DE202009017666U1

DE202009017666U1 - Steinträger

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Publication number: DE202009017666U1
Application number: DE200920017666
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-12-25
Filing date: 2009-12-25
Publication date: 2010-05-20
Anticipated expiration: 2019-12-26

Abstract

Anordnung mit einer Platte, einem Stab oder einer sonstigen Geometrie aus Naturstein, Steingut, Kunststein, Beton, Keramik, glashaltigem Material – im folgenden Stein genannt – welches einseitig oder beidseitig teilweise oder ganz, oder ganz umhüllend mit einer faserhaltigen Matrix – im folgenden Träger genannt – stabilisiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger Nanofasern enthält.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Stabilisierung von Stein im weiteren Sinn, das heißt 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 Steingutplatten oder Steinstäbe, sowie jegliche vorstellbare Geometrie, die in Konstruktion, im Bau, im Maschinenbau und Anlagenbau angewendet wird. Vermehrt werden Steinplatten im Fassadenbau und als Arbeitsplatten, insbesondere 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.
Carbonfasern sind jedoch nicht der neueste Stand der Technik, der bzgl. der Eigenschaften von Carbonfasern durch Carbon Nanotubes noch übertroffen werden. Carbon Nanotubes stellen nach derzeitigem Stand der Technik die aus mechanischer Sicht hochwertigsten Fasern dar.
Die vorliegende Erfindung schlägt deshalb den Weg vor, solche dünn ausgelegten Geometrien aus Stein bzw. Steinstäbe und Steinplatten oder Keramik- bzw. Kunststeinplatten mechanisch-technisch noch anspruchsvolleren Anwendungen zuzuführen, da Nanofasern, insbesondere die Carbon-Nanotubes noch zugstabiler sind und sich bzgl. des Ausdehungsverhaltens, insbesondere beim Herstellungsprozess und der Erzeugung der notwendigen Vorspannung noch vorteilhafter als übliche Carbonfaserqualitäten verhalten. Insbesondere können solche Nanofasern zusammen mit dem Harz im Spritzverfahren auf die Steinplatten aufgebracht werden, was den Herstellungsprozess durch Automatisierung der Beschichtung erleichtert und preiswert macht.
Noch dünnere Steinplatten herzustellen ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung. Um dieses Ziel zu erreichen ist es nicht nur nötig, die Steingutplatten oder Keramikplatten gegen Zug und damit verbundenen Bruch zu stabilisieren, sondern auch einen auf der zu stabilisierenden Steinseite an der Grenzfläche zwischen zu stablisierendem Stein und Stabilisator einen Druckgradienten einzustellen, damit die Steinoberfläche unter permantentem Druck steht. Einen solchen Weg schlägt die Erfindung vor, das Merkmal der Vorspannung in der Steinplatte in weiten Temperaturbereichen ist ein wichtiges Ziel der hier beschriebenen Lösung. Der 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 thermischer Zerstörung durch Reissen der Steinstäbe oder Steinplatten einerseits, und insbesondere auch zusätzlich vor mechanischem Bruch geschützt werden. Die Formstabilität bei Temperaturänderung innerhalb der wetterbedingten Bereiche ist dabei auch von Bedeutung.
Kern der Lösung, das für dünne Steinplatten am besten geeignete Stabilisierungsmatel zu finden ist es, den Gesamtausdehnungskoeffizent des den Stein stabilisierenden Materials auf der den Stein stabilisierenden Seite zwischen Steinplatte und Stabilisierungsmaterial so einzustellen, dass er ähnlich, bzw. kleiner ist als der Gesamtausdehnungskoeoffizient der Steinplatte selbst.
Die Erfindung basiert auf der Stabilisierung von Stein oder Keramik durch ein teilweise oder ganzflächig auf dem Stein angebrachtes faserhaltiges Trägermaterial, welches ein Ausdehungsverhalten hat, der dem Stein möglichst nahe kommt und die höchst mögliche Zugstabilität hat, damit die Faserschicht möglichst dünn ausgeführt werden kann, auch damit die Gesamtstärke der Platte so klein wie möglich oder nötig gehalten werden kann. Dafür werden in der hier vorliegenden Erfindung Carbon-Nanofasern verwendet.
Durch den Stand der Technik ist beschrieben, wie Bauteile aus Stein oder Keramik, die extreme thermisch-statische, wie thermisch- und mechanisch-dynamische Lasten aufnehmen müssen, wenn sie mit Carbonfasern oder anderen Fasern stabilisiert werden. Noch bessere Ergebnisse sind mit Carbon-Nanofasern, sogenantten Carbon-Nantubes erreichbar, und das zu geringeren Gesamt-Herstellungskosten.
Die Aufgabe, der Neigung von dünnen Naturstein- und/oder Keramikplatten zum Brechen oder Reißen auch bei wesentlich leichteren Bauformen sicher entgegenzuwirken, wird durch zusätzliche stabilisierende Trägers bzw. Trägermaterialien gelöst. Zu diesem Zweck wird ein Trägermaterial eingesetzt, welches einen ähnlich geringen, bzw. kleineren Ausdehnungskoeffizienten hat, wie die zu stabilisierte Steinplatte, was mit Carbon-Nanofasern beim derzeitigen Stand der Technik am besten erreicht wird.
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 Carbon-Nanofasern zum Einsatz, die höchsten Zugbelastungen bei minimlem Faseranteil standhalten und sich unter Wärmeeinwirkung nur minimal ausdehnen, also einen sehr kleinen Temperaturausdehnungskoeffizienten besitzen, der in jedem Fall kleiner ist, als der des zu stabilisierenden Steinmaterials. Dadurch werden Steinstäbe, Steinplatten und andere Geometrien aus Stein insbesondere gegen Risse durch Überdehnung und Wärmeeinwirkung geschützt, sowie dem Bruch durch mechanische Belastung senkrecht auf das Steingut entgegengewirkt. Zusätzlich müssen solche Platten – je nach Anwendungsfall – zusätzlich für mechanische Beanspruchungen – wie in der EP 106 20 92 mit einer zusätzlichen Snadwicheinlage beschrieben – stabil gemacht werden. Diese zusätzliche alternative Aussteifung geschieht auch bei dieser Erfindung durch eine Schicht, die aus einem Sandwich von Eierkastengeometrie mit zusätzlichen Unterplatten, oder