DE69822512T2

DE69822512T2 - Produkte aus faserverstärktem zement und in diesen produkten enthaltene verstärkungsfasern

Info

Publication number: DE69822512T2
Application number: DE69822512T
Authority: DE
Inventors: Dirk Vidts; Benoît de Lhoneux
Original assignee: Redco NV SA
Current assignee: Redco NV SA
Priority date: 1997-10-15
Filing date: 1998-10-08
Publication date: 2005-01-05
Anticipated expiration: 2018-10-09
Also published as: JP4454847B2; BR9813058A; AU9425098A; ATE261918T1; HU225769B1; AR015457A1; JP2001519318A; HUP0003808A3; PL207867B1; SI1047647T1; EP1047647A1; PL340629A1; DK1047647T3; PT1047647E; WO1999019268A1; ES2216313T3; EP1047647B1; DE69822512D1; HUP0003808A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine neue Verstärkungsfaser für aus Faserzement geformte Produkte, ein Verfahren zur Bearbeitung dieser Faser, sowie die Produkte aus Faserzement, die durch diese Faser verstärkt sind.
Aus Faserzement werden die verschiedensten festen Formprodukte hergestellt, wie beispielsweise unter anderem Dach- und Fassadenelemente, wie beispielsweise Schiefer, flache oder wellige Platten, Rohre und Lagerbehälter.
Diese festen Formprodukte werden aus einer hydraulisch fest werdenden wäßrigen Suspension hergestellt, die hydraulische Bindemittel, Verstärkungsfasern und eventuell Füllstoffe umfasst. Diese wäßrige Suspension wird gemischt, um eine gleichmäßige Verteilung der Komponenten in der Substanz zu erzielen. Die Suspension wird nun abtropfen gelassen. Das auf diese Weise erhaltene frische Produkt kann dann beispielsweise in Form einer flachen Platte, welligen Platte oder eines Rohres geformt werden. In der Folge wird das frische geformte Produkt unter atmosphärischen Bedingungen oder auch unter spezifischen Druck-, Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen ausgehärtet.
Das am weitesten verbreitete Herstellungsverfahren ist das Hatschek-Verfahren, dessen Technologie, die ursprünglich für den Asbestzement angewendet wurde, ausführlich in dem Werk „Asbestzement" von Harald Klos (Springer Verlag, 1967) beschrieben ist. Weitere Herstellungsverfahren sind beispielsweise die Extrusions- und Einspritzverfahren Magnani, Mazza, Flow-on.
Das Hatschek-Verfahren basiert auf der Verwendung von Abtropfmaschinen mit zylindrischem Sieb. Bei diesem Verfahren wird eine Matte, die aus einer verdünnten Suspension von Asbest und Zement, die in einer Bütte enthalten ist, zu einem Filz mit Hilfe einer zylindrischen Abtropfeinrichtung weitergeleitet und dann bis zur erforderlichen Dicke mit Hilfe von Formwalzen aufgerollt. Für die Herstellung von welligen Folien wird die Asbestzementfolie, die auf der Formwalze gebildet ist, zerschnitten und von dieser Walze abgelöst, nachdem die gewünschte Dicke erreicht wurde. Diese Folie wird dann geformt und zwischen geölten, welligen Metallformen ausgehärtet.
Bei manchen Anwendungen stellt es sich als nützlich heraus, das frische Produkt nach seiner Formung, aber vor seiner Aushärtung, zu komprimieren (Postkompression). So wird zwischen den nicht komprimierten Formprodukten aus Faserzement und den komprimierten Formprodukten aus Faserzement unterschieden. Die komprimierten Formprodukte aus Faserzement wurden zwischen ihrer Formung und ihrer Aushärtung unter einem Druck gleich oder größer als 4,9 MPa (50 kgf/cm²) komprimiert. Üblicherweise wurden diese komprimierten Formprodukte aus Faserzement im frischen Zustand Druckwerten zwischen 9,8 MPa und 24,5 MPa (zwischen 100 und 250 kgf/cm²) ausgesetzt.
Der Asbest weist sowohl Verstärkungseigenschaften auf Grund seiner Eigenzugfestigkeit, als auch Einsatzqualitäten in Zusammenhang mit der ausgezeichneten Fähigkeit zur Dispersion in einer wäßrigen Zementlösung auf. Während des Abtropfstadiums können die Asbestfasern auf Grund der guten Filtereigenschaften und der guten Bindungsfähigkeit mit dem Zement die feinen Schwebestoffe der Verbundmischung während des Formens zurückhalten. In dem wasserhaltigen Endprodukt tragen die hohe Zugfestigkeit in Kombination mit dem hohen Elastizitätsmodul und der geringen Verlängerung bei Bruch dazu bei, den aus Asbest-Zement hergestellten Produkten ihre bekannte hohe Biegefestigkeit zu verleihen.
Allerdings ist der Asbest eine ungewünschte Komponente aus Gründen geworden, die mit der Umwelt und der Gesundheit zusammenhängen, und es wurden große Anstrengungen unternommen, um zu versuchen, ihn zu ersetzen.
