DE2718745A1

DE2718745A1 - Synthetische mineralfasern, verfahren zu ihrer herstellung und diese enthaltende erzeugnisse

Info

Publication number: DE2718745A1
Application number: DE19772718745
Authority: DE
Inventors: Kjeld Holbek
Original assignee: Rockwool International AS
Current assignee: Rockwool AS
Priority date: 1976-04-29
Filing date: 1977-04-27
Publication date: 1977-12-15
Also published as: DK180977A; GB1528416A; NL7704668A; SE7704894L; FI771320A

Description

Synthetische Mineralfasern, Verfahren zu ihrer Herstellung und diese enthaltende Erzeugnisse

Die Erfindung bezieht sich auf thermisch modifizierte synthetische Mineralfasern und insbesondere auf Mineralfasern, die in einer Flüssigkeit oder einem teilchenförmigen Material gleichförmig verteilt werden können.

Asbestfasern haben weit verbreitete Verwendung zur Verstärkung von Erzeugnissen aus Portlandzement und anderen zementartigen Erzeugnissen gefunden. Es ist auch gut bekannt, Erzeugnisse aus einer Matrix von Calciumsilikaten oder organischen Stoffen, wie Kunststoffen, mit Asbestfasern zu verstärken. Die Verwendung von Asbestfasern jedoch bei der kommerziellen Herstellung verstärkter Erzeugnisse bietet ein ernstes Problem, weil Asbestfasern

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gesundheitscchädlich sein können, indem sie Erkrankungen der Lungenund der Luftwege verursachen.

Es ist versucht worden, Asbestfasern in faserverstärkten Erzeugnissen durch synthetische Mineralfasern, wie Steinwollefasern, ochlacken- und Glasfasern, zu ersetzen.

Solche Versuche waren jedoch nicht voll zufriedenstellend, v/eil gewöhnliche oteinwollfasern und Schlackenwollfasern in einem Zementbrei nicht gleichförmig verteilt werden können lind weil sowohl oteinwoll-, Schlackenwoll- und Glasfasern leicht in der stark alkalischen Umgebung von Zementaufs chlämmungen angegriffen werden.

Weiter ist versucht worden, flüssigen Aufschlämmungen verschiedene Zusätze mit synthetischen Pasern zuzusetzen, um die Verteilung solcher Pasern darin zu verbessern. Beispiele solcher Zusätze sind Polyelektrolyte, Stearate, Lignosulfonate und kationenaktive Mittel.

Das Einarbeiten solcher Zusätze setzt jedoch gewöhnlich die Festigkeit der Bindungen zwischen den Pasern und der Matrix in den Endprodukten herab, und als Folge hiervon wird die gewünschte Verstärkung der Erzeugnisse nicht erreicht.

Um die Verteilung von Mineralfasern in flüssigen Materialien zu verbessern und die Y/iderstandsfähigkeit von Mineralfasern gegen den Angriff von Alkalien zu erhöhen, ist auch vorgeschlagen worden, solche Fasern einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur zwischen 550 und 900⁰C und bevorzugt 700⁰C zu unterwerfen. Bei der kommerziellen Produktion von Geweben aus solchen wärmebehandelten Pasern ist es schwierig, eine gleichförmige Behandlung der Pasern zu erreichen, weil die Gewebe voluminös und wärmeisolierend

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sind.

Solche Gev/ebe können komprimiert v/erden, ua dichtere erzeugnisse zu erhalten, aber in dieseu Falle wird es noch schwieriger, eine gleichförmige wärmebehandlung aller Fasern zu erhalten.

Aufgabe der Erfindung ist es, thermisch modifizierte synthetische Mineralfasern zur Verfügung zu stellen, die in einer Flüssigkeit oder einem teilchenförmigen Material gleichförmig verteilt werden können. Solche synthetischen Mineralfasern sollen ferner eine verbesserte Beständigkeit gegenüber dem Angriff von Alkalien aufweisen. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein einfaches Verfahxen zur Herstellung verbesserter synthetischer Mineralfasern anzugeben. Außerdem soll die Erfindung zu verstärkten Erzeugnissen führen, die gleichförmig darin verteilte synthetische Mineralfasern enthalten. Schließlich soll die Erfindung faserverstärkte Erzeugnisse mit verbesserten mechanischen Eigenschaften bieten.

