DE19812577C1 - Mehrkomponentiges Stoffgemisch - Google Patents

Abstract

Ein chemisch und/oder physikalisch aushärtbares bzw. sich verfestigendes, mehrkomponentiges Stoffgemisch, insbesondere Mörtel, Zement oder Klebstoff, ist dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Komponente ein anorganisches Bindemittel ist, das vor dem Aushärten bzw. Verfestigen in nanofeiner Form mit mittlerer Partikelgröße < 1 mum vorliegt. Ein solches Bindemittel besitzt eine höhere Flexibilität bei etwa gleich hoher oder höherer Festigkeit als bisherige Bindemittel, und weist eine steuerbare Dichte und Permeabilität auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein chemisch und/oder physikalisch aushärtbares bzw. sich verfestigendes, mehrkomponentiges Stoffgemisch. Unter einem Stoffgemisch in diesem Sinne wird auch ein klebender oder nicht-klebender Dichtstoff verstan­ den.

Mehrkomponentige Mörtel mit den eingangs beschriebenen Merk­ malen sind beispielsweise bekannt aus der DIN 18 156 vom April 1977.

Mehrkomponentiger Zement ist beispielsweise bekannt aus der DIN 1164. Daraus hergestellte Bauteile, beispielsweise Glas­ faserbeton-Wellplatten ("FBK-Wellplatten") sind ebenfalls aus zahlreichen, öffentlich zugänglichen Zulassungsbeschei­ den des Deutschen Instituts für Bautechnik in Berlin be­ kannt; insbesondere sind die zur Herstellung derartiger Bau­ teile verwendeten Materialien und ihre Mischungen mit allen Angaben der Rezepturen einsehbar beim Deutschen Institut für Bautechnik hinterlegt.

Klebstoffe mit den eingangs beschriebenen Merkmalen sind beispielsweise ausführlich beschrieben in dem Lehrbuch von Fauner und Endlich "Angewandte Klebtechnik", Carl Hanser Verlag, München Wien, 1979, insbesondere S. 39 ff.

In der Literatur wird zwischen organischen und anorgani­ schen Klebstoffen unterschieden. Zwitterstrukturen aus Mi­ schungen oder/und chemischen Mischverbindungen sind möglich. Die Verfestigung von Klebstoffen kann, je nach System, phy­ sikalisch oder durch chemische Härtung erfolgen:

Zur physikalischen Verfestigung wird die Ausgangsstruktur der Moleküle grundsätzlich nicht mehr verändert, sondern Schmelzverfahren bzw. die Lösungsmittelabgabe angewendet. Deshalb kommt es hierbei nicht zu Molekülvernetzungen. Dar­ aus resultieren im allgemeinen geringere Festigkeit und Wär­ mebeständigkeit, jedoch ausgeprägtere Kriechneigung.

Die chemische Härtung zielt hauptsächlich auf eine Molekül­ vergrößerung und -vernetzung hin und erfordert deshalb eine chemische Reaktion in der Klebschicht. Sie wird entweder durch Energiezufuhr in Form von Strahlung, Licht oder Ultra­ schall und/oder durch das Zusammenführen von wenigstens zwei reaktiven Komponenten ausgelöst.

Organische Klebstoffe haben eine sehr begrenzte Wärmebestän­ digkeit, die ihre Anwendung z. B. im Maschinenbau und im Bau­ wesen oft einschränkt. Sie reicht bei handelsüblichen bis hochfesten Strukturklebstoffen bis ca. 200°C, bei den che­ misch nicht eindeutig zuzuordnenden Silikon-Klebstoffen bis 330°C und bei Polyimidklebstoffen und deren Abkömmlingen bis ca. 400°C. Höhere Anforderungen bis über 1000°C werden zwar von anorganischen Klebstoffen und Bindemitteln erfüllt, jedoch scheitert deren Anwendung oft an der Sprödigkeit. Deshalb sind sie kaum in der Lage, größere Dehnunterschiede zwischen den zu verbindenden Bauteilen auszugleichen und halten Schwingbeanspruchungen und betriebsbedingten Verfor­ mungen weniger stand.

Unter dem Begriff "Anorganische Bindemittel" sollen im fol­ genden anorganische Stoffe verstanden werden, die unter "Normalbedingungen" chemisch und/oder physikalisch aushärt­ bar oder verfestigbar sind, wie beispielsweise Mörtel, Ze­ ment oder anorganische Klebstoffe. Diese sind, wie oben er­ örtert, in der Regel hochtemperaturfest, gut isolierend und unbrennbar und damit besonders gut geeignet für Anwendungen im Bereich des Hoch- und Tiefbaus.