Es ist nun wünschenswert, neue Fasern als Verstärkungsmittel und auch als Einsatzhilfsmittel zu verwenden, die mit den hydraulischen Bindemitteln beispielsweise zur Verstärkung des Zements zu verwenden sind.
Es wurde keine natürliche oder synthetische Faser gefunden, die alle Eigenschaften der Asbestfasern aufweist. Die Alkali-Beständigkeit in den mit Calciumhydroxid gesättigten Lösungen ist ein besonderes Kriterium, dem die Verstärkungsfasern entsprechen müssen.
Es ist auch wichtig, dass die Fasern leicht in einer verdünnten wäßrigen Zementsuspension dispergiert werden können und auch bei der Zufuhr von weiteren Zusätzen gleichmäßig dispergiert bleiben, wenn diese Fasern durch Abtropftechniken eingesetzt werden müssen, um Produkte aus Faserzement zu ergeben. Die ordnungsgemäße Dispersion der Fasern ist wichtig, damit sie keine Agglomerate bilden und damit die Faserdichte in dem Endprodukt aus Faserzement homogen ist, aber auch damit sich die Fasern nicht in eine gemeinsame Richtung ausrichten.
Wenn nämlich die Fasern eine bevorzugte Richtung einnehmen würden, hätte das Produkt aus Faserzement nun je nach Ausrichtung der Bruchkraft eine unterschiedliche Festigkeit.
In der Literatur gibt es bereits unzählige Veröffentlichungen zur Verwendung verschiedener organischer und anorganischer natürlicher oder synthetischer Fasern. Die u. a. aus Zellulose, Polyamid, Polyester, Polyacrylnitril, Polypropylen und Poly(vinylalkohol) hergestellten Fasern waren bereits Gegenstand von Untersuchungen zur Verstärkung des Zements. Ebenso sind Arbeiten über Fasern aus Glas, Stahl, Aramid und Kohlenstoff bekannt. Unter all diesen Fasern weist bisher keine alle erforderlichen Eigenschaften, insbesondere für den Zement, auf.
Beispielsweise hat das Glas eine geringe chemische Festigkeit, der Stahl weist Korrosion auf und hat eine zu hohe Dichte, der Kohlenstoff ist zu brüchig, haftet schlecht und hat einen zu hohen Preis, die Zellulose hat eine unzureichende Lebensdauer und das Polyethylen und das gewöhnliche Polypropylen weisen eine unzureichende Zugfestigkeit auf.
Unter den derzeit verwendeten Verstärkungsfasern werden die Fasern aus Polyacrylnitril (PAN) und Polyvinylalkohol (PVA) im Allgemeinen bevorzugt. Getrennt oder in Kombination ermöglichen es diese Fasern, ein Formprodukt aus Faserzement zu liefern, das eine hohe Zugfestigkeit in Kombination mit einer annehmbaren Dehnbarkeit aufweist. Leider sind die Fasern aus PAN und PVA kostspielig und erhöhen deutlich die Selbstkosten der Produkte aus Faserzement, die sie enthalten.
Die Polypropylenfasern haben eine ausgezeichnete Alkalibeständigkeit, auch bei Temperaturen, die bis zu 110°C gehen können. Es handelt sich um langlebige und kostengünstige Produkte. Jedoch wird allgemein bestätigt, dass die Polypropylenfasern technisch unzulänglich sind, wenn es darum geht, Materialien zu verstärken, deren Matrix auf Zementbasis relativ brüchig ist.
Es wurde bereits versucht, die Eigenschaften der Polypropylenfasern insbesondere durch die Eingliederung von Zusätzen in die Masse der Fasern zu verbessern. Das Dokument JP 6-219797 von Daiwabo Create beschreibt Zweikomponenten-Polypropylenfasern, die in ihrem peripheren Teil Calciumcarbonat enthalten. In der GB-2.030.891 werden ungleiche Teilchen durch Beschuss in thermoplastische Fasern eingelassen.
Die Dokumente GB-2 021 552, WO 94/20654, EP-A-0 240 167 und WO 87/04144 beschreiben hydraulisch fest werdende Produkte, deren Verstärkungsfasern auf Basis von modifiziertem Polymer hergestellt sind. Die Fasern werden somit jedes Mal in der Masse modifiziert, was zahlreiche Nachteile mit sich bringt.
Diese Eingliederung von Zusätzen in die Masse der Polypropylenfasern selbst erhöht die Herstellungskosten und führt zu einer Veränderung der mechanischen Merkmale der Verstärkungsfaser, insbesondere indem ihre Zähigkeit verringert wird.
Das Dokument EP 0 310 100 beschreibt auch Polyolefinfasern, die anorganische Teilchen enthalten, die in die Masse der Faser eingelassen sind, wobei keines der Teilchen der Oberfläche der Faser ausgesetzt ist. Diese Fasern werden aus einer Folie hergestellt, die gewissen Oberflächenbehandlungen unterzogen wurde. Die erwähnten Oberflächenbehandlungen bestehen in chemischen, elektrischen oder mechanischen Veränderungen der Faser. Dieses Dokument erwähnt auch das Auftragen von grenzflächenaktiven Stoffen auf die Oberfläche der Faser.
