DE3210984A1

DE3210984A1 - Kunststoff-silicat-verbundwerkstoff

Info

Publication number: DE3210984A1
Application number: DE19823210984
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl.-Chem. Dr. 6500 Mainz Kiefer
Original assignee: Schott Glaswerke AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 1982-03-25
Filing date: 1982-03-25
Publication date: 1983-09-29
Also published as: DE3210984C2

Description

Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen Kunststoff-Silicat-Verbundwerkstoff, der dadurch gekennzeichnet. ist,daß er aus einem dreidimensionalen Silicatgerüst besteht, das gleichmäßig verteilte Hohlräumen aufweist, die untereinander und nach außen offen sina, und daß die Hohlräume des Silicatgerüstes teilweise oder vollständig mit Kunststoff so ausgefüllt sind, daß sowohl der Kunststoff als auch das Silicatgerüst zusammenhängende dreidimensionale Strukturen bilden, die sich gegenseitig durchdringen.
Es ist bekannt, daß die Biege zugfestigkeit von Kunststoffen durch die Einlagerung von Glasfasern wesentlich erhöht werden kann. Je nach Art des Kunststoffes können durch die ein gebrachten Glasfasern auch die Maßhaltigkeit, die Zeitstandsfestigkeit, der Elastizitätsmodul (E) und die Formstabilität bei höheren Temperaturen verbessert werden. Besonders letztere Eigenschaft kann auch durch andere Füllstoffe, wie Kohlefasern, Metallfasern oder Asbestfasern verbessert werden.
Diese Techniken zur Verstärkung von Kunststoffen gehen alle davon aus, daß in den Kunststoff Fasern oder höchstens dünne Scheiben, d.h. ein- oder zweidimensionale Füllstoffe eingearbeitet werden. Die einzelnen Fasern oder Scheiben sind im a'lgemeinen nicht miteinander verbunden und können daher gegeneinander verschoben werden. Mit steigender Temperatur nimmt die Viskosität der meisten Kunststoffe rasch ab, so daß es zu einem verstärkten Fließen des Kunststoffes kommt.
Die erhöhte Formstabilität von mit Fasern gefüllten Kunststoffen bei erhöhten Temperaturen beruht weniger auf einem Fehlen des Fließens, als vielmehr auf der relativ geringen Menge an Kunststoff im Verhältnis zum Verbundwerkstoff.
Ziel der Erfindung sind Kunststoff-Silicat-Verbundwerkstoffe mit erhöhter Maßhaltigkeit, Zeitstandfestigkeit, Formstabilität in der Wärme und höherer oberer Gebrauchstemperatur. Dieses Ziel wird erfindungsgemäß mit Kunststoff-Silicat-Verbundwerkstoffen gemäß den Patentansprüchen erreicht.
Zur Herstellung solcher Kunststoff-Silicat-Verbundwerkstoffe muß zunächst das dreidimensionale Silicatgerüst erzeugt werden.
In DE-OS 3 103 751 ist die Herstellung eines solchen Silicatgerüstes beschrieben. Hiernach wird feingemahlenes silicatisches Pulver von 20 bis 200 ßm Korngröße mit aufgeschäumten, kleinen Styroporkugeln gemischt und nach einem speziellen Sinterprogramm gesintert. Durch Ausbrennen des Styropors entstehen sowohl Hohlräume als auch Verbindungen zwischen diesen Hohlräumen. Die Hohlräume entsprechen dem Durchmesser der Styroporkugeln, während die Verbindungen von Hohlraum zu Hohlraum nur wenige m groß sind. Nach diesem Verfahren sind weniger als 10 % des Porenvolumens geschlossen. Die Dichte des Silicatgerüstes hängt im wesentlichen von der Menge des zugemischten Styropors ab. Bei Dichten unter 0,20 g/cm3 nimmt die mechanische Festigkeit des Silicatgerüstes soweit ab, daß eine Handhabung nur noch mit Vorsicht möglich ist.
Je höher die Dichte des Silicatgerüstes ist, um so höher ist bei gleicher Zusammensetzung auch die mechanische Festigkeit. Das Silicatgerüst weist daher vorzugsweise eine Dichte von 0,20 g/cm3 bis 1,0 g/cm3, vorzugsweise von 0,25 g/cm3 bis 0,50 g/cm3 auf.
Das Silicatgerüst kann aus Glas, Glaskeramik, silicatischen Mineralien oder Gemischen aus zwei oder mehreren dieser Komponenten bestehen. Ein besonders preiswertes System besteht beispielsweise aus 70 bis 80 Gew.-% Quarzmehl und 20 bis 30 Gew. % fein gemahlenem Abfallglas.
In das derart hergestellte Silicatgerüst wird nun dünnflüssiger Kunststoff, beispielsweise durch Tränken oder unter Vakuum eingebracht und darin verfestigt. Unter dünnflüssigem Kunststoff werden hier durch Erwärmen dünnflüssig gemachter Kunststoff, in Lösungsmitteln gelöster Kunststoff oder andere Flüssigkeiten, wie z.B. Gemische aus Reaktionsharz, Härter und Beschleuniger, die zu Kunststoffen reagieren, verstanden.
Die Kunststoffe können beliebiger Natur sein, z.B. Thermoplaste, Duroplaste oder Siliconharze. Voraussetzung ist nur, daß sie in dünnflüssiger Form direkt oder indirekt in das Silicatgerüst eingebracht werden können. Den dünnflüssigen Kunststoffen, den gelösten Kunststoffen oder den Reaktionspartnern, die zu Kunststoffen führen, können weitere Stoffe zugemischt werden, die deren Eigenschaften modifizieren. So können z.B. gelösten Siliconharzen Löschmittel zugemischt werden, die ein selbständiges Brennen des Siliconharz-Silicat-Verbundwerkstoffs verhindern.
Zur leichteren Einführung des Kunststoffs in das Silicatgerüst können die Durchgänge von Hohlraum zu Hohlraum vor dem Einführen des Kunststoffs durch kurzzeitige Behandlung mittels verdünnter Flußsäure, verdünnten Flußsäure/Schwefelsäure-oder Flußsäure/Salzsäure-Gemischen erweitert werden.