einer Bienenwabengeometrie, anderen Geometrien aus Zwischenlagen oder dem sogenannten Blähglas oder Holz, ggfls. auch in Kombination mit anderen Fasermaterialien bestehen oder ggfls. gelochte Metallfolien oder ein Gemisch aus diesen Materialien in unterschiedlichen Schichten. Blähglas ist ein aufgeschäumtes Glasmaterial, welches sich durch eine hohe Druckbelastbarkeit, ein geringes spezifisches Gewicht und einen sehr geringen Temperaturausdehungskoeffizienten auszeichnet. Holz zeichnet sich durch eine hohe mechanische Stabilität bei hohem Elastizitätsmodul und trotzdem hoher Biegefestigkeit aus und gelochte Metallbleche haben einen nach aussen gesehen kleinen Ausdehnungskoeffizienten, da sich das Material in die Löcher ausdehnen kann. Die Kombination aus Holz, Stein, Nano-Fasern und ggfls. gelochtem Metallblechgitter sind gemäss dieser Erfindung die derzeit besten Materialkombinationen, die besondere Gewichtsersparnis bei hoher Druckstabilität bei gleichzeitig höhster Dämpfung durch den Nano-Faser stabilisierten Stein, der das gleiche spezifische Gewicht hat wie Aluminium, beste Fexibilität bei geringem Gewicht durch das Holz und und die Zähigkeit durch ein gelochtes Metallblech an der Oberfläche vereinen, also im Verbund mechanische Eigenschaften in einem Hybridwerkstoff realisieren, die durch bisher bekannte Materialkombinationen nicht erreicht werden.
Dünne Steinplatten, zum Beispiel Arbeitsplatten – 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, sicher gegen Rissbildung geschützt. Die üblicherweise 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 Frost ausgesetzt ist, werden durch die Erfindung vollständig ausgeschlossen, ohne dass man auf eine massive Bauform zurückgreifen müsste. Die Gesamt-Platte inklusive der Stabilisierungsschicht kann somit extrem leichtgewichtig werden, ohne zu brechen oder sich zu verziehen bzw. zu schüsseln, wie der Fachjargon sagt. Selbst aller-dünnste Steinplatten können mit Hilfe der Erfindung unter Beibehaltung der Stabilität hergestellt werden, die man von massivem Steinmaterial gewöhnt ist. Das gleiche gilt für Träger im Baubereich, im Automobilbau und ggfls. auch im Flugzeugbau von Tragflächen, beim Bau von Rotorblätter von Windkraftanlagen und Helikoptern und im Sportartikelsegment für Ski, Snowboards, Golfschläger, Tennisschläger und sonstigen Sportartikel, bei denen ein geringes Gewicht bei gleichzeitig optimaler Dämpfung die entscheidende Rolle spielen. Allgemein kann der neu entstandene Verbundwerkstoff Stein mit Carbon-Nanofasern und anderen Materialien wie Holz und dünnen Metallschichten in vielen mechanischen Hochleistungs-Konstruktionen 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 auch Naturstein, der nunmehr optimal gegen Bruch durch hauchdünne Carbon-Nanofaser-Schichten im thermischen und mechanischen Lastfall geschützt ist, weil sie einen kleineren Ausdehnungkoeffizienten hat, als der Stein selbst, insbesondere auch im Hochleistungs-Leichtbau einsetzen kann, was eine Neuheit in der Technik darstellt und deshalb wichtig wird, weil Stein das beste Dämpfungsverhalten aller bekannten druckfesten Materialien besitzt, welches ein fast lineares Dämpfungverhalten aufweist.
Mit Hilfe des Einsatzes von zum Beispiel temperaturstabilen Epoxidharzen, Polyesterharzen, Harzen auf Phenol-, Polyimid-, Cyanatester-, Melamin-, Polyurethan- oder Silikonbasis, genannt Matrix, in Kombination mit Carbon-Nanofasern, die einen kleinen Temperaturausdehnungs-koeffizienten als Stein haben, wird nun eine sichere Stabilisierung von Steinstäben, 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 ultra-dünnen Steingeometrien zu realisieren, um deren dampfende Wirkung in hochleistungsorientierten Maschinenbauteilen insbesondere im Leichtbau zu nutzen.
Die Erfindung wird realisiert durch die Verwendung von teil- oder ganzflächiger Beschichtiung der Steinplatte oder eines Steinstabes mit einem Carbon-Nanofaserlaminat, wobei das Mischungsverhältnis von Faser und Harz so eingestellt werden kann, dass die Ausdehungskoeffizienten von zu stabilisierendem Stein und dem Steinfaserlaminat idealer kleiner oder in der Regel mindestens praktisch identisch sind. Dies kann auch durch eine Beimischung unterschiedlicher zusätzlicher Fasern, ggfls. in unterschiedlichen Schichten, erreicht werden.
Eine der vielen möglichen Ausführungen der Erfindung beschreibt eine Platte aus Steingut (1), die einseitig mit einem Carbon-Nanofaserroving (2) oder in flüssigem Harz eingebrachten und mit dem Harz aufgespritzen Carbon-Nanotube-Fasern 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 oder kleiner dem der zu stablisierenden Steinplatte sein sollte.
2 zeigt diese zweite Ausführung der Erfindung als einen mehr oder weniger langen, relativ dünnen Steinstab (1), der umhüllend mit einer Schicht aus Carbonnanofasermatrix (2) versehen ist, deren Ausdehnungskoeffizient kleiner oder gleich oder maximal nur etwas größer ist, als der der zu stabilisierenden Steinstab.
3 zeigt eine Steinplatte (1), auf deren Stabilsierungsschicht aus Carbon-Nanofasermatrix (2) eine weitere Schicht (3) aus Blähglas aufgeracht ist. Eine Sondervariante wird so geschaffen, wenn die beiden Stabilisierungsschichten (2) und (3) in Summe ein identisches Ausdehungverhalten haben, wie die zu stabilisierende Steinplatte (1).
4 zeigt eine weitere Sondervariante einer beidseitig Carbon-Nanofaser (2)-stabilisierten Steinplatte (1), auf deren oberen Stabilsierungsschicht aus Carbon-Nanofasermatrix eine weitere deckende Schicht (3) aus gelochtem Metallblech aus Titan oder Edelstahl aufgeracht ist, und auf deren Unterseite eine Holzschicht (4) zur weiteren Stabilisierung angebracht ist. Diese Holz-Platte ist auf der Unterseite mit einer weiteren Schicht aus Carbon-Nanotubematrix (2) abgeschlossen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1069220 [0003]
- EP 1062092 [0011]

