge setzt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Leichtbau stoffen verwendet andererseits zur Erzielung geringer Raumge wichte im Gegensatz zu aus dem Stand der Technik bekannten Ver fahren keine Gas- bzw. Schaumbildner, sondern Fasern. Dadurch, daß eine Faserstruktur - bei gleichzeitigem Einschluß von Luft in Hohlräume dieser Faserstruktur - in die Matrix des Binde mittels eingebaut wird, sind die Raumgewichte dieser faserver stärkten Baustoffe niedriger als das Raumgewicht des bloßen abge bundenen Bindemittels.

Bevorzugt werden Glasfasern und/oder Mineralfasern verwendet. Diese können in Form von statistisch verteilten Kurzfasern (Faser matten) und in gerichteter Anordnung in Form von Endlosfasern bzw. Fasersträngen (Rovings) bzw. in Form von Fasergeweben zum Einsatz kommen.

Die verwendete Faserstruktur saugt das erfindungsgemäße Binde mittel auf wie ein Schwamm. Der Einbau der Fasern in die Binde mittelmatrix wird gefördert durch das gute Benetzungsvermögen des Bindemittels gegenüber der Faseroberfläche.

Die Eigenschaften des erfindungsgemäßen Bindemittels, zu sehr harten Formkörpern mit hohen Festigkeiten abzubinden sowie gutes Benetzungsvermögen, werden also kombiniert mit dem geringen Raum gewicht einer Faserstruktur. Das Resultat ist ein faserverstärkter Leichtbaustoff mit für diesen überraschend hohen Festigkeiten und großer Härte.

Sehr geringe Raumgewichte werden erzielt, wenn man Faserstrukturen mit wenig und verdünntem Bindemittel behandelt. Die Fasern sind nach dem Abbinden des Bindemittels steif und untereinander ver klebt.

Die Herstellung von Formkörpern, insbesondere von Platten, gestal tet sich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren sehr einfach: Die Faserstruktur, z. B. mehrere übereinandergelagerte Fasermatten, wird mit dem erfindungsgemäßen Bindemittel getränkt. Überschüssiges Bindemittel läßt man abtropfen. Die Entwässerung und damit das Ab binden zum fertigen Formkörper kann bei Raumtemperatur an Luft erfolgen. Um diesen Vorgang zu beschleunigen, kann aber auch bei höherer Temperatur gearbeitet werden; im Temperaturbereich von 20 bis 80°C mit möglicher vollständiger Aushärtung bei weiter gestei gerter Temperatur.

In einer zweiten Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Binde mittel mit weniger Wasser angemacht und liegt dann als Paste vor. Am einfachsten wird diese Paste durch Einrühren von Kurzfasern in eine Faserstruktur eingearbeitet. Die Paste kann aber auch mittels Aufstreichen, Aufspachteln, Einpressen und Aufspritzen in Faser matten und Fasergewebe eingearbeitet werden. Die auf diese Weise hergestellten noch nicht abgebundenen Formkörper (Grünkörper) lassen sich plastisch verformen wie Ton verbunden mit den Möglich keiten anschließender beliebiger Formgebung.

Das erfindungsgemäße Bindemittel in Pastenform zeigt dasselbe Abbindeverhalten wie die verdünnteren Mischungen aus Alkalisilikat und Aluminiumhydroxid. Völlig überraschend enthält das Binde mittel nach vollständigem Abbinden bei Raumtemperatur oder leicht höherer Temperatur (bis 100°C) kein Wasser mehr. Die erhaltenen keramischen Formkörper können bei hohen Temperaturen von 800°C und höher gebrannt werden, ohne daß merkliche Schwindung und Ge wichtsverlust eintritt.

In einer dritten Ausführungsform wird das gute Benetzungs- und Klebevermögen des erfindungsgemäßen Bindemittels gegenüber Ober flächen unterschiedlichster Stoffe - anorganische und organische Baustoffe, Keramiken, Metalle, Kork und andere - ausgenutzt, um diese mit dem erfindungsgemäßen Leichtbaustoff zu beschichten.

