DE3227079A1

DE3227079A1 - Hartschaumstoff und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE3227079A1
Application number: DE19823227079
Authority: DE
Inventors: Ivan Prof. Dr.-Ing. 3380 Goslar Odler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-07-17
Filing date: 1982-07-17
Publication date: 1984-01-19

Description

Hartschaumstoff und Verfahren zu seiner
Herstellung Hartschaumstoffe besitzen einen hohen Gehalt an geschlossenen Zellen und deshalb eine geringe Wärmeleitfähigkeit.
Aus diesem Grunde kommen sie in zahlreichen Gebieten der Technik als Wärmedämmstoffe zum Einsatz, und zwar entweder als vorgefertigte Formkörper (Platten, Schalen und dgl.) oder in situ, d.h.
am Einsatzort erzeugt.
Eine große Gruppe solcher Hartschaumstoffe ist auf der Basis von anorganischen Bindemitteln aufgebaut. Die bekanntesten Vertreter dieser Gruppe sind Gasbeton, Schaumbeton, Schaumgips und entsprechende Produkte, aber auch Betone mit Leichtzuschlägen wie Perlitbeton, Bimsbeton u. dgl. Diese Hartschaumstoffe zeichnen sich durch gute Temperaturbeständigkeit und relativ hohe Festigkeit aus, so daß sie innerhalb bestimmter Grenzen auch als Konstruktionsmaterial geeignet sind. Allerdings ist ihre Rohdichte verhältnismäßig groß, mit der Folge, daß die Dämmwirkung nur mittlere Werte erreicht. Die in der Tabelle 1 für diese Gruppe von Hartschaumstoffen zusammengefassten Größenordnungs-Bereiche der Trocken-Rohdichte, der Druckfestigkeit und der Wärmeleitfähigkeit sind typisch.
Es ist nicht möglich, bei den anorganischen Hartschaumstoffen die Rohdichte durch Erhöhung des Zellengehaltes zu senken, weil dann das verbleibende Bindemittel-Gerüst so schwach wird, daß die Festigkeit zusammenbricht. Bei Gasbeton und Schaumbeton, die in der Rohdichte und damit auch in der Wärmeleitfähigkeit am günstigsten liegen, kommt noch hinzu, daß sie in der Regel dampfgehärtet werden müssen, weil sich sonst eine zu starke Schwindung ergibt. Das steht der Anwendung in situ entgegen.
Eine zweite große Gruppe von geschlossenzelligen Hartschaumstoffen hat organische Bindemittel als Basis, wobei Polystyrol- und Polyurethan-Kunststoffe in der Praxis besondere Bedeutung erlangt haben. Bei dieser Gruppe läßt sich, wie ebenfalls der Tabelle 1 entnommen werden kann, eine sehr geringe Rohdichte und dementsprechend auch eine sehr viel geringere Wärmeleitfähigkeit erreichen als bei den anorganischen Hartschaumstoffen.
Allerdings ist die Festigkeit nur gering und die elastische Verformbarkeit teilweise sehr hoch, so daß diese organischen Hartschaumstoffe nicht als Konstruktionsmaterial eingesetzt werden können. Vor allem besitzen diese organischen Hartschaumstoffe aber auch keine ausreichende Temperaturbeständigkeit. Sie sind leicht schmelzbar und bei Luftzutritt auch verhältnismäßig leicht entflammbar, so daß ihr Einsatz nur bis zu Temperaturen von etwas oberhalb der Raumtemperatur möglich ist. Dieser Nachteil kann durch Zugabe z.B. von flammwichtigen Zusätzen zwar geringfügig abgemildert, aber nicht beseitigt werden, ganz abgesehen davon, daß solche Zusätze meistens die Werte für die Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit verschlechtern.
Somit besteht ein Bedarf an einem Hartschaumstoff, der bei geringer Rohdichte und entsprechend hoher Dämmwirkung eine gute Festigkeit und eine ausgeprägte Temperaturbeständigkeit besitzt, also gewissermaßen die Vorteile der bekannten organischen Hartschaumstoffe und der bekannten anorganischen Hartschaumstoffe in sich vereinigt, ohne deren jeweilige Nachteile aufzuweisen. Es ist das Ziel der Erfindung, einen solchen Hartschaumstoff zur Verfügung zu stellen.