Überraschenderweise wurde gefunden, daß synthetische Mineralfasern, die eine Autoklavenbehandlung erfahren haben, die gewünschten Eigenschaften aufweisen.

So zeichnen sich die erfindungsgemäßen Ilineralfasern dadurch aus, daß sie bei einer Temperatur von wenigstens 12ü°C in Gegenwart von gesättigtem Dampf für wenigstens 1 h im Autoklaven behandelt worden sind.

Überraschenderweise wurde gefunden, daß solche Fasern gleichförmig verteilt werden können, d.h. keine Faserklumpen bilden, wenn sie anschließend mit flüssigen oder teilchenförmigen Materialien gemischt werden.

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Außerdem sind die erfindungs^eiuäßen Pasern nicht brüchig v/ie fasern, die einer Temperatur von etwa 700 C unterworfen worden sind, und daher neigen diese Fasern weniger zum Brechen zu kürzeren Fasern oder Fasersegmenten beim Mischvorgang.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung der zuvor beschriebenen Mineralfasern. Bei diesem Verfahren v/erden die Fasern bei einer Temperatur von wenigstens 120⁰C in Gegenwart von gesättigtem Dampf für wenigstens 1 h i;:i Autoklaven behandelt. Die Fasern v/erden vorzugsweise bei eini
behandelt.

se bei einer Temperatur von 150 bis 20O⁰C im Autoklaven

Es scheint, daß 3ich die Eigenschaften der Fasern mit zunehmender Behandlungsdauer verbessern. Jedoch wurde gefunden, daß die Autoklavenbehandlung für 3 bis 8 h zu Fasern mit voll zufriedenstellender Qualität führt.

Die der Autoklavenbehandlung zu unterwerfenden Fasern v/erden bevorzugt gründlich mit Wasser befeuchtet, bevor sie im ,.utoklaven behandelt v/erden.

Es kann wünschenswert sein, dem zum Befeuchten der Fasern verwendeten Wasser eine kleine Menge eines befeuchtenden Mittels, z.B. 0,1 /j Triton CF 10, zuzusetzen.

Es kann auch wünschenswert sein, andere Zusätze zuzugeben, um die für die Autoklavenbehandlung der Fasern erforderliche Zeit zu verkürzen.

Beispiele für geeignete synthetische anorganische Fasern zur Verwendung im erfindungsgemäßen Verfahren sind Steinwollfasern, Glasfasern, Faserglas oder Glasseide, Schlak-

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kenwollfasern, keramische Fasern und idneralfaserstränge.

Die Eigenschaften der synthetischen Steinwollfasern und Glasfasern gemäß der Erfindung wurden mit denen gewöhnlicher Steinwollfasern, Schlackenwollfasern und Glaswollfasern, die bei einer Temperatur von 700⁰C behandelt worden waren, verglichen. Diese Fasern wurden folgenden Tests unterworfen:

1. Naßvolumen

6 g Fasern wurden in 1 UOO ml \7asser auf ge schlämmt, und der Brei wurde in einen 1 1-Meßzylinder überführt, der mit einem Stopfen versehen war. Der IIel.;zylinder wurde zehnmal umgedreht und dann 5 min stehengelassen. Die Höhe der so gebildeten Fasersäule (Sedimentationshöhe) wurde dann bestimmt. Die Sedimentationshöhe ist ein Maß für die Defibrationseigenschaften. Diese werden also mit abnehmender Sedimentationshöhe besser.

2. pH-Wert

Die Fasern wurden in einer Konzentration von 2 Gewichtsprozent in destilliertem V/'asser auf ge schlämmt. Der pH- \/ert der wässrigen Aufschlämmung wurde zu Beginn des Tests und nach 1, 5, 7, 24 und 27 h nach Beginn bestimmt.