Insgesamt zeichnen sich anorganische nichtmetallische Binde­ mittel und Baustoffe wie Keramik, Zement und Glas allgemein durch geringe Flexibilität und hohe Sprödigkeit aus. Dadurch stößt ihre Verwendbarkeit trotz positiver Eigenschaften wie Hitzebeständigkeit, Unbrennbarkeit, große Härte und chemi­ sche Beständigkeit dort an ihre Grenzen, wo es zusätzlich um Schwingfestigkeit, Wärmedehnung und einsatzbedingte Verfor­ mungen geht.

Aus der DE 44 07 366 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem auf eine metallische Oberfläche aufgedruckte Schichten bei einer Temperatur zwischen 80° und 180°C getrocknet und bei 500° bis 700°C eingebrannt werden, wodurch eine emaillearti­ ge Schicht entsteht. Eine in diesem Zusammenhang erwähnte wässrige Suspension mit nanofeinen Bestandteilen wird also unter normalen Umgebungsbedingungen, insbesondere bei Zim­ mertemperatur keine für diesen Zweck vorzeitige und damit unerwünschte Reaktion im Gemisch eingehen. Das in der DE 44 07 366 A1 angesprochene "anorganische Bindemittel" ent­ spricht daher nicht der oben gegebenen Definition, da eine Bindeeigenschaft erst in der Emailleschicht zustande kommt, die wiederum ein Schmelzen und einen Einbrennvorgang vor­ aussetzt, also kein "Abbinden" unter Umgebungsbedingungen ermöglicht.

Auch in der DE 34 20 852 A1 ist ein mehrkomponentiges Stoff­ gemisch, nicht jedoch ein Bindemittel im oben definiertem Sinn beschrieben. Bei den in DE 34 20 852 A1 offenbarten Substanzen handelt es sich vielmehr um Ausgangsprodukte zur Erzeugung einer hydrophilen, also Wasser aufsaugenden Schicht, die zwar aufgrund ihrer in wässriger Phase positi­ ven elektrischen Ladung die Haftung von Tonerde-Feinparti­ keln auf einem korrosionsschützenden Überzug bewirkt, aber praktisch nicht mehr redispergierbar und damit ablösbar ist. Diese Schicht stellt also wiederum kein Bindemittel im Sinne von Klebstoffen, Zement oder Mörtel dar. Sie wäre dazu auch wegen der hydrophilen Eigenschaften, der geringen Eigenfe­ stigkeit und niedrigen Adhäsion gar nicht in der Lage. Bin­ demittel sollen ja nach Möglichkeit keine Feuchtigkeit auf­ nehmen, damit Adhäsion und Kohäsion nicht beeinträchtigt werden. Zwar können Dispersionen grundsätzlich Ausgangssub­ stanzen für Bindemittel sein, sie müßten jedoch bei der An­ wendung chemisch aushärten oder sich physikalisch unter Auf­ bau starker adhäsiver oder kohäsiver Bindungen verfestigen, was aber bei dem in der DE 34 20 852 A1 beschriebenen System eindeutig nicht der Fall ist. Es entsteht hier eine Haftung ähnlich derjenigen von getrocknetem Schlamm in den Rillen einer Schuhsohle, der jederzeit wieder aufgeweicht werden kann.