Claims

Anordnung mit einer Platte, einem Stab oder einer sonstigen Geometrie aus Naturstein, Steingut, Kunststein, Beton, Keramik, glashaltigem Material – im folgenden Stein genannt – welches einseitig oder beidseitig teilweise oder ganz, oder ganz umhüllend mit einer faserhaltigen Matrix – im folgenden Träger genannt – stabilisiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger Nanofasern enthält.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nanofasern Carbonfasern mit Röhrchenform, also Carbon-Nanotubes sind.
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 normalen Carbonfasern und Carbon-Nanofasern ist oder aus mehreren unterschiedlichen Faserschichten besteht.
Anordnung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß unter der stabilisierenden Faser-Matrix ein weiterer Träger aus Holz oder z. B. in Form einer Eierkastengeometrie, eines gepfalzten phenolharzgetränkten Papiers, einer Bienenwabenstruktur oder aus Blähglas oder aus dem gleichen oder einem ähnlichen Steinmaterial, wie der zu stabilisierende Stein, zur zusätzlichen mechanischen Stabilisierung angebracht ist.
Anordnung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix und Faser – ggfls auch zusammen mit der zusätzlichen Stabilisierungsschicht – einen Gesamt-Ausdehungskoeffizineten ähnlich dem des zu stabilisierenden Steins haben.
Anordnung nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausdehungskoeffizent der Nanofasermatrix kleiner oder gleich dem des zu stabilisierenden Steins ist.
Anordnung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Carbon-Nanofaser-stabilisierte Stein als stabförmiges tragendes Bauteil im Bau und Maschinenbau Verwendung findet.
Anordnung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Carbon-Nanofaser-Schicht auf einer oder beiden Seiten einer Steinplatte oder umhüllend um einen Steinstab eine Schicht aus gelochtem Blech, wie zum Beispiel Alumnium oder vorzugsweise auch aus Edelstahl oder Titan, aufgebracht ist.