DE202006018069U1

DE202006018069U1 - Stablisierte Dünn-Platte

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Publication number: DE202006018069U1
Application number: DE202006018069U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-11-28
Filing date: 2006-11-28
Publication date: 2007-02-08
Anticipated expiration: 2016-11-29
Also published as: DE202006018069U9

Abstract

Anordnung mit einer Platte aus Stein, Naturstein, Steingut, Kunststein, Beton, Keramik, glashaltigem Material oder Glas – im folgenden Stein genannt – welches einseitig teilweise oder ganz mit einer faserhaltigen Matrix – im folgenden Träger genannt – stabilisiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke von Platte und Träger mindestns 9,9999 mm und nicht mehr als 10,9999 mm beträgt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Stabilisierung von möglichst dünnen Platten aus Naturstein, Kunststein aller Art, Beton und sonstiges Steingut, sowie Keramik bis hin zu glashaltigen Substanzen – im folgenden Stein oder Steingut genannt – die durch eine spröde und bruchgefährdete Struktur gekennzeichnet sind. Hier sind besonders Natursteine wie Granit, Basalt, granitähnliche Gesteine wie Gneis, sowie Marmor, Kalkstein, hochdruckfeste moderne Keramiken, Glaskeramik oder Glas zu erwähnen, sowie alle sonstigen Materialien aus Stein oder Keramik, natürlich oder künstlich entstandenes Steingut, die in der Regel hoch druckbelastbar sind.
Diese Materialien werden im fogenden als Stein oder Steingut bezeichnet. Sie zeichnen sich zwar einerseits durch eine hohe Belastbarkeit bei Druckbeanspruchung aus, sind dagegen aber fast völlig instabil bei Zug- und Biegebelastung, insbesondere dann, wenn Sie möglichst dünn und materialsparend, philigran und insbesondere leichtgewichtig ausgelegt werden sollen.
Dabei handelt es sich vorwiegend um dünne Steinplatten, die in Konstruktion, im Bau und Fassadenbau, im Maschinenbau und Anlagenbau angewendet werden, oder im häuslichen Innenbereich als Tischplatten oder Küchenarbeitsplatten Anwendung finden. Vermehrt werden insbesondere dünne Küchenarbeitsplatten Verwendung finden, aber auch in anderen Bereichen, wie dem Möbel- oder Armaturenbau und im Baugewerbe als Treppenstufen, Wandverkleidungen und Bodenfliesen, sowie generell im Baugewerbe eingesetzt werden. Stein als Lieferant für alle möglichen Teile, wenn er z.B. mit Carbonfasern stabilisiert wird, so wie in der EP 106 92 20 beschrieben, haben zwischenzeitlich den Weg in die industrielle Anwendung gefunden.
Die vorliegende Erfindung schlägt einen Weg vor, solche dünn ausgelegten Geometrien aus Stein, insbesondere dünne Steinplatten oder Keramik- bzw. Kunststeinplatten nachhaltig auf möglichst preiswerte Weise so zu stabilisieren, dass sie in weiten Temperaturbereichen stabil bleiben, das heisst, dass der Stein vor Bruch geschützt ist. Auch unter mechanischer Belastung so stabilisiert zu bleiben, dass der Stein vor Bruch geschützt ist, ist die Herausforderung für die hier beschriebene Lösung. Dabei soll die Steinplatte neue Eigenschaften bekommen, die man von Stein so bisher nicht kennt, er soll nämlich flexibel werden, biegbar sein, ohne dass die polierte Oberfläche durch die Biegung beschädigt wird. Die neu geschaffene Elastizität der Platte sorgt ausserdem für eine höhere Schlagzähigkeit und für ein gewisses Nachgeben des Materials im Fall von Schlag- oder Stossbelastung durch Impulse, wie sie durch das Fallen eines Topfes auf eine Küchenarbeitsplatte verursacht werden.