In einer vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Abbindevorgang unterbrochen, wenn die Entwässerung des Formkörpers so weit fortgeschritten ist, daß ein Glätten und Ver dichten des schon teilweise abgebundenen Formkörpers mittels Druck, etwa durch Ausstreichen oder Rollen, erfolgen kann. Anschließend läßt man den Formkörper vollständig aushärten.

Die beim Abbinden des Bindemittels (Aushärten der Formkörper) ab laufenden chemischen Prozesse sind folgende:
Aluminiumhydroxid reagiert in der alkalischen Wasserglaslösung mit OH⁻-Ionen zu Natriumaluminat (Na₂Al(OH)₅) als Zwischenstufe und weiter mit Wasserglas zu Aluminiumsilikat (Al₂SiO₅).

Die in Gegenwart von Natriumaluminat stattfindende Bildung von Aluminiumsilikat läßt sich mittels folgender Reaktionsgleichung formulieren:

Na₂SiO₃ + 3Al(OH)₃ → Na₂Al(OH)₅ + Al₂SiO₅ + 2H₂O

Aluminiumsilikat liegt als Gel vor, welches völlig überraschend schon bei Raumtemperatur durch vollständiges Entwässern zu einem keramischen Formkörper abbindet.

Die nach dem Stand der Technik bei Autoklavversuchen erreichten Festigkeitswerte für Leichtbaustoffe betragen bei Zusammenset zungen aus Kalkhydrat und feingemahlenem Quarzsand bei einem Raumgewicht von 600 g/l 84 kp/cm² und bei einem Raumgewicht von 1400 g/l 200 kp/cm². Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten faserverstärkten Leichtbaustoffe übertreffen diese Festigkeitswerte bei vergleichbaren Raumgewichten.

Die Erfindung betrifft des weiteren vorteilhafte Verwendungen des erfindungsgemäßen Leichtbaustoffs.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Baustoffs als wärmedämmender Leichtbaustoff mit zugleich großer Härte und hoher Festigkeit sowie fehlender Brennbarkeit. Das gestattet eine breitere und verbesserte Ver wendung des erfindungsgemäßen Leichtbaustoffs. So können tragen de Bauelemente von geringerer Wandstärke mit wärmedämmenden Eigenschaften zur Verfügung gestellt werden.

Dabei kann die Verwendung des erfindungsgemäßen Leichtbaustoffs auch im Verbund mit bekannten Bau- und Leichtbaustoffen erfolgen. Letztere erfahren auf diese Weise eine Erhöhung ihrer Festigkeit. Die Entflammbarkeit organischer Baustoffe wird durch eine Beschich tung mit dem erfindungsgemäßen Leichtbaustoff vermindert.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind auch Verwendungen des erfindungsgemäßen Leichtbaustoffs und des zu seiner Herstellung verwendeten erfindungsgemäßen Bindemittels, die sich aus ihren keramischen Eigenschaften ergeben.

Der erfindungsgemäße Leichtbaustoff kann daher auch vorteilhaft zur Wärmedämmung bei hohen Temperaturen eingesetzt werden; etwa im Ofenbau als Ersatz für Asbest.

Aus reinem erfindungsgemäßem Bindemittel (ohne Faseranteil) her gestellte Formkörper entsprechen in ihren Eigenschaften kompakten oxidischen Keramiken. Formkörper mit hohem Faseranteil sind von geringer Dichte und als ausgesprochene keramische Leichtbaustoffe anzusprechen. Der Übergang zwischen beiden Verwendungen ist flie ßend.

Im folgenden wird die Erfindung anhand ausgewählter Ausführungs beispiele näher erläutert.

Ausführungsbeispiel 1

Folgende Bindemittelmischung hat eine besonders gute Benetzbar keit gegenüber Mineral- bzw. Glasfasern mit einer entsprechenden Verbindungsfähigkeit:

100 g 40%ige Wasserglaslösung
78 g Al(OH)₃
80 g Wasser

Die Mischung ist dünnflüssig und kann benutzt werden, Mineral fasern, z. B. 6 cm stark, bis zur Sättigung zu tränken. Überschüs sige Flüssigkeit läßt man abtropfen. Nach Entwässerung und Trock nung erhält man einen Formkörper, z. B. eine Platte, mit einem Raumgewicht von 1000 g/l und einer Festigkeit von mehr als 145 kp/cm².