Durch einmalige oder mehrmalige Behandlung mit dem Kunststoff können die Hohlräume des Silicatgerüstes teilweise oder vollständig mit Kunststoff gefüllt werden.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Kunststoff-Silicat-Verbundwerkstoffs liegt darin, daß ein Fließen des Kunststoffs infolge von Druck oder erhöhten Temperaturen weitgehend unterbunden ist. Bleibende Verformungen bei Kunststoffen sind auf ein Fließen des mehr oder weniger plastischen Kunststoffes zu- ruckzuführen. Mit steigender Temperatur nimmt die Viskosität ab und die Neigung zum Fließen zu. Das Fließen hängt somit von der Temperatur, der Zeit und dem aufgewendeten Druck ab. Wie bereits erwähnt wurde, kann durch Einarbeitung von anorganischen Fasern, wie z.B. Glasfasern, die Formstabilität von Kunststoffen erhöht werden. Aber auch bei den glasfaserverstärkten Kunststoffen ist eine Deformation des Werkstoffes nicht zu vermeiden. Unter dem Einfluß von Druck oder erhöhter Temperatur wird dieses Fließen begünstigt. Da die Glasfasern kein zusammenhängendes Gerüst bilden, sondern nur in den Kunststoff eingebettet sind, können die Glasfasern das Fließen etwas mildern, aber nicht verhindern. Da die Glasfasern meist gerichtet sind, ist das Fließverhalten isotrop.
Im Gegensatz hierzu ist es ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Kunststoff-Silicatverbundwerkstoffs, daß ein Fließen des Kunststoffes durch das dreidimensionale Silicatgerüst weitgehend verhindert wird. Der Kunststoff kann nur durch die aehr feinen Verbindungen zwischen den Hohlräumen hindurch fließen, was erst bei einer sehr niedrigen Viskosität der Fall ist. Der Kunststoff muß dann bereits so weich sein, daß er praktisch abtropft, denn das Silicatgerüst ist so saugfähig, daß es eine dünnflüssige Lösung (z.B. Wasser) bis zu 60 % seines offenen Porenvolumens aufsaugt. Gegen Deformation durch Druck ist der erfindungsgemäße Kunststoff-Silicat-Verbundwerkstoff vollständig unempfindlich, solange der Druck geringer ist als die Druckfestigkeit des Verbundes.
Eine allmähliche Deformation unter dem Eigengewicht, durch Druck oder erhöhte Temperatur ist somit ausgeschlossen. Da das Silicatgerüst dreidimensional und vom Aufbau her anisotrop ist, ist auch der Kunststoff-Silicat--Verbundwerkstoff, im Gegensatz zu den meisten glasfaserverstärkten Kunststoffen, bezüglich seiner Eigenschaften anisotrop.
Das dreidimensionale Silicatgerüst in dem Kunststoff verbessert auch die Maßhaltigkeit, die Zeitstandsfestigkeit, den E-Modul und die Formstabilität bei höheren Temperaturen.
Durch die Durchdringung mit dem Kunststoff werden einige Eigenschaften des reinen Silicatgerüstes wesentlich verbessert. Besonders günstig werden die Biegezugfestigkeit, das Verschleißverhalten und das Gleitverhalten beeinflußt.
Sollen nur das Verschleißverhalten und das Gleitverhalten des Silicatgerüstes verbessert werden, dann reicht es aus, wenn nur der äußere Teil des Silicatgerüstes mit Kunststoff versehen ist. In diesem Fall kann der Kunststoff z.B. durch Aufstreichen einer viskosen Kunststoffpaste eingeführt werden.
Zur Haftverbesserung zwischen Silicatgerüst und Kunststoff kann das Silicatgerüst auch mit einem Haftvermittler versehen werden.
Die nachfolgenden Beispiele sollen die Erfindung näher erläutern. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt.
Beispiel 1 Kunststoff-Silicat-Verbundwerkstoff aus einem Silicatgerüst und einem Duroplast: Das Silicatgerüst wies vor der Füllung mit dem Kunststoff eine 3 Dichte von 0,35 g/cm und ein Porenvolumen von 85 % auf. Die Poren waren zu über 98 % offen. Die gleichmäßig verteilten Hohlräume hatten einen Durchmesser von etwa 3 mm und die Durchgänge von Hohlraum zu Hohlraum einen Durchmesser von etwa 0,2 bis 5 Am. Das Silicatgerüst besteht aus einer Sintermischung von 30 Gew. % fein gemahlenem Natron-Kalk-Glas (Fensterglas) und einer Körnung < 60 rm und 70 Gew. % Quarz mit einem Maximum der Kornverteilung um 50 am.
In dieses Silicatgerüst wird als Kunststoff ein Duroplast, nämlich ein Epoxidharz in verdünnter Form unter Anwendung von Vakuum eingeführt. Es füllt etwa 75 % des Porenvolumens des Silikatkörpers aus.
Beispiel 2 Kunststoff-Silicat-Verbundwerkstoff aus einem Silicatgerüst und einem Thermoplast: Das Silicatgerüst hatte vor der Füllung mit Kunststoff eine 3 Dichte von 0,22 g/cm , und über 99 % der Poren waren offen.
Die Hohlräume hatten einen Durchmesser von etwa 1 mm und Durchgänge von 0,2 bis 5 m. Das Silicatgerüst besteht aus 20 Gew.% DURAN und 80 Gew. % ROBAX bei einer Körnung < 20 ßm. DURAN ist ein handelsübliches Borosilicatglas und ROBAX eine Glaskeramik mit Hochquarzmischkristallen. Die Glaskeramik hat eine lineare Wärmeausdehnung um Null.
In dieses Silikatgerüst wird ein thermoplastischer Kunststoff, nämlich ein Polyurethan durch Tränken eingebaut. Er füllt etwa 40 % des Porenvolumens aus.
Beispiel 3 Kunststoff-Silicat-Verbundwerkstoff aus einem Silicatgerüst und einem Silicon: Das Silicatgerüst ohne Kunststoff hatte eine Dichte von 0,55 g/cm3. Die Hohlräume hatten einen Durchmesser von etwa 4 mm. Durch kurzzeitiges Ätzen mittels einer verdünnten Flußsäure/Schwefelsäure-Lösung wurden die Durchgänge zwischen den Hohlräumen auf 5 bis 50 m erweitert. Das Silicatgerüst besteht aus 80 Gew. % DURAN mit< 100 ßm Körnung und 20 Gew. % Kaolin. Die Poren sind zu über 90 % offen.
Als Kunststoff wird ein Siliconharz mit einem Löschmittel als Zusatz verwendet. Das in einem Lösungsmittel gelöste Sili- conharz mit Zusatz wird durch mehrmaliges Tränken in das Silicatgerüst eingeführt. Der erhaltene Kunststoff-Silicat-Verbundwerkstoff ist selbstverlöschend.
Beispiel 4 Kunststoff-Silicat-Verbundwerkstoff mit Kunststoff nur im äußeren Bereich des Silicatgerüsts: Ein Silicatgerüst gemäß Beispiel 1 wird durch Bestreichen mit einer zähflüssigen Lösung eines Siliconharzes mit dem Siliconharz ausgerüstet. Nach dieser Behandlung befindet sich das Siliconharz in einer Oberflächenschicht des Silicätkörpers von 10 - 20 mm Tiefe.