Dünne Steinplatten so zu stabilisieren, dass sie moeglichst leicht und flexibel werden und dabei trotzdem möglichst gerade bleiben, soll ein wesentliches Ziel der vorliegenden Erfindung sein. Um dieses Ziel zu erreichen sind zwei Dinge nötig. Eine Eigenschaft ist, dass die Platte eine Stärke bekommt, die sie biegbar macht. Die Beobachtung zeigt, dass Steinplatten, je dünner sie werden, biegbar sind, ohne zu brechen. Zweitens ist es nötig, die Steingutplatten oder Keramikplatten gegen Zug und damit verbundenen Bruch durch Überdehnung nachhaltig zu stabilisieren. Dafür ist es wichtig, dass der den Stein stbilisierende Träger nach Möglichkeit einen kleineren Temperaturausdehnungskoeffizienten hat, als der zu stabilisierende Stein.
Die Erfindung schlägt einen Weg vor, die Merkmale der Biegbarkeit und Elastizität bei gleichzeitigem Schutz gegen Brechen der Steinplatte so zu optimieren, dass die Platte in weiten Temperaturbereichen stabil bleibt und bei Druck auf die Steinoberfläche zwar nachgibt, aber immer nur so viel, dass nicht die winzigste Verletzung der Steinoberfläche entsteht. Es ist ein wichtiges Ziel der hier beschriebenen Lösung, speziell die Abstimmung von Steinstärke und Stabilisierungsschicht zu optimieren, um zum Beispiel eine dünne Küchenarbeitsplatte so zu optimieren, dass diese möglichst stabil und trotzdem gleichzeitig zäh, sowie andererseits möglichst leicht wird.
Der hier vorgeschlagene Weg gewährleistet, daß sowohl Stein, als auch Keramik unter den unterschiedlichsten thermisch bedingten mechanischen Belastungen, sowie auch rein mechanischen Belastungen so stabilisiert wird, daß sie durch eine, für die jeweiligen Einsatz- und Belastungsfälle geeignete, Stabilisierung vor mechanischer Zerstörung durch Reissen der Steinplatten einerseits, und insbesondere auch zusätzlich vor mechanischem Bruch geschützt werden und dabei möglichst leicht wird.
Kern der Lösung ist, die für dünne Steinplatten einerseits am besten passende Stärke zu finden – auch unter Kostengesichtspunkten –, sowie das am besten geeignete Stabilisierungsmaterial zu finden. Wichtig ist es, den Gesamtausdehnungskoeffizent des den Stein stabilisierenden Materials auf der den Stein stabilisierenden Seite zwischen Steinplatte und Stabilisierungsmaterial so einzustellen, dass er ähnlich oder besser noch immer etwas kleiner ist, als der Gesamtausdehnungskoeoffizient der Steinplatte selbst.
Die Erfindung basiert auf der Verwendung einer circa 10 mm starken Platte aus Stein und der Stabilisierung von dieser Steinplatte durch ein teilweise oder ganzflächig auf dem Stein angebrachtes faserhaltiges Trägermaterial, welches ein Ausdehungsverhalten hat, das dem Stein möglichst nahe kommt. Dafür werden in der hier vorliegenden Erfindung Carbonfasern und/oder Steinfasern, insbesondere Basaltfasern verwendet.
Die Plattenstärke von 10 mm ist das untere Mass, welches in modernen Gattersägewerken gesägt werden kann und bei dem die Platte noch gerade so stabil ist, dass sie nicht bricht. In diesem Zustand ist die Platte auch sehr gut biegbar und elastisch, ohne beim Handling ohne Stabilisierung sofort zu brechen. Aus diesem Grund ist dieses Mass so wichtig im Zusammenhang mit dieser Erfindung.
