EP3609855A1 - Verfahren zur herstellung eines anorganischen schaums und dessen verwendung - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines anorganischen schaums und dessen verwendung

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EP3609855A1
EP3609855A1 EP18716615.2A EP18716615A EP3609855A1 EP 3609855 A1 EP3609855 A1 EP 3609855A1 EP 18716615 A EP18716615 A EP 18716615A EP 3609855 A1 EP3609855 A1 EP 3609855A1
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EP
European Patent Office
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composition
composition according
amounts
weight
silicate
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP18716615.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Kurt SCHÜMCHEN
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Interbran Raw Materials GmbH
Original Assignee
Interbran Raw Materials GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Interbran Raw Materials GmbH filed Critical Interbran Raw Materials GmbH
Publication of EP3609855A1 publication Critical patent/EP3609855A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B28/00—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements
    • C04B28/006—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements containing mineral polymers, e.g. geopolymers of the Davidovits type
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B38/00—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof
    • C04B38/02—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof by adding chemical blowing agents
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2111/00—Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
    • C04B2111/20—Resistance against chemical, physical or biological attack
    • C04B2111/28—Fire resistance, i.e. materials resistant to accidental fires or high temperatures
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P40/00—Technologies relating to the processing of minerals
    • Y02P40/10—Production of cement, e.g. improving or optimising the production methods; Cement grinding
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
    • Y02W30/00—Technologies for solid waste management
    • Y02W30/50—Reuse, recycling or recovery technologies
    • Y02W30/91—Use of waste materials as fillers for mortars or concrete

Definitions

  • the present invention relates to the technical field of inorganic foams, in particular for purposes of thermal insulation or fire protection.
  • the present invention relates to a composition for producing an inorganic foam and to the use thereof for the production of inorganic foams and moldings.
  • the present invention relates to a process for the production of moldings from an inorganic foam.
  • the present invention relates to a molded article comprising an inorganic foam.
  • insulation boards based on plastic foams are generally used both indoors and outdoors.
  • the insulation boards are preferably used as external thermal insulation systems (ETICS), which are constructed of a plate-shaped insulating material, a reinforcing layer applied to the outside and a top coat.
  • EICS external thermal insulation systems
  • the insulation boards are usually based on plastic foams, in particular polystyrene foams (PS), such as polystyrene particle foam (EPS) or polystyrene extruder foam (XPS), or based on rigid polyurethane foams (PUR).
  • PS polystyrene foams
  • EPS polystyrene particle foam
  • XPS polystyrene extruder foam
  • PUR rigid polyurethane foams
  • Thermal insulation systems based on the aforementioned plastic insulating panels have excellent insulating properties under ideal conditions, but have the disadvantage that they form a vapor barrier and moisture from the masonry can not be released into the environment, which often leads to the formation of mold and algae.
  • the moisture increases the thermal conductivity of the system, which is why the theoretical heat transfer coefficients (U-values) according to EN ISO 6946 are often not achieved in practice.
  • thermal insulation composite systems ETICS have thicknesses of 50 to 20 cm in order to achieve sufficient thermal insulation, which often leads to a visual deterioration of the entire façade and a reduced incidence of light into the interior of the building through the windows.
  • thermal insulation composite systems thermal insulation composite systems
  • VIP vacuum insulation panels
  • plastic materials used after the period of use in case of damage can not be easily disposed of, recycled or recycled, but declared as hazardous waste and a costly and expensive disposal must be supplied.
  • diffusion-open insulation materials for example based on mineral wool or natural organic fibers, such as wood, cork, hemp and Scerratagen can be recycled or disposed of more easily, but they often lack the necessary mechanical stability and structural integrity; these systems are rather flexible and not dimensionally stable.
  • the so-called vapor-permeable systems have a significantly reduced insulating effect compared to plastic foam boards or vacuum insulation boards.
  • mineral building materials generally have a much higher density compared to plastic-based building materials or building materials based on organic natural materials, ie in the installation of insulation boards based on mineral materials significantly more weight must be applied to the house facade or the interior walls, which both the transport and attachment to a substrate as well as the handling of these insulation materials makes it much more difficult and expensive and thus more expensive.
  • many mineral materials suitable principally as insulating materials such as, for example, perlite or vermiculite, in particular in expanded form, have the serious disadvantage that they are present as particulate fillers. Although these particles are often highly porous, have excellent thermal insulation properties and some acceptable bulk density, but must be added to a binder to be processed into moldings, such as insulation boards.