Es sind auch stereoreguläre Polypropylenfasern bekannt, die eine hohe Zugfestigkeit aufweisen ( EP 0 535 373 ). In dem Patent EP 0 537 129 sind feste gefertigte Formprodukte aus Zement beschrieben, die durch diesen Typ von Polypropylenfasern verstärkt sind.
Ein Problem, das auch bei den Produkten aus Faserzement in durch diesen Fasertyp verstärkten Platten auftritt, ist die Bildung von Rissen in den Rändern der Platte, insbesondere während der Alterung dieser Produkte auf lange Sicht.
Andererseits ist die Brucharbeit von erheblicher Bedeutung für die Verwendung der Produkte aus Faserzement. Es wird ein hoher Wert (Produkt mit hoher Dehnbarkeit) angestrebt. Eine hohe Dehnbarkeit ist ferner wichtig, um gegebenenfalls die Stücke aus Faserzement zu bearbeiten: bohren, nageln, sägen, usw. Schließlich wird die Sicherheit während der Verwendung der Produkte, wie beispielsweise für Dachbeläge, ebenfalls erhöht, da somit zu rasche oder zu heftige Brüche unter Belastung vermieden werden.
In den nicht komprimierten Produkten aus Faserzement, die durch Polypropylenfasern verstärkt sind, hat die Brucharbeit im Allgemeinen einen sehr geringen Wert.
Angesichts der oben aufgezählten Gründe, insbesondere auf Grund ihrer geringen Widerstandsfähigkeit gegen Rissbildung und ihrer geringen Brucharbeit, ist die Verwendung der komprimierten und nicht komprimierten Produkte aus Faserzement, deren Verstärkungsfasern Polypropylenfasern sind, bisher sehr begrenzt geblieben.
Es kann angemerkt werden, dass gewisse Polypropylenfasern in geringer Menge in Produkten aus Beton verwendet werden, um die Rissbildung des Betons zu verringern. Es ist beispielsweise eine Faser bekannt, die unter dem Namen Crackstop^® vertrieben wird. Aus der EP 0 225 036 ist auch ein Verfahren zur Herstellung von Konstruktionseinheiten aus Beton bekannt, die Polypropylenfasern umfassen, die behandelt wurden, um sie antistatisch zu machen. Bei gewissen Ausführungsarten umfassen die Fasern einen Oberflächenüberzug, der eine Emulsion eines Vinylethylenacetat-Polymers umfasst.
Dieser Fasertyp hat unzureichende mechanische Eigenschaften und ist somit völlig ungeeignet, um Produkte aus Faserzement zu verstärken, wie beispielsweise Dach- oder Fassadenelemente. Die Produkte aus Faserzement sind nämlich durch ein sehr großes Oberflächen-/Dicken-Verhältnis gekennzeichnet. Das Problem der Rissbildung solcher Produkte ist somit ein völlig anderes als jenes der Massivbetonprodukte. Bei den Produkten aus Faserzement müssen die Fasern tatsächlich eine Verstärkungsfunktion erfüllen, während in den Produkten aus Beton die Fasermenge deutlich geringer ist und nicht wirklich diese Verstärkungsfunktion erfüllt. Ferner sind die Anteile der verschiedenen Bestandteile, insbesondere des Zements, in den Produkten aus Faserzement und in den Produkten aus Beton sehr unterschiedlich. Ebenso sind die Einsatzbedingungen und die Verwendungsbedingungen völlig unterschiedlich.
Es wurde nun auf unerwartete und überraschende Weise herausgefunden, dass Fasern auch aus gewöhnlichem Polypropylen, die einer einfachen Oberflächenbehandlung mit Hilfe einer wäßrigen Polymerdispersion unterzogen wurden, zu guten Ergebnissen führen, d. h. dass es möglich ist, ein Formprodukt aus Faserzement, das eine hohe Brucharbeit und eine gute Widerstandsfähigkeit gegen Rissbildung aufweist, mit Hilfe von Polypropylenfasern herzustellen, die dieser Oberflächenbehandlung unterzogen wurden.
Die Erfindung soll Formprodukte aus Faserzement liefern, die die Nachteile des bekannten Standes der Technik vermeiden.
Eines der Ziele der Erfindung ist insbesondere, ein Formprodukt aus Faserzement zu liefern, das gute mechanische Eigenschaften, wie beispielsweise eine hohe Brucharbeit und eine gute Widerstandsfähigkeit gegen Rissbildung, zu geringen Selbstkosten aufweist.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Polypropylenfaser zur Verstärkung von Formprodukten aus Faserzement, die mit Hilfe einer hydraulisch fest werdenden Zusammensetzung, die insbesondere Wasser, hydraulische Bindemittel und Verstärkungsfasern umfasst, hergestellt werden. Die erfindungsgemäßen Fasern umfassen einen Überzug aus organischem Polymer, umfassend Olefinmonomere und Polargruppen, wobei dieser Überzug durch Oberflächenbehandlung mit Hilfe einer wäßrigen Dispersion dieses Polymers aufgebracht wurde.