Bekannt sind bisher Leichtbauformen bei denen wie bei dieser neuen Erfindung auch eine möglichst dünne Natursteinschicht mit Faser-Matrix vor Bruch geschützt wird und flächig durch einen zusätzlichen Unterbau verschiedener Trägermaterialien und Trägerformen, wie Rahmen, Waben und ähnliche Konstruktionen verstärkt und dadurch belastbar gemacht wird, beziehungsweise es erst ermöglicht wird, Steingeometrien wie Steinplatten oder Steinstäbe entsprechend dünn auszuführen. Das Trägermaterial ist dabei in der Regel bisher unter dem Gesichtspunkt ausgewählt worden, daß es bei ausreichender mechanischer Festigkeit hauptsächlich von dem Einsatz herkömmlicher Materialien wie Stahl und Aluminium, oder solchen Schichten bestimmt is, die aus einem ähnlichen oder gleichen Material, wie das zu stabilisierende Material bestehen. Neuere Methoden schlagen Glasfasern, Aramidfasern oder Kohlefasern als Trägermaterial vor. Jede dieser Fasern hat einen bestimmten phsikalischen Vorteil, aber auch spezifische Nachteile, je nach Anwendungsfall. Geeigneter vom Gesamtspektrum der physikalischen Eigenschaften scheint Carbonfaser oder auch die Steinfaser selbst zu haben, um Stein zu stabilisieren. Der Ausdehungskoeffizient, die Zugfestigkeit und Zugdehnung kommt dem den physikalischen Eigenschaften des Steins am nächsten. Es werden zusätzlich beispielsweise gerade, gewellte oder wabenförmige Metall- bzw. Aluminiumbleche, Holzplatten und Stahl- oder Holzrahmen, oder weitere Steinplatten als Trägermaterial verwendet, wobei die dünnen Steingeometrien eine Stärke von bis 15 mm oder weniger haben können, ohne zu brechen. Solche zusätzlichen stabilisierenden Massnahmen werden bei dieser Erfindung nicht benötigt, wobei das kennzeichnende Merkmal grundsätzlich die Steinschichtstärke von circa 100 mm hat und die Verwendung von Carbonfasern oder Steinfasern vorgeschlagen wird, die als Stabilisierungsschicht direkt auf den Stein aufgebracht zu werden, um die zu stabilisierenden Steinplatte flexibel und gleichzeitig bruchsicher zu machen.
Das Trägermaterial, im folgenden Träger genannt, besteht – wie in der Patentanmeldung EP 106 20 92 beschrieben – aus einer eine faserverstärkten Matrix, die ein Kunstharz oder gegebenenfalls selbst ein Keramikmaterial ist. Es kommen dabei z.B. Carbonfasern zum Einsatz, die hohe Zugbelastungen standhalten und sich unter Wärmeeinwirkung zusammenziehen, also einen negativen Temperaturausdehnungskoeffizienten besitzen und eine mehr oder weniger dünne Steinplatte stabilisieren. Dadurch wird die Platte insbesondere gegen Risse durch Überdehnung und Hitzeeinwirkung geschützt, sowie dem Bruch durch mechanische Belastung senkrecht auf das Steingut entgegengewirkt. Ausserdem können Steinfasern zum Einsatz kommen, da diese ebenfalls sehr zugbelastbar sind und einen kleinen Ausdehungskoeffizienten besitzen.
Ein zusätzliches Stabilisierungsverfahren ist es, in Kombination mit Carbonfasern und/oder Steinfasern auch die Verwendung von Glasfaser- oder Aramidfaserlaminaten zu applizieren, die zusammen mit der Carbonfaser oder Stein- oder Basaltfaser den Stein mehr oder weniger grossflächig oder auch ganzflächig einseitig stabilisieren. Das Ergebnis ist eine druck- und zugspannungsbelastbare Steingeometrie, die in normalen Anwendungsfällen für eine ausreichende Stabilisierung des Steins für thermische und mechanische Belastungsfälle sorgt. Wenn die Platte als Arbeitsplatte dient, befindet sich die stabilisierende Schicht unten, die den Druck oder einen Stoss von oben auf die Platte rissfrei abfängt, bzw. vielmehr regelrecht abfedert, was die neue Qualität durch diese Erfindung bedeutet.