Ausgehend von Hartschaumstoffen mit einem geschlossenzelligen Bindemittel-Gerüst wird dieses Ziel erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß das Bindemittel-Gerüst aus einem getrockneten Wasserglas-Schaum besteht, der mit einem Fluat gehärtet ist.
Die Erfindung beruht auf der konsequenten Ausnutzung der Erkenntnis, daß gelöstes Wasserglas mit Fluaten gehärtet werden kann, indem sich z.B. nach der schematischen, die Hydratationsverhältnisse nicht berücksichtigenden Gleichung 2 NO O . 3,5 Sio2 + NSiF6 = 6 NaF + 8 sio2 freie Kieselsäure abscheidet, und daß diese Kieselsäure bei Durchführung der Reaktion in einem Schaum-Medium ein stabiles Gerüst bildet, welches die Schaumzellen umschließt und nach der Trocknung einen Hartschaumstoff mit den angestrebten positiven Eigenschaften ergibt. Ein solches Verhalten des Wasserglases ist überraschend und war umso weniger vorhersehbar, als andere bekannte Fällungsreaktionen zum Abscheiden von Kieselsäure aus Wasserglas (z.B. mit CO2 ) zu keinen vergleichbaren Ergebnissen führen.
Die Herstellung des erfindungsmäßen Hartschaumes geschieht sehr einfach dadurch, daß eine Wasserglas-Lösung, ein Fluat und ein wässriger Tensid-Schaum miteinander vermischt werden und die Mischung nach dem Erhärten getrocknet wird. Zweckmäßig wird dabei zunächst eine innige Vormischung der Wasserglas-Lösung mit dem Fluat hergestellt und diese Vormischung dann durch Zugabe des separat (z.B. in einem üblichen Schaumgenerator nach üblichen Methoden) hergestellten Schaumes auf ein vorgegebenes Volumen aufgefüllt. Alternativ kann aber auch so vorgegangen werden, daß die Vormischung bzw. deren Komponenten unmittelbar mit in den Schaumgenerator eingegeben werden. In jedem Fall sind zur Erzeugung des Tensid-Schaumes alle für diesen Zweck üblichen Schaumbildner geeignet. Vorzugsweise werden anionische Tenside wie z.B. Alkylbenzolsulfonate eingesetzt.
Die Mischung aus der Wasserglas-Lösung, dem Fluat und dem Schaum kann vor dem Erhärten in Formen gefüllt werden, um nach dem Trocknen Platten oder sonstige Formkörper zu ergeben.
Ebenso ist es aber auch möglich, die Mischung in situ zu vergiessen und dann zu trocknen. Wegen der geringen Schwindung der Mischung beim Trocknen ergeben sich dabei keine besonderen Probleme.
Das bei der Erfindung zum Einsatz kommende Wasserglas ist bevorzugt ein Natron-Wasserglas mit einem verhältnismäßig hohen Gehalt an Sitz, d.h. mit einem Molverhältnis Na2 : SiA im Bereich von 1 : 2,5 bis 1 : 4,0 und vorzugsweise 1 : 3,5. Es liegt üblicherweise in einer wässrigen Lösung mit einer Konzentration von 40 Gew.% vor, jedoch kann die Konzentration auch auf andere Werte eingestellt werden, insbesondere um die Fließfähigkeit und Verarbeitbarkeit der Schaummischung vor dem Erhärten zu steuern.
Als Fluat werden bevorzugt Alkali-Fluate und insbesondere Natriumsilicohexafluorid verwendet, und zwar in einer Menge von 1 Gewichtsteil Fluat auf 5 bis 7 Gewichtsteile, bevorzugt 6 Gewichtsteile der Wasserglas-Lösung. Innerhalb dieser Grenzen findet eine nahezu vollständige Umsetzung dieser belegen Komponenten statt.
