DE3210984C2

DE3210984C2 - Kunststoff-Silicat-Verbundwerkstoff

Info

Publication number: DE3210984C2
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: 1984-12-20
Also published as: DE3210984A1

Abstract

Der neue Verbundwerkstoff besteht aus einem Silicatgerüst, das gleichmäßig verteilte Hohlräume aufweist, die untereinander verbunden sind. Die Silicatmatrix kann Glas, Glaskeramik, Mineral oder ein Gemisch aus diesen Materialien sein. Die Hohlräume sind ganz oder teilweise mit Kunststoff gefüllt, der in dünnflüssiger Form eingebracht worden ist. Der neue Werkstoff zeichnet sich durch gute Zeitstandfestigkeit, Formstabilität in der Wärme und hohe obere Gebrauchstemperatur aus.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kunststoff-Silicat-Verbundwerkstoff mit einem Silicatgerüst, das durch Ver- jo sintern eines silicatischen Pulvers aus Glas. Glaskeramik, Mineralien oder einer Mischung aus zwei oder drei dieser Stoffe hergestellt worden ist und das gleichmäßig verteilte Hohlräume aufweist, die untereinander verbunden sind.

Es ist bekannt, daß die Biegezugfestigkeit von Kunststoffen durch die Einlagerung von Glasfasern wesentlich erhöht werden kann. Je nach Art des Kunststoffes können durch die eingebrachten Glasfasern auch die Maßhaltigkeit, die Zeitstandfestigkeit, der Elastizitätsmodul (E) und die Formstabili'ät 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 allgemeinen 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.

Aus der BE-PS 6 59 976 ist es bekannt, leichte Zu- eo schlagstöffe. wie Perlit, für Mörtel mit Kunststoff zu überziehen. Diese Kunststoffe werden dem Perlit oder Vermiculit bereits im Mischer zugegeben. Durch einen Kunststoffüberzug soll der Trockenprozeß des Mörtels beschleunigt werden. Der Kunststoff bildet hier das formgebende Stützgerüst und die feuerfesten Materialien dienen nur als Füllstoffe.

Aus der JP-AP 52-37 948 ist es bekannt, mit Borax und/oder Phosphorsäure gefüllter Perlit mit Kunstharz zu mischen, wobei ein feuerhemmendes Baumaterial entsteht, das seine Stabilität ebenfalls durch den Kunststoff erhält

In der DE-OS 28 41 423 wird ein Verbundstoff beschrieben, der aus einem festen, porösen, als Granulat vorliegenden Träger hergestellt wird, wobei die Poren des Granulats mit Kunststoff gefüllt werden. Auch bei diesem Produkt wird das Stützgerüst durch den zugegebenen Kunststoff gebildet

Der Nachteil all dieser Materialien besteht darin, daß die Formstabilität durch den Erweichungspunkt des Kunststoffes bestimmt ist Oberhalb dieser Temperatur würde das Material deformieren.

Ziel der Erfindung sind Kunststoff-Silicat-Verbundwerkstoffe mit erhöhter Maßhaltigkeit, Zeitstandfestigkeit, Formstabilität in der Wärme und höhe-er oberer Gebrauchstemperatur. Dieses Ziel wird ertindungsgemäß mit Kunststoff-Silicat-Verbundwerkstoffen gemäß den Patentansprüchen erreicht

Zur Herstellung solcher Kunststoff-Siücat-Verbundwerkstoffe muß zunächst das dreidimensionale Silicatgerüst erzeugt werden. In DE-OS 31 03 751 ist die Herstellung eines solchen Silicatgerüstes beschrieben. Hiernach wird feingemahlenes silicatisches Pulver von 20 bis 200 μπι 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 μπι 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.-% Quarzmeh! und 20 bis 30 Oew.-o/o 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-

Silkat-Verbundwerkstoffs verhindern.

Zur leichteren Einführung des Kunststoffs in das SiIicatgerüst können die Durchgänge von Hohlraum zu Hohlraum vor dem Einführen des Kunststoffs durch kurzzeitige Behandlung mittels verdünnter Flußsäure, verdünnten nußsäure/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 Verfor- mungen bei Kunststoffen sind auf ein Fließen des mehr oder weniger plastischen Kunststoffes zurückzuführen. 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 Π«.·Λί aW U/Ϊα Ua··^**«- ara/öhn» wiipslc» Ιςαηη ^Jjfch Elf!" arbeitung 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 ver- meiden. 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 Kunstätoff-Siiicatverbundwerkstoffs, daß ein Fließen des Kunstswffes durch das dreidimensionale Silicatgerüst weitgehend verhindert wird. Der Kunststoff kann nur durch die sehr 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 aniso- trop 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 Zeitstandfestigkeit, den Ε-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 Biegezug- festigkeit, 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 Kurrststoff eine Dichte von 0,35 g/cm³ 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 μπι. Das Silicatgerüst besteht aus einer Sintermischung von 30 Gew.-% fein gemahlenem Natron-Kaik-Glas (Fensterglas) und einer Körnung < 60 μπι und 70Gew.-% Quarz mit einem Maximum der Kornverteilung um 50 μπι.

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 Silicatkörpers aus.

Beispiel 2

Kunststoff-Silicat-Verbundwerkstoff aus einem Silicatgerüst und einem Thermoplast

Das Silicatgerüst hatte vor der Füllung mit Kunststoff eine Dichte von 0,22 g/cm³, und über 99% der Poren waren offen. Die Hohlräume hatten einen Durchmesser von etwa 1 mm und Durchgänge von 0,2 bis 5 μπι. Das Silicatgerüst besteht aus 20 Gew.· % eih_f handelsüblichen Borosilicatglases und 80 Gew.-% einer Glaskeramik mit Hochquarzmischkristallen bei einer Körnung <20 μπι. Die Glaskeramik hat eine lineare Wärmeausdehnung um Null.

In dieses Silicatgerüst 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 50μΐη erweitert. Das Silicatgerüst besteht aus 80 Gew.-% eines handelsüblichen Borosiiicatglases mit < 100 μπι Körnung und 20Gew.-% Kaolin. Die Poren sind zu über 90% offen.

Als Kunststoff wird ein Siliconharz mit einem Löschmittel als Zusatz verwendet. Das in einem Lösungsmittel gelöste Siliconharz mit Zusatz wird durch mehrmaliges Tränken in das Silicatgerüst eingeführt. Der erhaltene Kunststoff-Silicat-Verbundwerkstoff ist selbstverlöschend.

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Beispiel 4

iilicat-Verbundwerkstoff mit Kunststoff
äußeren Bereich des Silicatgerüsts

rüst gemäß Beispiel 1 wird durch Bestreizähfiüssigen Lösung eines Siliconharzes nharz ausgerüstet Nach dieser Behand- ;;ch das Siliconharz in einer Oberflächencatkörpers von 10—20 mm Tiefe.

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Claims

Patentansprüche:

1. Kunststoff-Silicat-Verbundwerkstoff mit einem Silicatgerüst, das durch Versintern eines silicatischen Pulvers aus Glas, Glaskeramik, Mineralien oder einer Mischung aus zwei oder drei dieser Stoffe hergestellt worden ist und das gleichmäßig verteilte Hohlräume aufweist, die untereinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume teilweise oder vollständig mit Kunststoff gefüllt SWd₁ 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 einem Quarz/Glas-Gemisch besteht.

3. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff ein Duroplast oder ein Thermoplast ist

4. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff einen feuerhemmenden oder -löschenden Stoff als Zusatz enthält.

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