  • binders however, has a number of disadvantages:
  • the binder often has a very high density and high thermal conductivity when using mineral binders, so that the heat transfer coefficient of a shaped body, in particular an insulating plate, is significantly worse than the heat transfer coefficient of used mineral insulating material or filler.
  • both the density and the heat transfer coefficient of the molded body obtained can be significantly improved, but only at the cost of increased flammability and a massively deteriorated environmental performance.
  • inorganic foams in particular of mineral foams, such as, for example, geopolymer foams. These are purely mineral or almost exclusively mineral based and have a low density and extremely low thermal conductivity.
  • Geopolymers are inorganic binders based on silicate, which are liquid in the uncrosslinked state and can be processed into moldings, but form solid three-dimensionally crosslinked structures after solidification and curing.
  • silicate silicate
  • the synthesis of synthetic geopolymers has also been extended to a variety of suitable materials, particularly waste products from industrial raw material extraction, such as blast furnace slag.
  • aluminosilicates in particular metakaolin
  • Geopolymers are generally activated in an alkaline manner, for example by reaction with concentrated sodium hydroxide solution, to give a liquid mixture which solidifies and hardens after some time.
  • Geopolymers can also be prepared by alkaline activation of, for example, clays, various ashes, in particular fly ash, natural pozzolans or suitable slags.
  • the binder system of the geopolymers is an amorphous silica gel, which is easily moldable in its uncured state and usually has good mechanical properties after curing.
  • EP 2 545 239 B1 relates to a component structure, in particular a window or door frame, which is filled with a foamed geopolymer.
  • the copolymer is formed by a mixture of metakaolin and mica and / or another laminar material and an aqueous alkali metal silicate solution which contains an alkali metal hydroxide.
  • DE 10 2014 003 104 A1 relates to a process for the production of foam or blowing masses or bodies from a raw material mixture with a solid with aluminosilicates, which form alkaline structures and polymeric structures and / or spatial networks and thereby harden, wherein the alkaline activation of the solid in the preparation of the curable raw material mixture is first introduced by the alumosilicate-containing solid is mixed with at least one alkaline activator and well homogenized, with complete curing of the geopolymer matrix takes place a swelling and / or foaming process.
  • alumosilicates in particular metakaolin, Humpsandsmehl, Trassmehl, oil shale, aluminum-containing silicate dust, pozzolans, basalt, clays are given and as the alkaline activator, water glass or an alkali metal hydroxide can be used.
  • the foaming agent used is aluminum powder or hydrogen peroxide.
  • DE 40 37 576 A1 relates to the production of foamed mineral structures for the production of moldings, wherein the mineral foams by reacting ground oxide mixtures based on slags from Siliaktschmelzen, in particular blast furnace slag, Schmelzbasalt, Tonerdschmelzzement and brick flours used, which with an alkaline activator in the form of a reacted aqueous alkali metal silicate.
  • foaming agents for example, inorganic peroxides such as sodium percarbonate or perborate, hydrogen peroxide and zinc powder or aluminum powder can be used.
  • the abovementioned method makes it possible to obtain geopolymer foams which can in principle be used as thermal insulation materials or for fire protection purposes.
  • a further object of the present invention is to provide a material which not only has very good heat-insulating properties, but also is non-combustible and is easy to handle and easy to dispose of or recycle.
  • the present invention proposes a composition according to claim 1 according to a first aspect of the present invention. Further advantageous embodiments of this aspect of the invention are the subject of the relevant subclaims.
  • Another object of the present invention - according to a second aspect of the present invention is the use of a composition for producing an inorganic foam according to claim 43.
  • Another object of the present invention according to a third aspect of the present invention is the use of a composition for producing an inorganic foam molding according to claim 44.
  • Yet another subject of the present invention according to a fourth aspect of the present invention is a method for producing a molded body from a geopolymer foam according to claim 45; Further advantageous embodiments of these aspects of the invention are the subject of the relevant subclaims.
  • Another object of the present invention according to a fifth aspect of the present invention a shaped body according to claim 57; Further advantageous embodiments of these aspects of the invention are the subject of the relevant subclaims.