3. Dispersionsgrad

Aufschlämmungen mit zunehmenden Faserkonzentrationen wurden hergestellt. Diese Aufschlämmungen wurden eine bestimmte Zeit lang bewegt. Danach wurden sie ausgewertet und die maximal dispergierbare Faserkonzentration aufgezeichnet.

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4. Befeuchtung

Faserbüschel wurden auf die Oberfläche von Wasser gebracht und die Zeit, nach der diese Büschel unter die Wasseroberfläche sanken, aufgezeichnet.

Die bei diesen Tests erhaltenen Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle I wiedergegeben!

'.lie aus der Tabelle I hervorgeht, sind die Eigenschaften der im Autoklaven behandelten Fasern beträchtlich besser als die unbehandelter Fasern.

Der Einfluß von Zeit und Temperatur auf die Sedimentation von oteinwollfasern wurde durch Autoklavenbehandlung von Proben gewöhnlicher Steinwollfasern in einem Autoklaven getestet. Alle Proben wurden befeuchtet und zentrifugiert, bevor sie in den Autoklaven gebracht wurden. In manchen Fällen (+) wurde ein Befeuchtungsmittel dem Wasser für die Befeuchtung zugesetzt (die Fasern wurden mit einer 0,1 zeigen wässrigen Lösung von Triton CF 10 behandelt).

Die erhaltenen Ergebnisse finden sich in der Tabelle II.

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Tabelle I Naßvolumen

¹O

890 ml 700 ml 1000 ml 400 ml 350 ml 550 ml

pH-Wert

24 27

Dispersionsgrad

8,0	8,6	9,1	8,9	8,6	10,1
8,5	-	-	9,3	-	-
-	9,2	9,2	-	9,0	9,6
8,9	9,2	9,1	9,3	8,9	9,6
9,0	9,2	9,2	9,2	8,9	-
9,2	9,5	9,3	9,2	9,1	9,6
9,2	-	-	9,1		_

_o ^>a

0,5 ^f/b 5 V

5 :-i

5 >

"n

Befeuchtung 8 sec. 60 sec. 3,5 sec. 2,5 sec. 2,5 sec. 3,5 sec,

Aq = gewöhnliche Steinwollfasern B₀ = gewöhnliche ochlackenwollfasern C_n = gewöhnliche Glaswollfasern

A₂ s bei 2OO°C/16 at/ 5 h im Autoklaven behandelte Steinwollfasern

B₂ = bei 2OO°c/i6 at/5 h im Autoklaven behandelte 'ό chlackenwollf asern

C_? = bei 2OÜ°C/16 at/5 h im Autoklaven behandelte Glaswollfasern

Tabelle II

Befeuchtung- Zeit, Temperatur, oedimentationsraittel h ⁰C höhe nach 5 min

950 680 810 900 390 500 480 550 520 680 500 500 690 540 550 430 710 570

Der Tabelle II ist zu entnehmen, daß die Sedimentationshöhe mit zunehmender Behandlungsdauer abnimmt und daß sie mit steigenden Temperaturen zum Anwachsen neigt.

Die erfindungsgemäßen Fasern können mit zahlreichen flüssigen oder teilchenförmigen Materialien zu Gemischen zusammengemischt werden, in denen die Fasern gleichförmig verteilt sind.

2	20ü
1	150
1	200
15	200
20	200
2U	200
8	200
3	200
2	200
4	200
21	200
2	200
4	180
4	200
18	160
1	200
4	160

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Die erfindungsgemäßen Fasern eignen sich insbesondere zur Verwendung bei der Herstellung von faserverstärkten Zementerzeugnissen, wie verstärktem Portlandzement, Gips und CaI-ciumsilikaterzeugnissen. Beispiele für solche Erzeugnisse sind Bauelemente und insbesondere Dachplatten und Wandplatten .

Bei Verwendung für die Herstellung solcher Elemente können die Pasern mit anderen Fasern, wie Cellulosefaser^ kombiniert werden. Beispiele für solche Fasern sind Sulfatcellulosefasern, Sulfitcellulosefasern, gebleichte Cellulosefasern, Holzpulpefasern und Rayonfasern.

Erfindungsgemäße Fasern enthaltende Aufschlämmungen können auch Weichmacher, Gleitmittel und/oder anorganische Füllstoffe enthalten.