Diese wäßrige Dispersion umfasst alleine oder in Mischung ein organisches Polymer, das unter den Homopolymeren und Copolymeren von Olefinmonomeren ausgewählt wird, die nach Synthese (beispielsweise durch Aufpfropfen) durch Polargruppen modifiziert wurden.
Die Polargruppen werden unter dem Maleinanhydrid, der Acrylsäure oder der Methacrylsäure ausgewählt.
Auf vorteilhafte Weise umfassen die Polypropylenfasern, die der Behandlung unterzogen wurden, 0,05 bis 5 Gew.-% und vorzugsweise 0,15 bis 1,5 Gew.-% des organischen Polymerüberzugs, der Polargruppen umfasst, im Verhältnis zum Gewicht der Faser.
Die erfindungsgemäßen Polypropylenfasern besitzen vorzugsweise ein Denier (d) zwischen 0,5 und 10 und auf besonders vorteilhafte Weise zwischen 0,5 und 2.
Die Fasern können vorzugsweise in Längen von 2 bis 20 mm geschnitten sein; vorzugsweise ist die Länge der Fasern von 5 bis 10 mm abgestuft. Der Querschnitt der Fasern kann kreisförmig oder unregelmäßig sein, beispielsweise in Form eines X oder Y. Die Fasern können, während sie gezogen werden oder danach, gekreppt werden. Die Technik des Kreppens der Fasern kann Verfahren, wie beispielsweise die Vordrehung, die Verwicklungsbehandlung durch Luftstrom (die die TASLAN-Behandlung umfasst) oder die Behandlung durch Kompression (und zwar mit der Stopfbuchse) einschließen. Die erfindungsgemäßen Fasern können auch durch Fibrillieren einer extrudierten Polypropylenfolie erhalten werden. Die Fasern können nun eine Bandform aufweisen.
Die Verstärkungsfasern können aus Harz jedes üblicherweise verwendeten Polypropylentyps hergestellt werden.
Die Polypropylenfasern oder ein Teil der Polypropylenfasern können Füllstoffe umfassen. Sie können eventuell ferner ein Hydrophilisierungsmittel, wie beispielsweise ein Alcoylphosphat-Alkalimetallsalz, ein Natrium- oder Kaliumsalz, umfassen, das vorzugsweise 8 bis 18 Kohlenstoffatome umfasst.
Nach einer Ausführungsvariante können die erfindungsgemäßen Fasern oder ein Teil der erfindungsgemäßen Fasern aus hochkristallinem Polypropylen gebildet sein, das beispielsweise eine Bruchfestigkeit im Faserzustand größer als 490 N/mm², ein Verhältnis des durchschnittlichen Molekulargewichts in der Masse zum durch schnittlichen Molekulargewicht in der Zahl von (Q) < 4,5, einen Gehalt an unlöslichen Bestandteilen (HI) zwischen 97 und 100 und eine Fraktion von isotaktischen Pentaden in Mol (IPF) zwischen 94 und 100 aufweist.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können die Verstärkungsfasern oder ein Teil der Verstärkungsfasern Zweikomponenten-Polypropylenfasern sein, die beispielsweise aus einem Kern und einer Außenschicht bestehen, deren Außenschicht erdalkalische Metallcarbonatteilchen, wie beispielsweise Calciumcarbonat, Magnesiumcarbonat oder ihre Mischungen enthält.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Polypropylenfasern zur Verstärkung von Faserzementprodukten; wobei dieses Verfahren darin besteht, Polypropylenfasern mit einer wäßrigen Dispersion von organischen Polymeren in Kontakt zu bringen, wie in Anspruch 5 definiert.
Auf bevorzugte Weise beträgt die Konzentration der wäßrigen Dispersion 0,5 bis 40% organische Polymere.
Auf besonders bevorzugte Weise erfolgt diese Oberflächenbehandlung durch Kontaktnahme der Fasern mit einer Auftragwalze, die in ein Behandlungsbad eintaucht, das die wäßrige Dispersion umfasst. Alle anderen Behandlungsformen können vorgesehen werden, wie beispielsweise die Auftragarten durch Eintauchen, Besprengung oder Vorhang.
Nach der für die Oberflächenbehandlung verwendeten Technik muss die Konzentration der Dispersion angepasst werden. Für Behandlungen durch Bäder hat die wäßrige Dispersion vorzugsweise eine Konzentration an organischen Polymeren zwischen 0,5 und 10% Trockenmasse. Für Oberflächenbehandlungen durch Besprengung liegen bevorzugte Konzentrationen der Dispersion beispielsweise zwischen 10 und 40% Trockenmasse.
Die Oberflächenbehandlung erfolgt wahlweise vor, während oder nach dem Schritt des Ziehens der Fasern. Je nach Fall erfolgt die Behandlung auf den heißen oder gekühlten Fasern.
Mehrere Oberflächenbehandlungen können eventuell bei der Herstellung der Verstärkungsfasern vorgesehen werden. Im Allgemeinen kann das Behandlungsbad zwischen 20 und 80°C eingestellt werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch Formprodukte aus Faserzement, die Verstärkungsfasern, wie die oben beschriebenen, und Verstärkungsfasern, die durch das oben beschriebene Verfahren behandelt wurden, umfassen.