  • the subject of the present invention - is thus a composition for producing an inorganic foam, in particular a geopolymer foam, containing
  • silicate binders such as, for example, geopolymers, especially when using silicate-containing material based on perlites, preferably expanded perlite, and fibers, inorganic foams which are extremely resilient to mechanical stress, in particular geopolymer foams, obtained, which also have excellent thermal insulation properties and low density.
  • the use of the composition according to the invention makes it possible to produce highly heat-insulating geopolymer foams which manage without further heat-insulating fillers.
  • the inorganic foams produced by the composition according to the invention in particular geopolymer foams, are mechanically highly stable, form stable foam structures and cure rapidly; Consequently, they can be easily processed into moldings, such as insulation boards.
  • the geopolymer foams produced in the composition according to the invention are non-combustible or safely removable and have the fire classes A1 or A2 according to DIN 4102.
  • composition according to the invention and the inorganic foams obtainable with it, in particular geopolymer foams are furthermore preferably of purely mineral or almost exclusively mineral composition, so that no potentially harmful or environmentally hazardous substances, such as plasticizers or preservatives, are used for their preparation have to. Because of this safety, the inorganic foams or geopolymer foams according to the invention produced with the composition according to the invention can readily be used as building materials both indoors and outdoors.
  • the composition according to the invention enables a time-saving, cost-effective and reproducible production of inorganic foams or geopolymer foams and is therefore outstandingly suitable for the industrial production of components, in particular insulating panels.
  • the inorganic foams or geopolymer foams obtainable with the composition according to the invention have in the hardened foam structure gas-filled cavities, so-called cells, which are enclosed by solid walls.
  • the inorganic foams or geopolymer foams are preferably closed-cell foams, ie the cavities or cells lie in the interior of the solid-state structure, are enclosed on all sides by walls and have no connection to the environment.
  • the inorganic foams or geopolymer foams according to the invention can be achieved.
  • At least the inorganic foams or geopolymer foams are mostly closed-cell foams, ie foams with a high proportion of closed pores.
  • a geopolymer is understood as meaning a silicate-based binder based on at least one aluminosilicate which has been reacted with an alkaline activator.
  • the purely inorganic or almost exclusively inorganic based binder system of a geopolymer is initially liquid and can be easily processed into moldings, for example by casting, but hardens quickly and forms extremely stable structures.
  • alkaline activation for example by inorganic alkalis, such as sodium hydroxide, or the reaction with alkali metal silicates, such as lithium water glass, at pH values above 12 silicate and aluminate ions are dissolved out of the solid state framework and condense subsequently, so that new complex three-dimensional structures arise.
  • inorganic alkalis such as sodium hydroxide
  • alkali metal silicates such as lithium water glass
  • the silicate-containing material is in particle form.
  • the silicate-containing material particle sizes in the range of 1 ⁇ to 10,000 ⁇ , in particular 2 ⁇ to 8.000 ⁇ , preferably 10 ⁇ to 5.000 ⁇ having.
  • the silicate-containing material is selected from the group of metakaolin, mica, blast furnace slag, blastfurnace slag, fly ash, microsilica, trass flour, oil shale, basalt, zeolites, silica aerogels, silica hybrid orgains, Vermiculite, in particular puffed vermiculite, perlite, in particular puffed perlite and mixtures thereof.
  • the silicate-containing material is selected from vermiculite, preferably expanded vermiculite, and perlite, preferably expanded perlite, and mixtures thereof.
  • the silicate-containing material is an aluminosilicate or contains at least one aluminosilicate; in particular, when selecting the silicate-containing materials mentioned above, it is preferable to ensure that at least one of the selected materials is one Aluminosilicate or contains an aluminosilicate.
  • the silicate-containing material is perlite, in particular expanded perlite.
  • blown perlite it is possible to produce highly porous, highly heat-insulating molded bodies with low density and, at the same time, high mechanical strength.
  • perlite in particular expanded perlite
  • perlite can be used in an outstanding manner as a binder for a geopolymer, in particular unresolved residues of the expanded perlite are homogeneously and finely distributed as highly porous fillers in the foam matrix and both the mechanical strength and the heat-insulating Advantageously influence the properties of the inorganic foam.
  • the silicate-containing material is a mixture of vermiculite, in particular expanded vermiculite, and / or perlite, in particular expanded perlite, and an airgel, in particular a silica airgel and / or a silica hybridiserogel.