Das bei dieser Umsetzung noch entstehende Fluorid, insbesondere NaF, verbleibt in dem Hartschaumstoff. Es wäre gzridsätzqich möglich, dieses Fluorid vor dem Gebrauch des Hartschaumstoffes z.B. durch Auswaschen zu entfernen, aber das ist normalerweise nicht nötig, weil temperaturbeständige Hartschaumstoffe der hier zur Debatte stehenden Art normalerweise nicht in Verbindung mit feuchten Medien eingesetzt werden, durch die das-Fluorid ausgelaugt und in die Umgebung geleitet werden könnte.
Außerdem wurde gefunden -- und das stellt eine weitere überraschende Erkenntnis der Erfindung dar - daß sich durch Zusatz von fein- bis feinstteiligen Blähtonen z.B. auf der Basis von Perlit oder Vermiculit, von Silikafüllern und/oder von Tonerdezement zur Schaum-Mischung das in dem Hartschaumstoff verbliebene Fluorid so weitgehend fixieren läßt (vermutlich durch Adsorptionsvorgänge), daß es bis auf geringfügige Spuren nicht mehr ausgewaschen werden kann. Im übrigen werden durch diese Zum sätze auch die technologischen Eigenschaften des Hartschaumz stoffes verbessert.
Als weitere Zusatzstoffe, die in den Hartschaumstoff eingebaut werden, können der Schaum-Mischung auch noch Fasermaterialien beigegeben werden, beispielsweise Glasfasern, Cellulosefasern und Mineral fasern. Dadurch lassen sich die Festigkeiten verbessern, und vor allem wird auch eine bei mechanischer oder thermischer Belastung eventuell mögliche Rißbildung unterdrückt.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß sich der Hartschaumstoff kostengünstig herstellen läßt. Wasserglas wird in großen Mengen und billig produziert, und auch das Fluat läßt sich billig durch Umsetzung von Fluorokieselsäure, die in der Glasindustrie und beim Phosphatabbau als Abbauprodukt anfällt, mit z.B. Natronlauge herstellen. Weiterhin gibt es weder in apparativer noch in verfahrenstechnischer Hinsicht irgendwelche Probleme, zumal für die Erzeugung von Tensid-Schäumen bereits eine ausgereifte Technik zur Verfügung steht. Im übrigen erfordert auch die Trocknung keinen oder keinen nennenswerten Energieaufwand, da die Schaum-Mischung ausreichend rasch von selbst trocken wird.
Die nachfolgenden Beispiele erläutern die Erfindung.
In diesen Beispielen wurde jeweils von einer 40%igen Lösung eines Wasserglases mit einem Molverhältnis Naz O : SiO2 von 1 : 3,5 ausgegangen. Die für ein vorgegebenes Volumen an Hartschaumstoff (z.B. 1 m3) erforderliche Menge an Wasserglas-Lösung wurde zusammen mit der entsprechenden Menge an Fluat (Natriumsilicohexafluorid), etwaigen weiteren Zusatzstofffen und ggfs.
einer zusätzlichen Wassermenge in einem das vorgegebene Volumen fassenden Mischer innig vermischt.
Separat wurde in einem üblichen Schaumerzeuger ein Tensid-Schaum erzeugt, mit dem der Mischer bis zum vorgegebenen Volumen aufgefüllt wurde. Danach wurde bis zur Homogenität weiter gemischt. Die so erhaltene Schaum-Mischung wurde dann in Formen gefüllt und zum Aushärten/Trocknen etwa 24 h stehen gelassen.
Anschließend wurde der gebildete Schaumstoff auf seine Eigenschaften untersucht.
In der Tabelle 2 sind die Rezepturen der einzelnen Beispiele und die damit erhaltenen Ergebnisse zusammengefaßt. Es ist zu erkennen, daß der erfindungsgemäße Hartschaumstoff deutlich geringere Rohdichten aufweist als die bekannten anorganischen Schaumstoffe. In seinen Wärmedämmeigenschaften ist er den organischen Hartschaumstoffen angenähert bzw. erreicht diese, hat aber gegenüber diesen eine bessere Festigkeit und Formbeständigkeit sowie eine ausgezeichnete Temperaturbeständigkeit.