Die Verwendung von nanofeinen Silikatzusätzen in Beton ist bekannt aus dem gleichnamigen Artikel von R. Bechthold und J.-P. Wagner in der Zeitschrift Beton 4/96, Seiten 216-221. Dabei sollen einer Zementmischung mit einer mittleren Parti­ kelgröße von 10-20 µm Mikrosilika mit Partikeldurchmesser in der Größenordnung 0,1 µm und Nanosilika mit einer mittleren Partikelgröße von ungefähr 0,015 µm beigefügt werden. Die Mikrosilika-Beigabe soll dabei die Form von Pulver oder wässriger Dispersion, die Nanosilika-Beigabe die Form einer stabilen, wässrigen, kolloidalen Lösung aufweisen. Das Bin­ demittel für den Beton (im oben definiertem Sinne) stellen dabei die Zementpartikel in 10 µm-Bereich dar. Die um mehre­ re Zehnerpotenzen feineren Mikrosilika- und Nanosilikaparti­ kel sollen die Hohlstellen, Zwischenräume und Poren zwischen den gröberen Zementkörnern besser ausfüllen, wodurch die Packungsdichte in der Zementsteinmatrix wesentlich erhöht werden soll. Die Verwendung von Wasser als Trägermedium für die Mikrosilika- und Nanosilika-Beigabe läßt den Schluß zu, daß die feinen Silikatzusätze wenig reaktionsfreudig sind oder es für den beschriebenen Zweck nicht darauf ankommt, wenn sie sich schon vor der Verwendung zusammenballen bzw. mit Bestandteilen des Trägermediums reagieren. Jedenfalls sollen die bei den bekannten Verfahren verwendeten feinen Silikatzusätze, insbesondere die nanofeinen Partikel nicht durch Reaktion untereinander verfestigende Strukturen bil­ den, die wie ein Skelett das Gefüge durchsetzen, sondern ih­ re Funktion liegt in der Bildung abdichtender und stützender Inseln nach Reaktion mit den gröberen Komponenten des Ze­ ments. Damit sind die bekannten feinen Silikatzusätze wie­ derum keine Bindemittel im Sinne der oben gegebenen Defini­ tion. Im übrigen wird durch den Zusatz von feinen und fein­ sten Silikatpartikeln bei den bekannten Verfahren der ent­ stehende Beton erheblich versprödet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgegenüber, ein mehrkomponentiges Stoffgemisch der eingangs beschriebenen Art vorzustellen, das nach seiner Verarbeitung eine höhere Flexibilität bei etwa gleich hoher oder höherer Festigkeit besitzt als bisher bekannte Mörtel, Zemente oder Klebstoffe, und das, zumindest in gewissen Grenzen, steuerbare Dichte und Permeabilität aufweist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß als eine Gemischkomponente ein anorganisches Bindemittel vorhan­ den ist, das vor dem Aushärten bzw. Verfestigen in nanofei­ ner Form vorliegt, und daß eine weitere Komponente als Reak­ tionspartner für die nanofeine Komponente und/oder als Reak­ tionsbeschleuniger oder Katalysator vorgesehen ist.

Die Fortschritte in der Entwicklung nanofein strukturierter Materialien ermöglichen neuerdings auch die Herstellung an­ organischer nichtmetallischer Bindemittel und Baustoffe mit gezielt beeinflußten Anwendungseigenschaften, wie erhöhter Flexibilität, veränderter Dichte und damit auch der Permea­ bilität unter Beibehaltung der positiven Grundeigenschaften.

Wenn es gelingt, das anorganische Bindemittel der Verarbei­ tung besonders fein zuzuführen, so erfolgt bei der chemi­ schen Härtung der Zusammenschluß besonders feiner Partikel mit einer größeren Anzahl von Verbindungsstellen, die bei entsprechender Prozess-Steuerung als Gelenke zu erhöhter Flexbilität beitragen. Auch der energetische Oberflächenzu­ stand vieler kleiner Partikel und die resultierende Gesamt­ struktur kann vorteilhaft genützt werden. Darüber hinaus er­ möglicht ein feinkörniges Gefüge auch eine Verarbeitung in dünneren Schichten, verbunden mit Klebstoffeinsparung, schnellerer und besserer Durchhärtung und rascherem Tempera­ turausgleich bei thermischer Betriebsbeanspruchung.

Weiterhin ergibt sich auch eine höhere Flexibilität bei Wär­ medehnung und ein besseres Verhalten bei Schwingbeanspru­ chung sowie eine höhere einsatzbedingte Verformbarkeit bei Werkstücken unter Verwendung des erfindungsgemäßen Stoffge­ misches. Es ist daher insbesondere im Baubereich mit beson­ derem Vorteil einzusetzen, wo besonders hohe Ansprüche an die Festigkeits- und Dehnungseigenschaften der verwendeten Materialien gestellt werden. Durch eine vermehrte Stegbil­ dung zum Substrat aufgrund der verwendeten nanofeinen Parti­ kel des Bindemittels ergibt sich insbesondere bei Adhäsions­ vorgängen ein besonders günstiges Verhalten.

Weiterhin kann durch den Zusatz einer mikro- oder nanofeinen Komponente nach Verarbeitung des erfindungsgemäßen Stoffge­ misches die Ausbreitung der bei hoher Beanspruchung entste­ henden Risse gestoppt oder zumindest verlangsamt werden, weil die Wahrscheinlichkeit, daß der Riß auf einen den Wei­ terreißvorgang stoppendes Teilchen trifft, mit abnehmender Teilchengröße und daher "höherer Präsenz" der Teilchen er­ höht wird. Die positiven Folgen davon sind steigende Festig­ keit und Flexibilität der Endprodukte.