Ausführungsbeispiel 2

Das Raumgewicht nach Beispiel 2 wird kleiner, wenn zur Tränkung weniger Bindemittelmischung verwendet wird. Auf diese Weise er hält man faserverstärkte Platten bzw. andere Formkörper, deren Raumgewicht zwischen 300 und 1000 g/l liegt. Dabei sinkt die Festigkeit nicht merklich, weil die Fasern in erheblicher Weise zur Festigkeit beitragen. Eine solche Kombination der Eigenschaf ten kann bei bekannten Dämmstoffen nicht erreicht werden.

Ausführungsbeispiel 3

Eine Bindemittelmischung folgender Zusammensetzung ergibt eine formbare Masse:

100 g 40%ige Wasserglaslösung
78 g Al(OH)₃
40 g Wasser

Im Rührwerk wird die Mischung zusammen mit einem geringen Faser anteil zu einer hochviskosen Paste homogenisiert, zu einer Platte geformt, an Luft getrocknet und im Trockenschrank zwischen 50 und 100°C nachgetrocknet (künstliche Alterung).

Die Platte hat ein Raumgewicht von 2000 g/l (wie Opal) und eine Festigkeit von mehr als 200 kp/cm², die durch Alterung weiter ansteigt.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung faserverstärkter keramischer Leicht baustoffe, bei dem Fasern mit einem Bindemittel bestehend aus einer wäßrigen Mischung von Alkalisilikaten mit Aluminium hydroxid getränkt werden und nach Entwässerung zu einem faser verstärkten keramischen Formkörper abbinden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Alkalisilikat Wasserglas, z. B. käufliche 40%ige Wasserglas lösung, verwendet wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß als Bindemittel Gemische bestimmter Mengenver hältnisse von Alkalisilikat bzw. Wasserglas und Aluminium hydroxid verwendet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Mengenverhältnis von Al zu Si im Bindemittel 3 : 1 ist.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit Wasser verdünnte aber auch konzentrierte wäßrige Mischungen als Bindemittel verwendet werden.

6. Bindemittel, welches zur Herstellung faserverstärkter Leicht baustoffe nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß es schon bei Raum temperatur zu einem keramischen Formkörper großer Härte und hoher Festigkeit abbindet.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß als Fasern Glasfasern und/oder Mineralfasern verwendet werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, daß Fasern in Form von statistisch verteilten Kurz fasern bzw. von Fasermatten und/oder in gerichteter Anordnung in Form von Endlosfasern bzw. Fasersträngen (Rovings) bzw. in Form von Geweben zum Einsatz kommen.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, daß das Abbinden zu keramischen Leichtbaustoffen schon bei Raumtemperatur erfolgt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, daß zur schnelleren Abbindung Temperaturen höher als Raumtemperatur verwendet werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn zeichnet, daß die mit dem erfindungsgemäßen Bindemittel ge tränkten Fasern bei unterschiedlichen Drucken nach vorheriger weitgehender Entwässerung geglättet und verdichtet werden.

12. Faserverstärkte keramische Leichtbaustoffe erhältlich nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11.

13. Verwendung des faserverstärkten Leichtbaustoffs nach Anspruch 12 in Form von faserverstärkten Bauplatten und anderen Bau elementen.

14. Verwendung des faserverstärkten Leichtbaustoffs nach den An sprüchen 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß infolge hohen Faseranteils Bauelemente mit sehr guter Wärmedämmung zur Ver fügung stehen.

15. Verwendung des faserverstärkten Leichtbaustoffs nach den An sprüchen 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Festig keit von nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Bauelementen trotz relativ geringer Dichte ausreicht, letztere als tragende Bauteile mit geringen Wandstärken zu verwenden.

16. Verwendung des faserverstärkten Leichtbaustoffs nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß er im Verbund mit anderen Stoffen und Materialien vorteilhaft ver wendet wird.

17. Verwendung des faserverstärkten Leichtbaustoffs nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß er aufgrund seiner keramischen Eigenschaften auch bei hohen Temperaturen von bis 800°C und höher eingesetzt werden kann.

18. Verwendung des erfindungsgemäßen Bindemittels nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß oxidische Keramik dieser Zusam mensetzung bei sehr niedriger Temperatur hergestellt werden kann.