Auf bevorzugte Weise umfassen die Produkte aus Faserzement 0,3 bis 4% und auf besonders bevorzugte Weise 0,5 bis 2,5 Gew.-% von Polypropylenfasern gemäß der Erfindung im Verhältnis zur ursprünglichen Gesamttrockenmischung.
Die Produkte aus Faserzement gemäß der Erfindung können überdies andere anorganische Fasern oder organische Fasern als die Polypropylenfasern gemäß der Erfindung umfassen.
Beispiele für organische Fasern, die in Kombination mit behandelten Polypropylenfasern verwendet werden können, sind Polyacrylnitril-, Poly(vinylalkohol)-, Polyamid-, Polyester-, Aramid-, Kohlenstoff- und Polyolefinfasern.
Beispiele für anorganische Fasern, die in Kombination mit behandelten Polypropylenfasern verwendet werden können, sind Glasfasern, Gesteinsfasern, Schlackenwolle, Wollastonitfasern, Keramikfasern und dergleichen.
Aus Gründen der Einfachheit wird auf Zement als bevorzugtes Bindemittel in der vorliegenden Beschreibung Bezug genommen. Allerdings können alle anderen hydraulisch fest werdenden Bindemittel an Stelle des Zements verwendet werden. Die geeigneten hydraulisch fest werdenden Bindemittel sind als Materialien zu verstehen, die einen anorganischen Zement und/oder ein anorganisches Binde- oder Haftmittel, das durch Hydratation aushärtet, enthalten. Besonders geeignete Bindemittel, die durch Hydratation aushärten, sind beispielsweise insbesondere Portlandzement, Zement mit hohem Alumingehalt, Eisenportlandzement, Trasszement, Schlackenzement, Gips, Calciumsilicate, die durch Behandlung im Autoklav gebildet wurden, und Kombinationen besonderer Bindemittel.
Die verschiedensten Füll- und Zusatzstoffe, die beispielsweise das Abtropfverhalten der Suspensionen auf den Abtropfmaschinen verbessern können, werden den Bindemitteln häufig hinzugefügt. Mögliche Zusatzstoffe sind Materialien, wie beispielsweise Flugaschen, amorphes Siliziumoxid, gemahlener Quarz, gemahlenes Gestein, Tonerden, Hochofenschlacken, Carbonate, Puzzolanerden, usw. Die Gesamtfüllstoffmenge ist vorzugsweise geringer als 50 Gew.-% bezogen auf das ursprüngliche Gesamtgewicht im Trockenzustand des Produktes.
Das erfindungsgemäße Produkt kann auch ferner Einsatzfasern vorzugsweise in einer Menge gleich oder kleiner als 10 Gew.-% bezogen auf das ursprüngliche Gesamtgewicht des Produktes im trockenen Zustand umfassen.
Das erfindungsgemäße Produkt kann beispielsweise ein Dach- oder Fassadenelement, wie eine flache Platte, eine wellige Platte oder jegliches andere Zubehörteil unterschiedlicher Formen sein.
Die Erfindung ist nachstehend detaillierter mit Hilfe von besonderen Ausführungsbeispielen beschrieben.
BEISPIELE
In den folgenden Beispielen werden Produkte aus Faserzement, die durch erfindungsgemäß behandelte Polypropylenfasern verstärkt sind, mit Produkten aus Faserzement verglichen, die mit den gleichen Fasern aus Polypropylen, die nicht behandelt sind, hergestellt wurden.
Verwendete Behandlungsbäder
Bad 1): Zusammensetzung MICHEM^® Emulsion 94340-E von Michelman Int'1 & Co., verdünnt mit Wasser bis zu einer Konzentration von 4% Trockenmasse.
Dies ist eine wäßrige Dispersion, die Polypropylen, das auf Maleinanhydrid des Typs Epolene^® E-43 von Eastman Chemical aufgepfropft ist, umfasst. Die Dispersion hat die folgenden Eigenschaften:

– Emulgatoren: nicht ionisch
– Durchschnittliche Teilchengröße: 40 nm
– pH-Wert: 7,5–9,0

Bad 2): dieselbe Zusammensetzung wie Bad 1), verdünnt mit 4%, der 0,1% eines grenzflächenaktiven Stoffes des Typs Silwet^® L-77 von OSI Specialities (alpha-1,1,1,3,5,5,5-Heptamethyltrisiloxanylpropyl-omega-methoxy-poly(ethylen-oxid)) hinzugefügt wurden.
Bad 3): Zusammensetzung Nr. M 59840 von Michelman Int'1 & Co., verdünnt mit Wasser bis zu einer Konzentration von 4% Trockenmasse, der 0,1% eines grenzflächenaktiven Stoffes des Typs Silwet^® L-77 von OSI Specialities hinzugefügt wurden.
Die Zusammensetzung Nr. M 59840 ist eine wäßrige Dispersion, die ein Ethylen-Propylen-Copolymer, das auf Maleinanhydrid des Typs A–C^® X 597 von Allied Signal aufgepfropft wurde, umfasst.