Sollen faserverstärkte Erzeugnisse mit geringem Elastizitätsmodul und hoher Schlagfestigkeit hergestellt v/erden, sollte das Gemisch, aus dem solche Erzeugnisse hergestellt werden, vorzugsweise verhältnismäßig weiche Teilchen, v/ie Calciumcarbonat, Perlit, Glimmer und Vermiculitteilchen, enthalten.

Die erfindungsgemäßen Fasern können mit den übrigen Komponenten entweder in trockner oder flüssiger Form gemischt werden. Vorzugsweise erfolgt der Mschvorgang in flüssiger Form, um ein Brechen der Fasern zu kürzeren Längen zu verhindern.

Der pH-Wert des gebildeten wässrigen Gemischs wird bevorzugt auf einen Wert nicht über 12 eingestellt, da die Fasern bei höheren pH-Werten gegenüber einem Angriff durch Alkalien weniger beständig sind. Die Einstellung des pH-Werts kann durch Zusatz von Puzzolanen zum Gemisch oder durch Verwendung von Zementmaterialien mit geringem Alka-

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ligehalt erfolgen.

Um die Bildung von Brüchen in den erfindungsgemäßen Fasern beim innigen Mischen der Komponenten eines Portlandzement als Hauptkomponente enthaltenden Gemische zu verringern, v/erden bevorzugt rasch quellende Zemente verwendet, d.h. Zemente mit einer Blaine-Zahl von wenigstens 4 100. Ein Gleitmittel, v/ie Methylcellulose, kann zur Erzielung des gleichen Effekts verwendet werden.

Die erfindungsgemäßen Fasern eignen sich auch zur Verwendung bei der Herstellung von Celluloseerzeugnissen, die Mineralfasern enthalten. In diesem Falle werden die Mineralfasern gründlich mit V/asser gemischt, oder eine Suspension von Cellulosefasern in Wasser zur Bildung eines Breis, in dem die Mineralfasern gleichförmig verteilt sind. Durch Verwendung von Mineralfasern in solchen Aufschiämmungen kann die iCntwässerungsgeschwindigkeit und folglich die gesamte Produktionsgeschwindigkeit der Celluloseprodukte erhöht werden.

.veiter dient das Einarbeiten von Mineralfasern in solche Celluloseerzeugnisse der Erhöhung der Festigkeit dieser Produkte.

Die erfindungsgemäßen Fasern eignen sich auch zum Einarbeiten in Erzeugnissen aus Polymeren. So können die Fasern thermoplastischen Polymerschmelzen oder Lösungen von Polymeren oder Monomeren in geeigneten Lösungsmitteln zu Gemischen zugemischt werden, in denen die Fasern gleichförmig verteilt sind, bevor solche Gemische im Formguß oder anderweitig verformt werden, um die gewünschten Erzeugnisse zu erhalten.

Die erfindungsgemäßen Fasern eignen sich insbesondere zum Einarbeiten in Polymerschmelzen, da sie anders als chemisch

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behandelte Fasern ihre vorteilhaften Eigenschaften beim Erwärmen auf eine höhere Temperatur nicht verlieren.

Die Erfindung wird nachfolgend näher unter Bezugnahme auf die folgenden nicht beschränkenden Beispiele beschrieben.

Beispiel 1

Folgende Ausgangsmaterialien wurden zur Herstellung von faserverstärkten Zementerzeugniesen verwendet:

Gewichtsprozent

Synthetische Steinwollfasern,	insgesamt	Wasser/Zement-Verhältnis	12
5 h bei 200⁰C im Autoklaven behandelt		5
Cellulosefasern	50
Portlandzement	32
Sand	1__
Methylcelluloae	100
0,45

Wasser und Methylcellulose wurden zunächst zu einer viskosen Masse gemischt. Dann wurden die übrigen Komponenten zugesetzt und alle Komponenten in einer Mischtrommel (6 1/5 min) gründlich gemischt.

Das erhaltene Gemisch wurde dann zu Gegenständen von 4 x 4 x 16 cm ausgeformt und diese 28 Tage in feuchter Atmosphäre gelagert.