  • a silica hybridogel is to be understood as meaning a silica airgel which contains from 1 to 20% by weight, in particular from 5 to Contains 15 wt .-%, based on the silica Hybhdaerogel, at least one polysaccharide.
  • the polysaccharide is usually selected from starch, gum arabic, xanthan, pectin, agarose, cellulose ethers, especially pectin and / or xanthan.
  • the polysaccharides are usually added already in the production of silica Hybridaerogel and form an extremely flexible, but at the same time stable matrix, which flexibly connects the individual silica airgel particles together and protects against excessive mechanical loads.
  • Silica Hybridaerogele have in comparison to conventional silica aerogels significantly improved mechanical properties with only slightly deteriorated thermal insulation properties.
  • a suitable method for preparing silica hybrid orgies is described, for example, in S. Zhao, WJ Malfait, A. Demilecamps, Y. Zhang, S. Brunner, L. Huber, P. Tingaut, A. Rigacci, T. Budtova and MM Koebel , "Strong, Thermally Superinsulating Biopolymer-Silica Airgel Hybrids by Cogelation of Silicic Acid with Pectin", Angewandte Chemie, 127, 48, 2015, pages 14490 to 14494.
  • the inorganic foams prepared using silica hybrid ore still have excellent fire protection properties and are hardly flame retardant.
  • silica aerogels are preferred over the use of silica hybrid orgains, since with the use of silica aerogels almost exclusively inorganic foams, in particular geopolymer foams, can be provided.
  • the thermal insulation of the resulting geopolymer foams can be significantly improved again.
  • the silicate-containing material usually has a weight-related ratio of vermiculite, in particular expanded vermiculite, and / or perlite, in particular expanded perlite, to silica airgel and / or Silica hybridiogel in the range of 100: 1 to 1:20, in particular 70: 1 to 1:15, preferably 50: 1 to 1:10, preferably 10: 1 to 1:10 on.
  • the silicate-containing material is a mixture of perlite, in particular expanded perlite, and a silica airgel and / or a silica Hybridaerogel.
  • the airgel in particular silica airgel, is incorporated in the pores of the vermiculite, in particular the expanded vermiculite, and / or the perlite, in particular the expanded perlite.
  • the mechanically very generally very sensitive airgel in particular silica airgel
  • the thermal insulation properties of the expanded perlite are again markedly increased.
  • the silicate-containing material is present in the form of composite particles, which are usually not completely dissolved by the geopolymer formation when selecting the aforementioned particle sizes, but partially retained and significantly improve the thermal insulation properties of the geopolymer foam.
  • the composite particles comprise vermiculite and / or perlite, in particular expanded vermiculite and / or expanded perlite, as a porous carrier material, the pores of the porous carrier material having at least one airgel.
  • the pores of the porous carrier material are filled with an airgel.
  • the properties of the perlite described below, in particular the expanded perlite, and / or the vermiculite, in particular the sewn vermiculite, and the airgel of the composite particles preferably also apply to the individual components in mixtures of the substances.
  • the composite particles usually have a bulk density in the range of 50 to 150 kg / m 3 , in particular 60 to 100 kg / m 3 , preferably 70 to 80 kg / m 3 , on.
  • the open porosity i. H. increases the volume of voids within the substrate associated with the environment to access a larger volume for storage of the airgel in the pores.
  • expanded perlite often has a very high proportion of closed pores, so that it is not possible to form an airgel in the pores of the porous carrier material, in particular of the perlite, or to store it there.
  • Reagent solutions which contain the educts for forming the aerogels do not enter the closed pores in the interior of the porous support material.
  • the composite particles are modified, in particular hydrophobicized, at least on their outer surface.
  • a surface modification in particular a hydrophobic treatment
  • the hydrophilicity and thus the absorption of water by the mineral carrier material can be limited or even completely avoided when using purely mineral carrier materials.
  • the surface modification in particular hydrophobing, is carried out as part of a surface modification or hydrophobing of the airgel. The hydrophobic properties are retained even when the composite particles are used as binders or binder components of a geopolymer and enable the production of moldings from inorganic foams having hydrophobic surfaces.
  • the surface of the porous carrier or airgel is changed so that the interaction between the surface and polar substances, such as alcohols or water, is minimized.
  • polar substances such as alcohols or water
  • all measures known and suitable from the prior art can be used.