Claims

Kunststoff-Silicat-Verbundwerkstoff Patentansprüche: Q Kunststoff-Silicat-Verbundwerkstoff gekennzeichnet, durch ein dreidimensionales Silicatgerüst, das gleichmäßig verteilte Hohlräume aufweist, die untereinander verbunden und teilweise oder vollständig mit Kunststoff gefüllt sind, so daß das Silicatgerüst und der Kunststoff zusammenhängende, dreidimensionale Strukturen bilden, die sich gegenseitig durchdringen.
2. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß das Silicatgerüst aus Glas, Glaskeramik, Mineralien oder einer Mischung aus zwei oder drei dieser Stoffe besteht.
3. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Silicatgerüst aus einem Quarz/Glas-Gemisch besteht.
4. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchgänge von Hohlraum zu Hohlraum innerhalb des Silicatgerüstes vor dem Einfüllen des Kunststoffs durch Behandlung mittels anorganischen Säuren erweitert worden sind.
5. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff ein Duroplast oder ein Thermoplast ist.
6. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff ein Silicon-Kautschuk ist.
7. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff einen feuerhemmenden oder -löschenden Stoff als Zusatz enthält.
8. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff durch Tränken oder unter Vakuum in das Silicatgerüst eingebaut worden ist.