Die obengenannten Vorteile gelten prinzipiell für alle mög­ lichen Arten von mehrkomponentigen Stoffgemischen, also Kle­ ber, Mörtel, Zement, Keramik, Dichtstoffe und anorganische Gläser etc.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform des erfindungs­ gemäßen Stoffgemisches, bei der die mittlere Partikelgröße der nanofeinen Komponente, unter der der Mittelwert des Grö­ ßenverteilungsspektrums der Partikel verstanden wird, weni­ ger als 700 nm, vorzugsweise zwischen 100 und 500 nm be­ trägt. Damit wird die energetisch wirksame Partikeloberflä­ che noch weiter vergrößert, was verbesserte Bindungseigen­ schaften zur Folge hat. Insbesondere ergibt sich eine höhere Anzahl von Gelenkstellen bei der Reaktion des Bindemittels zum festen Stoff, wodurch sich eine besonders hohe Flexibi­ lität mit entsprechend positiven Konsequenzen für die anwen­ dungstechnischen Eigenschaften erzielen läßt.

Die nanofeine Komponente kann beim erfindungsgemäßen Stoff­ gemisch vor dem Aushärten bzw. Verfestigen pulverig, flüssig oder gasförmig vorliegen, so daß als Darstellungs- bzw. Be­ vorratungsformen alle möglichen physikalischen Aggregatzu­ stände möglich sind.

Besonders bevorzugt ist die nanofeine Komponente vor dem Aushärten bzw. Verfestigen in einem Trägermedium eingebet­ tet. Damit lassen sich unerwünschte Reaktionen der Partikel der nanofeinen Komponente untereinander durch räumliche Trennung der Partikel voneinander wirksam verhindern.

Besonders vorteilhaft ist es auch, wenn die nanofeine Kompo­ nente vor dem Aushärten bzw. Verfestigen in einem Tempera­ turbereich ≦ 10°C vorliegt. Durch die Unterkühlung der nanofeinen Komponente werden ebenfalls unerwünschte Reaktio­ nen verhindert, zumindest aber bis zum Abschluß der Applika­ tion verzögert.

Besonders vorteilhaft ist es weiterhin, wenn die nanofeine Komponente vor dem Aushärten bzw. Verfestigen in einer Vaku­ umverpackung bevorratet ist. Damit werden Atmospherilien wie Luftfeuchte, Säureanteile, Abgase, Luftbestandteile etc. von der nanofeinen Komponente ferngehalten und damit ebenfalls unerwünschte Reaktionen des Bindemittels verhindert.

Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, bei der eine weitere Komponente als Rißstop-, Flexibilisierungs- oder Dichtzusatz vorgesehen ist. Damit ergibt sich eine höhere Wahrscheinlich­ keit für das Abstoppen eines Rißvorgangs bei Auftreffen des Risses auf eine Einlagerung anderer Härtestufe und ohne Bin­ dung zur umgebenden Substanz bzw. eine Abdichtung gegen Feuch­ te durch verbesserten Porenschluß bzw. eine erhöhte Flexibili­ tät und damit verbesserte Materialeigenschaften.

Ebenfalls kann eine weitere Komponente zur Beeinflussung der elektrischen und/oder thermischen Leitfähigkeit des Stoffge­ misches vorgesehen sein. Damit läßt sich eine besondere Kon­ taktintensität zwischen den Partikeln der mehreren Komponen­ ten des erfindungsgemäßen Stoffgemisches, in der Regel Grundsubstanz und Reaktionspartner, erzielen. Auf diese Wei­ se ergeben sich durch entsprechende Komponentenwahl Steue­ rungsmöglichkeiten für die physikalischen Eigenschaften des Endprodukts.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung liegt die weitere Kompo­ nente ebenfalls in nanofeiner Form vor, was die oben be­ schriebenen Vorteile der Zugabe nanofeiner Stoffe zum Stoff­ gemisch mit sich bringt.

Insbesondere kann die nanofeine Komponente des erfindungsge­ mäßen Stoffgemisches aus der Gruppe der Silikate gewählt sein, die eine sehr hohe Gebrauchstemperatur (bis ca. 1300°C) aufweisen und relativ preiswert auf dem Markt erhältlich sind.