Bad 5): Zusammensetzung Aquacer 524 von Byk-Cera, verdünnt mit Wasser bis zu einer Konzentration von 4% Trockenmasse.
Dies ist eine wäßrige Dispersion, die Polypropylen umfasst, das auf Maleinanhydrid des Typs Epolene^® E-43 von Eastman Chemical aufgepfropft ist. Die Dispersion umfasst anionische Emulgatoren.
Bad 6): Zusammensetzung Aquacer 841 von Byk-Cera, verdünnt mit Wasser bis zu einer Konzentration von 4% Trockenmasse.
Dies ist eine wäßrige Dispersion, die Polypropylen umfasst, das auf Maleinanhydrid des Typs Epolen^® E-43 von Eastman Chemical aufgepfropft ist. Die Dispersion umfasst kationische Emulgatoren.
Bad 7): dieselbe Zusammensetzung wie Bad 1), aber bis zu einer Konzentration an Trockenmasse (aufgepfropftes Polypropylen) von 0,2% verdünnt.
Bad 8): dieselbe Zusammensetzung wie Bad 1), aber bis zu einer Konzentration an Trockenmasse (aufgepfropftes Polypropylen) von 1,0% verdünnt.
Mehrere Blindversuche werden auch durchgeführt, um den Unterschied zwischen den erfindungsgemäß behandelten Fasern und den Fasern des Standes der Technik, die mit bekannten grenzflächenaktiven Stoffen behandelt wurden, aufzuzeigen. Diese Wirkstoffe fallen nicht unter die Definition der Polymere, die Olefinmonomere und Polargruppen umfassen:
Blindversuch A: Zusammensetzung, die 4% Benetzungsmittel auf Basis von modifiziertem Siloxan (verwendet, um die Polypropylenfasern hydrophil zu machen) der Firma SCHILL UND SEILACHER umfasst.
Blindversuch B: Zusammensetzung, die 4% Lurol PP-5030-30% (Mischung von Emulgatoren, Schmiermitteln und antistatischen Mitteln umfasst) der Firma GOULSTON TECHNOLOGIES umfasst.
Blindversuch C: Zusammensetzung, die 4% Hexanol (das üblicherweise als Benetzungsmittel verwendet wird) umfasst.
Herstellung der Polypropylenfasern
Granulat eines Standard-Polypropylenharzes (Schmelzpunkt 165°C, Fluiditätsindex oder „melt flow index" (MFI) 25) wird in einem Extruder erhitzt (wobei die Temperatur am Extruderende zwischen 240°C und 280°C variiert) und auf herkömmliche Weise gezogen.
Die Fasern werden nun mit herkömmlichen Ausrüstungen gezogen.
Nach einem ersten Herstellungsverfahren erfolgen Extrudieren und Ziehen der Fasern diskontinuierlich. Nach einem weiteren Herstellungsverfahren erfolgen das Extrudieren und Ziehen kontinuierlich.
Die Fasern haben nun die folgenden Merkmale:

– Titer: 1,18 dtex
– Festigkeit: 730 N/mm²
– Anfangsmodul: 7460 N/mm²
– Bruchdehnung: 19,0%

Nach dem Ziehen werden die Fasern in einem der oben beschriebenen Behandlungsbäder durch Kontakt mit einer Auftragwalze getränkt, die in das Behandlungsbad eintaucht. Die Menge an Trockenmasse des Behandlungsbades, die auf die Fasern durch diese Behandlung aufgebracht wird, beträgt ungefähr 0,15 bis 1,5 Gew.-% bezogen auf das Fasergewicht.
Diese Konzentration wird durch Nuklearmagnetresonanz (NMR) mit Hilfe eines handelsüblichen Geräts OXFORD NMR QP 20+ gemessen. Diese Ausrüstung wird standardmäßig verwendet, um die Endbearbeitungen von auf die Fasern aufgetragenen Oberflächen, insbesondere in der Textiltechnologie, zu quantifizieren. Dieses Gerät ist derart ausgeführt, dass es die Konzentration einer bestimmten Komponente, die in ihrer Molekularstruktur Protonen enthält, bestimmt.
Vergleichstests werden ebenfalls durchgeführt:

1. ohne Tränkung in dem Behandlungsbad,
2. mit Tränkung in Zusammensetzungen von grenzflächenaktiven Stoffen (Blindversuch A, Blindversuch B und Blindversuch C).

Die Fasern werden dann auf herkömmliche Weise auf eine Länge von 8 mm geschnitten, bevor sie in den Mischungen von Konstruktionsmaterialien verwendet werden.
In den nachstehenden Beispielen 1, 2, 3, 5, 6 erfolgt die Tränkung in dem Behandlungsbad nach dem Ziehen der Fasern, aber es ist auch möglich, diese Behandlung während des Schrittes des Ziehens oder direkt nach dem Extrudieren vor dem Ziehen der Fasern durchzuführen. In dem untenstehenden Beispiel 1 bis erfolgte die Behandlung zwischen dem Schritt des Extrudierens und dem Schritt des Ziehens der Fasern.