  • a surface modification by means of silanes or siliconates or polysiloxanes a particularly effective hydrophobization of the porous support material can be achieved.
  • the surface modification, in particular the surface, preferably the outer surface, of the porous support materials is formed by polysiloxanes.
  • the polysiloxanes can be applied or formed by direct treatment of the surface with polysiloxanes or preferably by treatment with silanes and / or siliconates, which react by condensation reactions to form polysiloxanes.
  • the porous support material is in the form of particles. If the porous carrier material is already present in particle form, it is possible to fill the pores of the porous carrier material with the airgel as uniformly as possible.
  • the carrier material is in particle form, then it has proven useful if the particles of the porous carrier material have absolute particle sizes in the range of 10 to 5,000 ⁇ m, in particular 20 to 4,000 ⁇ m, preferably 30 to 3,000 ⁇ m, preferably 40 to 2,000 ⁇ m, particularly preferably 50 to 1, 500 ⁇ m.
  • the particle size of the porous carrier material is thus preferably smaller than the particle size of the composite particles, d. H. the airgel is located both in the pores of the porous support material and on its surface.
  • a finely divided carrier material is used, since as complete as possible penetration of the pores of the porous carrier material with the aerogels or their precursors used is possible.
  • the insulating properties, in particular the thermal conductivities, of the composite particles are decisively improved.
  • Pores with sizes in the aforementioned ranges play a major role in particular in the thermal conductivity of the materials, which is why it is important that just these pores are filled with airgel.
  • the airgel used to be incorporated into the pores of the porous support material virtually any airgel can be used. However, it has proven to be useful when silica aerogels are used, especially since they can build particularly good and durable bonds to the porous support materials. Aerogels having the properties described below can also be used as silicate starting material in the form of particles for the production of inorganic foams or geoploymeren.
  • the airgel usually has a bulk density of 0.025 to 0.30 g / cm 3 , in particular 0.03 to 0.25 g / cm 3 , preferably 0.04 to 0.22 g / cm 3 , preferably 0.05 to 0 , 15 g / cm 3 , on.
  • the bulk density of the airgel refers to an airgel, which was not formed directly on the porous support material, but under otherwise comparable conditions, but without support material.
  • the pore diameter of the airgel used can naturally vary within wide ranges. However, it has proven useful if the airgel has an average pore diameter of 1 to 300 nm, in particular 5 to 200 nm, preferably 10 to 150 nm, preferably 15 to 100 nm. In this connection, it may likewise be provided that the airgel has an average pore diameter of less than 300 nm, in particular less than 200 nm, preferably less than 150 nm, preferably less than 100 nm. Aerogels with average pore diameters in the aforementioned ranges have particularly good thermal insulation properties and at the same time are sufficiently mechanically stable.
  • the airgel is hydrophobized. It is thus preferred in the context of the present invention if both the airgel and the porous support material or the porous composite material are hydrophobized in order to avoid water absorption as possible.
  • the airgel has a contact angle with water of 100 to 170 °, in particular 130 to 165 °, preferably 140 to 165 °. It has proven useful if the airgel is formed on the porous carrier material and / or in the pores of the porous carrier material, preferably in the pores of the porous carrier material.
  • the airgel By forming the airgel on or in the porous carrier material, a particularly good penetration of the pores of the carrier material with the airgel is achieved, whereby on the one hand the thermal insulation properties of the resulting composite particles are optimized and on the other hand the airgel embedded in the pores is optimally protected and particularly good bonded to the surface of the porous support material.
  • the airgel is obtained by means of a sol-gel process.
  • the composite particles are obtainable by carrying out a sol-gel process for the preparation of silica aerogels in the presence of the porous support material.
  • the porous support material in a first process step, is subjected to a treatment to increase the open pore volume, and
  • Pores of the porous support material an airgel, in particular a silica airgel is formed.
  • the formation or production of the airgel on or in the porous carrier material permits a particularly intimate bond between carrier material and airgel, which is associated with particularly good heat-insulating properties of the resulting composite particles on the one hand and particularly good protection of the airgel on the other hand.
  • the formation of the airgel on or in the porous carrier material also achieves the greatest possible penetration of the porous carrier material with the airgel. It has been found that in the production of porous composite particles whose pores contain an airgel, significantly better results are obtained when the porous support material is subjected to a treatment to increase the open pore volume, ie the volume of pores which are in contact with the environment. is subjected. In this way, it becomes possible to reproducibly produce porous composite particles whose pores contain an airgel for improved thermal insulation, even on a technical and industrial scale.