In den meisten Fällen ist eine ausreichende Stabilisierung bereits mit einem dünnen Film von Carbonfasermaterial oder Steinfasermatrix erreicht, die sowohl eine Stabilisierung im thermischen, als auch im mechanischen Lastfall gewährleistet.
Die Aufgabe, der Neigung von dünnen Naturstein- und/oder Keramikplatten zum Brechen oder Reißen auch bei wesentlich leichteren Bauformen sicher entgegenzuwirken, wird durch den stabilisierenden Träger bzw. die stabilisierenden Trägermaterialien gelöst. Zu diesem Zweck wird ein Trägermaterial eingesetzt, welches einen ähnlich geringen Ausdehnungskoeffizienten hat, wie die zu stabilisierte Steinplatte.
Das Trägermaterial, im folgenden Träger genannt, besteht aus einer faserverstärkten Matrix, die ein Kunstharz oder gegebenenfalls selbst ein Keramikmaterial ist. Es kommen dabei als Fasermaterial Carbonfasern, Steinfasern, insbesondere Basaltfasern, zum Einsatz, die hohe Zugbelastungen standhalten und sich unter Wärmeeinwirkung nur minimal ausdehnen, also einen sehr kleinen Temperaturausdehnungskoeffizienten besitzen, der in der Regel kleiner ist, als der des zu stabilisierenden Steinmaterials. Dadurch werden Steinplatten insbesondere gegen Risse durch Überdehnung und Wärmeeinwirkung geschützt, sowie dem Bruch durch mechanische Belastung senkrecht auf das Steingut entgegengewirkt. Zusätzlich müssen soche Platten bisher – je nach Anwendungsfall – zusätzlich für mechanische Beanspruchungen – wie in der EP 106 20 92 mit einer zusätzlichen Snadwicheinlage beschrieben – stabil gemacht werden. Dies ist bei der hier vorliegenden Erfindung nicht mehr nötig, da die Platte sich nach unten – sofern der Träger sich unter der Platte befindet – durchbiegen kann, ohne dass der Stein bricht. Allenfalls kann eine weitere Schicht eingestzt werden, die aus einem flexiblen Material, zum Beispiel einem gummiartigen Material betseht, welches Stösse zusätzlich dämpfen kann.
Dünne Steinplatten, zum Beispiel Arbeistplatten – insbesondere Küchenarbeitsplatten – und Fassadenverkleidungen, werden durch die Erfindung insbesondere bei gleichzeitiger thermischer und mechanischer Belastung und der damit verbundenen Träger-Materialdehnung, die zu Rissen oder Oberflächenbrüchen des getragenen Stein-Materials führen würde, nicht nur sicher gegen Rissbildung geschützt, sondern werden insbesondere schlagzäh im Falle von Impulseinwirkung. Die üblicherweise dadurch entstehenden, unter Umständen mikroskopisch kleinen Haarrisse, die zum schnellen Verfall des Steins führen, insbesondere dann, wenn er im Außenbereich, oder als Arbeitsplatte im Küchenbereich ständig wechselnden Temperaturen, mechanischen Druckbelastungen und Wasser und evtl. Frost ausgesetzt ist, werden durch die Erfindung vollständig ausgeschlossen, ohne dass man auf eine massive Bauform zurückgreifen müsste und die Platte dabei so leicht, wei nur irgend möglich wird. Die Gesamt-Platte inklusive der Stabilisierungsschicht kann somit extrem leichtgewichtig werden und trotzdem extreme Druck-, Biege- und Impulsbelastungen aufnehmen, ohne zu brechen oder Haarrisse zu bekommen und sind trotzdem zu halbwegs günstigen Kosten herstellbar.