BEISPIELE 1, 2, 3, 5, 6 und 1 bis
Herstellung der Mischungen und Einsatz auf einer Hatschek-Maschine
Die folgenden Verbindungen werden in Wasser gemischt:

– 77,2% Zement,
– 1,8% Polypropylenfasern, die an der Oberfläche mit einem der oben beschriebenen Bäder behandelt wurden,
– 3,0% bis auf 65°SR (Schopper-Riegler) verfeinerte Kraft-Zellulosepaste,
– 3,0% amorphes Siliciumoxid, und
– 15% Flugaschen.

Die angegebenen Konzentrationen sind die Konzentrationen an Feststoffen bezogen auf die Gesamttrockenmasse.
Diese Suspension wird mit Wasser bis zu einer Konzentration von 30 g pro Liter verdünnt, und dann wird sie zur Bütte einer Hatschek-Maschine weitergeleitet.
Etwas vor der Einleitung der Suspension in die Bütte werden 200 ppm eines Flockungsmittels des Typs Polyacrylamid hinzugefügt, um die Retention des Zements zu verbessern.
Es werden Platten mit Hilfe der Maschine durch 22 Umdrehungen der Formwalze erzeugt.
Die Platten werden dann zwischen Formen aus geöltem Stahl in einer Presse unter einem angelegten spezifischen Druck von 180 bar (17,7 MPa) bis zu einer durchschnittlichen Dicke von 5,5 mm gepresst.
Die Folien werden unter einer Kunststoffabdeckung 28 Tage lang bei einer relativen Feuchtigkeit von 100% bei 20°C ausgehärtet.
Mechanische Tests zur Biegefestigkeit und Beständigkeit gegen Rissbildung
Die mechanischen Tests werden im trockenen Zustand an der Luft durchgeführt. Es wird zuerst die Biegefestigkeit der Proben auf einer mechanischen Testmaschine während eines herkömmlichen Biegetests an drei Punkten bestimmt.
Das Gerät zeichnet die Spannungs-Verformungs-Kurve auf. Die Brucharbeit unter maximaler Belastung (IMOR), ausgedrückt in Joule pro m² (J/m²), ist das Integral der Spannungs-Verformungs-Funktion bis zur Bruchlast.
Es wird auch die Beständigkeit gegen Rissbildung durch einen strengen Test bestimmt, der derart vorgesehen ist, dass Risse entlang der Ränder der Produkte aus Faserzement hervorgerufen werden („Cracking"-Test).
Risse werden erhalten, indem künstlich ein Feuchtigkeitsgradient zwischen den Rändern und dem Mittelteil der Platten durch ein differentielles Trocknen zwischen den Außen- und Innenbereichen des Produkts erzeugt wird.
Zu diesem Zweck werden eine Reihe von Platten aus Faserzement, die auf einer Hatschek-Maschine hergestellt, komprimiert und unter einer feuchten Atmosphäre 28 Tage ausgehärtet wurden, wie oben beschrieben, in Quadrate von 30 × 30 cm geschnitten und aufeinander gestapelt, wobei alle 10 Stück eine Zwischenschicht eingelegt wird.
Die Ober- und Unterseite des Stapels (ungefähr 40 Platten) sind mit zwei geeigneten nicht absorbierenden Abdeckplatten aus einem Material, wie Stahl oder Polyester, versehen. Der Stapel wird 24 h lang bei 60°C in einen belüfteten Trockenofen gelegt.
Risse treten nun an den Rändern der Platten auf. Die Platten werden einzeln untersucht, und die Längen der mit dem freien Auge sichtbaren Risse werden gemessen. Die Längen der Risse jeder Platte werden addiert und pro 5 Platten zusammengerechnet.
Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle I angeführt.
TABELLE I
Aus der oben stehenden Tabelle I kann abgleitet werden, dass die komprimierten Produkte aus Faserzement, die durch Polypropylenfasern verstärkt sind, die an der Oberfläche durch eines der beschriebenen Bäder 1, 1 bis, 2, 3, 5, 6 behandelt wurden, eine größere Brucharbeit (Erhöhung von 19 bis 75%) als das Produkt aus Faserzement, das dieselben Polypropylenfasern, aber unbehandelt, verwendet, aufweisen.
Diese Verbesserung der Brucharbeit ist auch im Vergleich mit den Produkten aus Faserzement deutlich, deren Polypropylenfasern mit einem grenzflächenaktiven Stoff behandelt wurden (Blindversuch A, B oder C).
Ebenso weisen die erfindungsgemäßen Produkte beim dem „Cracking"-Test eine starke Verringerung der gemessenen Gesamtlänge der Risse auf (je nach Fall von 39 bis 84%), sowohl im Vergleich mit dem Produkt, das Fasern umfasst, die keiner Behandlung unterzogen wurden, als auch im Vergleich mit den Produkten, die Fasern umfassen, die einer Behandlung mit Hilfe der Blindversuche A bis C unterzogen wurden.
BEISPIELE 7 UND 8
Herstellung der Mischungen und Einsatz auf einer Hatschek-Maschine
Dasselbe Herstellungsverfahren, wie für die Beispiele 1, 1bis, 2, 3, 5, 6 beschrieben, wird hier verwendet, mit Ausnahme von der Tatsache, dass die Produkte nicht komprimiert werden.