Nach der Lagerung war der Bruchraodul 184 kp/cm .

fO9850/070i

Ak

Beispiel 2 Folgende Ausgangsmaterialien vmrden verwendet:

Gewichtsprozent

Synthetische Jteinv/ollfasern,	insgesamt	l/asser/Silikat-Verhältnis	7
5 h bei 2(X)⁰O im Autoklaven behandelt		5
Cellulosefasern	23
Kalk	65
Moler	100
2,27

l-Iischen und Formgebung erfolgten wie in Beispiel 1. Die
gebildeten Gegenstände wurden unter einem Druck von 16 at 5 h im Autoklaven behandelt.

Der Bruchmodul der so gebildeten Gegenstände betrug 47,2 kp/cm².

Beispiel 3 Die folgenden Ausgangsmaterialien wurden verwendet:

Gewichtsprozent

Synthetische Steinwollfasern,	insgesamt	V/asser/Zement-Verhältnis	6
5 h bei 200⁰C im Autoklaven behandelt		5
Cellulosefasern	88
superschneller Portlandzement	1_
Polyelektrolyt	100
0,45

Mischen und Formgebung erfolgten wie in Beispiel 1. Die

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AS

gebildeten Gegenstände wurden 28 Tage gelagert, Bruchraodul nach der Lagerung betrug 175,0 kp/cm².

Beispiel 4
Die folgenden Ausgangsmaterialien wurden verwendet:

Gewichtsprozent

Synthetische Steinwollfasern,

5 h bei 200⁰C im Autoklaven behandelt 10

Kalk 5,6

Sand 84,4

insgesamt 100,0

Die Ausgangsmaterialien wurden mit 6 % V/asser innig gemischt. Das Gemisch wurde dann zu Proben komprimiert, die unter einem Druck von 16 at 5 h im Autoklaven behandelt wurden. Bruchmodul: 40,0 kp/cm .

Vergleichsbeispiel

Beispiel 4 wurde wiederholt, mit der Ausnahme, daii die verwendeten Fasern unbehandelte Steinwollfasern waren. Der Bruchmodul der hergestellten Proben betrug 25,6kp/cm .

Wie sich bei einem Vergleich des Beispiels 4 mit dem Vergleichsbeispiel ergibt, ist die Festigkeit von erfindungsgemäße Fasern enthaltenden Gegenständen der von unbehandelte Fasern enthaltenden Gegenständen überlegen.

?Οββ50/0701

Claims

Patentansprüche

/ j
1J Thermisch modifizierte synthetische Mineralfasern, da-

^- durch gekennzeichnet, daß sie bei einer temperatur von wenigstens 12O°C in Gegenwart von gesättigtem Dampf für wenigstens 1 h im Autoklaven behandelt worden sind.
2. Verfahren zur Herstellung modifizierter Mineralfasern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die I'asern bei einer Temperatur von wenigstens 12ü°C in Gegenwart von gesättigtem Dampf für wenigstens 1 h im Autoklaven behandelt v/erden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern bei einer Temperatur von 150 bis 200 G im Autoklaven behandelt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern 3 bis 8 h lang im Autoklaven behandelt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern vor der Autoklavenbehandlung mit V/asser befeuchtet werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem zum Befeuchten der Fasern verwendeten V/asser ein Befeuchtungsmittel zugesetzt wird.
7. Verfahren zur Herstellung eines Erzeugnisses mit einer Matrix, die eine Verstärkung aus synthetischen Mineralfasern enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das Matrixmaterial mit synthetischen Mineralfasern, die bei einer Temperatur von wenigstens 120⁰C in Gegenwart von gesättigtem Dampf für wenigstens 1 h im Autoklaven behandelt

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v/orclen sind, susar.iMengeinischt wird.

Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die thermisch modifizierten synthetischen Mineralfasern rait eine:a fiatrixriaterial aus der Gruppe Zement-, Gips- und üilikataufschlämmungen, Aufschlam niungen von Cellulosefasern, Polymer lösungen und PolymerGCliuelzen zuGaüimengeiaischt werden.

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