Diese dünnen Steinplatten können mit Hilfe der Erfindung unter Beibehaltung ausreichender Stabilität hergestellt werden, die man von massivem Steinmaterial gewöhnt ist. Allgemein kann diese neu entstandene Steinplatte in vielen Bereichen Stahl und Aluminium ersetzen. Natur-Stein hat ein spezifisches Gewicht gleich dem von Aluminium und die Druckfestigkeit von einem normalen Baustahl, was bedeutet, dass man Stein, insbesondere die Natursteinplatte, die nunmehr gegen Bruch geschützt ist, weil sie einen kleineren Ausdehnungkoeffizienten hat, als der Stein selbst, insbesondere auch im Leichtbau einsetzen kann, was eine Neuheit in der Technik darstellt und deshalb wichtig wird, weil Stein in grenzenlosen Massen als billiges Material überall auf der Welt zur Verfügung steht und sehr energeischonend gewonnen und leicht abgebaut werden kann.
Mit Hilfe des Einsatzes von zum Beispiel temperaturstabilen Epoxidharzen, Polyesterharzen, Harzen auf Phenol-, Polyimid-, Cyanatester-, Melamin-, Polyurethan- oder Silikonbasis, genannt Matrix, in Kombination mit Carbonfasern oder Steinfasern, die einen kleineren Temperaturausdehnungskoeffizienten als Stein haben, wird nun eine sichere Stabilisierung von Steinplatten, die ihrerseits der Stabilisierung von faserstrukturierten Bauteilen sowie auch Steinbauteilen selbst dienen können, möglich.
Es wird darüber hinaus die Forderung erfüllt, die mechanische Belastbarkeit und Temperaturbelastbarkeit von dünnen Steingeometrien so zu optimieren, daß der Gesamt-Ausdehnungskoeffizient einer Steinplatte in weiten Temperaturbereichen in der Stabilisierungsschicht auf einen gleichen oder ähnlichen Wert eingestellt werden kann, um unter anderem auch das Schüsseln von dünnen Stein-Platten zu vermeiden und trotzdem eine Leichtbauweise zu realisieren. In dem Moment, wo es gelingt die Dehnung der stabilisierenden Schicht aus Carbonfaser oder Steinfaser durch Einbringung einer gewissen Vorspannung kleiner zu halten, als die Dehnung des Steins selbst, wird man auf diese Weise stabilisierte Steinstäbe sogar in gewissen Grenzen in die der Stabilisierungsschicht entgegengesetzten Seite biegen können, ohne dass diese brechen. Basis für diese Erkenntnis ist die im Zusammenhang mit dieser Erfindung gemachte Beobachtung, dass insbesondere Naturstein sich tatsächlich zerstörungsfrei komprimieren lässt, also z. B. eine Steinplatte sich durch Biege-Druck in der Länge an einer polierten Steinseite verkleinern lasst, ohne dass die polierte Oberfläche den geringsten Schaden nimmt.
Die Erfindung wird realisiert durch die einseitige teil- oder ganzflächige Beschichtiung einer 10 mm Steinplatte, die eine Tolerenz von minus 1 mm bis zu plus 0,9 mm haben kann, mit einem Carbonfaser- oder Steinfaserlaminat, wobei das Mischungsverhältnis von Faser und Harz so eingestellt werden kann, dass die Ausdehungskoeffizienten von zu stabilisierendem Stein und dem Steinfaserlaminat kleiner oder mindestens praktisch identisch sind. Die Gesamtstärke der Platte bleibt dabei unter 11 mm, mit einer Toleranz von 1/1000 mm. Die Gesamtträgerschicht und deren Stärke kann auch durch eine Mischung unterschiedlicher zusätzlicher Fasern erreicht werden. Die Gesamtstärke der Platte beträgt mit Stabilisierungsschicht zwischen 9,9999 mm und 10,9999 mm.