Tabelle 1 Eigenschaften bekannter Hartschaumstoffe

Rohdichte Wärmeleitfähigkeit Druckfestig-

g/cm3 W/m.K keit N/mm2

Beton mit

Leichtzuschlägen 1,1 - 1,8 0,4 - 1 2,5 - 10

Gasbeton 0,5 - 0,8 0,2 - 0,3 2,5 - 5

Schaumbeton 0,4 - 0,6 0,1 - 0,2 0,8 - 2

Schaum-

kunststoff 0,02 - 0,1 0,02 - 0,1 0 - 0,2

Tabelle 2

Beispiele der Erfindung 1 2 3 4 5 6

Einsatzmengen in kg pro m3 Hartschaumstoff

Wasserglas 40 Zig 200 280 400 270 270 330

Zusätzliches Wasser 50 - - - - -

Natriumsilicohexafluorid 30 40 60 45 45 55

Glasfasern (l 1 cm lang) - 2,5 5 2,5 2,5 2,5

Perlit fein - - - 60 - -

Silikafüller - - - - 45 40

Tonerdezement - - - - 90 40

Eigenschaften des Hartschaumstoffes

Rohdichte (g/cm3) 0,11 0,15 0,23 0,22 0,29 0,27

-0,12

Temperaturbe-

ständigkeit (°C) 650 850 750

Druckfestigkeit (N/mm2) 0,10 0,25 0,70 0,40 0,75 1,1

Wärmeleitfähigkeit

(W/m.K bei etwa 50 °C) 0,04 0,05 0,04 #0,1 #0,1 #0,1

-0,07 -0,07 -0,06

Claims

P ate n tans prü ch e Hartschaumstoff mit einem geschlossenzelligen Bindemittel-Gerüst dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel-Gerüst aus einem getrockneten Wasserglas-Schaum besteht, der mit einem Fluat gehärtet ist.
2. Hartschaumstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß dem Bindemittel-Gerüst feinteilige Zusatzstoffe wie Blähtone, Silikafüller und/oder Tonerde zement zugesetzt sind.
3. Hartschaumstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Bindemittel-Gerüst Fasermaterialien wie Glasfasern und/oder Mineralfasern zugesetzt sind.
4. Verfahren zur Herstellung des Hartschaumstoffes nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wasserglas-Lösung, das Fluat sowie ggfs. die weiteren Zusatzstoffe und Fasermaterialien mit einem wässrigen Tensid-Schaum zu einer homogenen Schaum-Mischung vermischt werden und diese Mischung nach dem Erhärten getrocknet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Wasserglas-Lösung eine Lösung eines Natronwasserglases mit einem Molverhältnis Naz 0 : SiO2 von 1 : 2,5 bis 1 ; 4,0, vorzugsweise 1 : 3,5 eingesetzt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Fluat vorzugsweise Natriumsilicohexafluorid eingesetzt wird, und zwar in einer Menge von 1 Gewichtsteil auf 5 bis 7 Gewichtsteile, vorzugsweise 6 Gewichtsteile der Wasserglas-Lösung.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Tensid-Schaum mit anionischen Tensiden wie Alkylbenzolsulfonaten erzeugt ist.