Die mit Hilfe der Hatschek-Maschine erzeugten Platten werden somit direkt, ohne Zwischenschritt des Pressens, zum Aushärten gebracht.
Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle II zusammengefasst.
TABELLE II
Wie für die komprimierten Produkte aus Faserzement kann für die nicht komprimierten Produkte aus der oben stehenden Tabelle II abgeleitet werden, dass die gewöhnliche Oberflächenbehandlung der Polypropylenfasern durch eines der oben beschriebenen Bäder 7 und 8 dem Endprodukt eine starke Erhöhung der Brucharbeit (Erhöhung von 185 bis 267% im Vergleich mit dem Produkt, dessen Fasern keiner Behandlung unterzogen wurden) verleiht. Diese Verbesserung der Brucharbeit ist auch im Vergleich mit den Produkten aus Faserzement deutlich, deren Polypropylenfasern mit einem grenzflächenaktiven Stoff behandelt wurden (Blindversuch A, B oder C). Ebenso zeigen die gemessenen Werte der Gesamtlänge der Risse für die nicht komprimierten Produkte gemäß der Erfindung eine Verringerung von 19 bis 24% im Vergleich mit dem Produkt, dessen Fasern keiner Behandlung unterzogen wurden. Diese Verbesserung der Rissbildung ist auch im Vergleich mit den Produkten zu beobachten, deren Fasern mit einem der Blindversuche A bis C behandelt wurden.
Die Erfindung ermöglicht es somit, mit einer einfachen und kostengünstigen Oberflächenbehandlung der Polypropylenfasern, die Brucharbeit zu erhöhen und die Beständigkeit gegen die Rissbildung der Produkte aus Faserzement, die mit diesen Fasern verstärkt sind, zu verbessern. Diese Behandlung kann für jeden Typ von Polypropylenfaser angewendet werden.
Die Auswirkungen dieser Behandlung sind besonders unerwartet. Trotz der sehr kurzen Kontaktzeit der Fasern mit der Zusammensetzung des Behandlungsbades scheint die Haftung der Teilchen auf der Faser stark zu sein. Diese Auswirkungen sind umso unerwarteter, als dass trotz der Mischung der Fasern und des Zements in einer großen Menge Wasser und unter starkem Schütteln bei der Herstellung der Produkte aus Faserzement die Wirkung der Behandlung der Fasern aufrecht bleibt.
Es ist ferner anzumerken, dass diese Ergebnisse erzielt werden, wenn an den Produkten aus Faserzement Tests unter den ungünstigsten Bedingungen für die Messung der Brucharbeit, d. h. im trockenen Zustand an der Luft, durchgeführt werden.

Claims

Polypropylenfaser zur Verstärkung von Produkten aus Faserzement, dadurch gekennzeichnet, dass sie an der Oberfläche einen organischen Polymerüberzug umfasst, der unter den Homopolymeren und Copolymeren von Olefinmonomeren ausgewählt wird, die nach Synthese durch Polargruppen, die unter dem Maleinanhydrid, der Acrylsäure oder Methacrylsäure ausgewählt werden, modifiziert wurden, wobei dieser Überzug durch Oberflächenbehandlung mit Hilfe einer wäßerigen Dispersion dieses Polymers aufgebracht wird.
Faser nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Denier (d) der Polypropylenfasern zwischen 0,5 und 10 beträgt.
Faser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Polypropylenfasern zwischen 2 und 20 mm beträgt.
Faser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Überzug 0,05 bis 5 Gew.-% Trockenmasse bezogen auf die Trockenmasse der Faser darstellt.
Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Polypropylenfasern zur Verstärkung von Produkten aus Faserzement, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern mit einer wäßerigen Dispersion organischer Polymere in Kontakt gebracht werden, die unter den Homopolymeren und Copolymeren von Olefinmonomeren ausgewählt werden, die nach Synthese durch Polargruppen, die unter dem Maleinanhydrid, der Acrylsäure oder der Methacrylsäure ausgewählt werden, modifiziert wurden.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die wäßerige Dispersion 0,5 bis 40% organische Polymere umfasst, die Olefinmonomere und Polargruppen umfassen.
Formprodukt aus Faserzement, das mit Hilfe einer hydraulisch fest werdenden Zusammensetzung, die Wasser, hydraulische Bindemittel und Verstärkungsfasern nach einem der Ansprüche 1 bis 4 enthält, hergestellt wird.
Formprodukt aus Faserzement, das mit Hilfe einer hydraulisch fest werdenden Zusammensetzung hergestellt wird, die Wasser, hydraulische Bindemittel und Verstärkungsfasern, die mit dem Behandlungsverfahren nach einem der Ansprüche 5 und 6 behandelt wurden, enthält.
Produkt nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass es 1 bis 5 Gew.-% Verstärkungsfasern bezogen auf die ursprüngliche Gesamttrockenmischung umfasst.
Produkt nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es in einer welligen oder flachen Platte besteht.