Eine der vielen möglichen Ausführungen der Erfindung beschreibt eine Platte aus Steingut (1), die einseitig mit einem Carbonfaserroving (2) stabilisiert wird (1). Die Verbindung zwischen Stein und Faser wird z. B. durch eine temperaturstabile Epoxidharzmatrix hergestellt, welche sich je nach Einsatzgebiet entsprechend thermisch stabil belasten lässt und deren Gesamt-Ausdehungskoeffizent von Faser und Matrix ähnlich dem der zu stablisierenden Steinplatte sein sollte.
2 zeigt diese zweite Ausführung der Erfindung als eine 10 mm Steinplatte (1), die teilwesie mit einer Schicht aus Steinfasermatrix (2) versehen ist, deren Ausdehnungskoeffizient kleiner oder gleich oder maximal nur etwas größer ist, als der der zu stabilisierenden Steinplatte, die als Küchenarbeitsplatte mit einem dekorativen Rand (3) und Ausschnitten (4) für Spülbecken und Kochfeld versehen ist.
3 zeigt eine Sondervariante der Steinplatte als Arbeitsplatte (1), deren Stabilsierungsschicht aus Steinfasermatrix (2) gleiches oder mindestens identisches Ausdehungverhalten hat, wie die zu stabilisierende Steinplatte. Zusätzlich ist eine dämpfende Gummischicht (3) unter dem Träger angebracht.

Claims

Anordnung mit einer Platte aus Stein, Naturstein, Steingut, Kunststein, Beton, Keramik, glashaltigem Material oder Glas – im folgenden Stein genannt – welches einseitig teilweise oder ganz mit einer faserhaltigen Matrix – im folgenden Träger genannt – stabilisiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke von Platte und Träger mindestns 9,9999 mm und nicht mehr als 10,9999 mm beträgt.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger Carbonfasern enthält.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger Steinfasern, insbesondere Basaltfasern, enthält.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix des Trägers eine Epoxidharz-, Polyesterharz-, Phenolharz-, Polyimidharz-, Cyanatesterharz-, Melaminharz-, Polyurethanharz- oder Silikonharzbasis hat.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix eine Keramik- oder Wasserglassbasis hat.
Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger ein Gemisch unterschiedlicher zusätzlicher Fasermaterialien, z.B. Glasfasern oder Aramidfasern, ist oder aus meheren unterschiedlichen dieser Faserschichten besteht oder auch ein Gemisch von Carbon- und Steinfasern mit anderen Fasermaterialien ist.
Anordnung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Matrix und Fasern einen Gesamt-Ausdehungskoeffizieten ähnlich dem des zu stabilisierenden Steins haben.
Anordnung nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausdehungskoeffizent der Fasermatrix kleiner oder gleich dem des zu stabilisierenden Steins ist.
Anordnung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die faserstabilisierte Platte als tragendes Bauteil im Bau und Maschinenbau ausgeführt ist.
Anordnung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Fasern stabilisierte Platte als Arbeitsplatte, insbesondere als Küchenarbeitsplatte, ausgeführt ist.
Anordnung nach jeweils einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß für den Fall, dass Keramik auf die in den Ansprüchen 1 bis 10 festgelegte Weise stabilisiert wird, die Steinfaser in das Keramikmaterial eingearbeitet ist und somit das zu tragende Material zusammen mit der Steinfaser selbst zum Trägermaterial wird, so dass das so gewonnene Material unter anderem ein Bremsbelag oder ein selbststabilisierendes Bauteil wird.
Anordnung gemäß Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß unter dem Träger teilflächig, grossflächig oder ganzflächig eine dämpfende weitere Schicht, insbesondere ein mehr oder weniger weiches Kunststoff-, Kautschuk- oder Gummi-haltiges Material angebracht ist, welches je nach Dämpfungsnotwendigkeiten mehr oder weniger dick ausgeführt ist.