Bei anderen Weiterbildungen kann die nanofeine Komponente auf Zirkonoxidbasis aufgebaut sein, was extrem hohe Ge­ brauchstemperaturen bis in einen Bereich über 2000°C ermög­ licht.

In vielen Fällen gewerblicher und industrieller Anwendung der oben vorgestellten neuen Werkstofftechnologie im Bauwe­ sen, speziell im Fassadenbau, muß das benötigte Material bzw. Bindemittel erst bei der Herstellung z. B. von Fassaden­ platten oder im Moment der Montage an der Baustelle aus mi­ kro- bzw. nanofeinen Komponenten und gegebenenfalls erfor­ derlichen Reaktionszusätzen wie Härtern gemischt und an­ schließend sofort verarbeitet werden.

Eine Verarbeitung der mikro- bis nanofeinen Stoffe auf her­ kömmliche Art ist grundsätzlich nicht möglich, da dies in den meisten Fällen schon bei Luftkontakt und Raumtemperatur zu chemischen Veränderungen und Zusammenklumpungen führt, wodurch die beabsichtigte Wirkung der besonders feinen stofflichen Bestandteile im Gesamtverbund eingeschränkt oder sogar ganz unterbunden wird.

Erforderlich ist daher ein Verfahren, mit dessen Hilfe von Hand oder maschinell mikro- bis nanofein strukturierte anor­ ganische Bindemittel und Baustoffe mit ebenso feinen Zusät­ zen aus metallischen oder nicht-metallischen Stoffen ge­ mischt, sodann mit gasförmigen, flüssigen oder festen Här­ tern versetzt und anschließend weiterverarbeitet werden kön­ nen. Zur Erzielung spezieller Effekte können noch weitere Zusätze in allen möglichen Aggregatzuständen beigemischt werden.

In der DE 86 13 578 U1 ist ein Verfahren zur Vakuumverpac­ kung mikrofeiner Stoffe beschrieben. Dieses Verfahren ist jedoch nicht geeignet für reaktive nanofeine Stoffe, die we­ gen ihrer Reaktionsfreudigkeit bis zur Verwendung überhaupt keine "Luft" enthalten dürfen. Der Luftentzug über eine Art von Papierfilter wäre somit sinnlos, weil dadurch die be­ reits stattgefundene unerwünschte Reaktion mit der Luft nicht mehr rückgängig zu machen wäre. Außerdem würden durch das Papierfilter nicht nur die Luft, sondern auch nanofeine Partikel entweichen.

Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Stoffgemisches werden bei einem Ausführungsbeispiel nanofeine, chemisch abbindende Polysilikate als Bindemittel zur Verarbeitung mit speziellen Härtern, in der Regel modifizierte Wasserglasverbindungen, vermischt. Sodann erfolgt der Auftrag des erfindungsgemäßen Stoffgemisches als "angemachter" Mörtel oder Klebstoff sowie die Montage der zu verbindenden Teile. Die Aushärtung kann anschließend im Klebespalt bei Umgebungstemperatur und somit schonend für die Fügeteile ablaufen.

Claims (8)

1. Chemisch und/oder physikalisch aushärtbares oder sich verfestigendes, mehrkomponentiges Stoffgemisch, dadurch gekennzeichnet, daß als eine Gemischkomponente ein anorganisches Binde­ mittel vorhanden ist, das vor dem Aushärten oder Verfe­ stigen in nanofeiner Form vorliegt, und daß eine weite­ re Komponente als Reaktionspartner für die nanofeine Gemischkomponente und/oder als Reaktionsbeschleuniger oder Katalysator vorgesehen ist.

2. Stoffgemisch nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Partikelgröße der nanofeinen Komponen­ te < 700 nm beträgt.

3. Stoffgemisch nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Partikelgröße der nanofeinen Komponen­ te zwischen 100 und 500 nm beträgt.

4. Stoffgemisch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Komponente als Rißstop-, Flexibilisierungs- oder Dichtzusatz vorgese­ hen ist.

5. Stoffgemisch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Komponente zur gezielten Beeinflussung der elektrischen und/oder ther­ mischen Leitfähigkeit des Stoffgemisches vorgesehen ist.

6. Stoffgemisch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Komponente ebenfalls in nanofeiner Form vorliegt.

7. Stoffgemisch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die nanofeine Gemischkompo­ nente aus der Gruppe der Silikate gewählt ist.

8. Stoffgemisch nach einem der Anprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die nanofeine Gemischkomponente auf Zirkonoxidbasis aufgebaut ist.