  • the open pore volume of the porous support material in the context of this embodiment of the present invention is increased by mechanical and / or chemical, preferably mechanical, treatment of the porous support material.
  • porous support material in process step (a) is subjected to a grinding process, in particular in a ball mill.
  • the grinding of the porous support material, in particular in a ball mill represents a very simple and cost-effective variant for increasing the open pore volume. It has been shown that the grinding process not only crushes the particles of the porous support material and thus the specific surface area is increased, but that also by the mechanical action, a larger proportion of open pores for the subsequent formation of the airgel is available.
  • the porous support material in process step (a) is usually treated with a caustic, in particular an aqueous solution of an alkali metal and / or alkaline earth metal hydroxide, preferably an alkali metal hydroxide.
  • a caustic in particular an aqueous solution of an alkali metal and / or alkaline earth metal hydroxide, preferably an alkali metal hydroxide.
  • the alkali metal hydroxide is selected from sodium hydroxide and / or potassium hydroxide.
  • sodium hydroxide solution or potassium hydroxide solution are thus preferably used for the chemical treatment of the porous support material.
  • the solution comprises the alkali metal and / or alkaline earth metal hydroxide in amounts of 50 to 60 wt .-%, in particular 10 to 40 wt .-%, preferably 10 to 30 wt .-%, based on the solution.
  • the porous support material with the liquor at elevated temperature, in particular at temperatures in the range of 30 to 80 ° C, in particular 35 to 70 ° C, preferably 40 to 60 ° C, treated.
  • the treatment to increase the open pore volume of the porous support material is carried out chemically, it has proven useful if, following the actual process step (a), the chemical treatment agent, in particular the lye, is removed without residue. This is preferably done by repeated washing with demineralized water. In this connection, it has proven useful to carry out 1 to 10 washing operations, in particular 2 to 7 washing operations, preferably 3 to 5 washing operations.
  • a thorough removal of residues of the reagent used in the chemical treatment, in particular of potassium or sodium hydroxide is often necessary, since in the formation of airgel compliance with a certain pH range is critical. Alkaline residues not removed from the system prevent the setting of a stable pH value and can thus hinder or prevent the formation of the airgel.
  • porous carrier material is impregnated with the hydrosol.
  • the sol penetrates consequently in all (Open) pores of the porous support material and fills it as completely as possible.
  • the sol is converted to a gel.
  • This process is also referred to as "aging" and describes the process of polymerization or condensation reactions of the individual molecules of the sol to macromolecules, the so-called gel.
  • the gel obtained, in particular hydrogel must then be dried to airgel. This can be done, for example, in an autoclave under supercritical conditions. It is also possible to convert hydrogels into alkogels by solvent exchange, in particular of water to alcohol, which permits removal of the solvent under gentler conditions, but also in the supercritical region. The replacement of the solvent or the solvent mixtures by carbon dioxide and subsequent supercritical drying is possible. These variants are all technically possible, but expensive in terms of apparatus. In the context of the present invention, a simple removal of the solvent or dispersant at elevated temperature is possible, with very good results being obtained as well.
  • hydrogel is rendered hydrophobic.
  • the hydrogel is rendered hydrophobic by treatment, in particular chemical reaction, with at least one hydrophobizing agent.
  • a hydrophobing of the airgel allows an exchange of polar solvents, in particular water, for less polar solvents, which can then be removed under elevated temperature and / or reduced pressure, without drying in the supercritical region would be necessary.
  • supercritical drying of the hydrophobized airgel with carbon dioxide is also possible and represents a particularly rapid and gentle drying process.
  • a hydrophobing, in particular an in-situ hydrophobization, of the gel is carried out.
  • In-situ hydrophobization of the gel makes it possible to form the surface or the pore structure of the airgel in such a way that the interaction with polar substances, in particular water, is weakened such that removal of these polar substances by heating or use of vacuum becomes possible without destroying the airgel structure.
  • This makes it possible, when selecting suitable hydrophobizing agents, to perform the entire airgel synthesis in an aqueous medium.
  • a simultaneous hyrophobization of the surface of the porous support material is achieved by in-situ hydrophobing of the airgel.
  • the hydrophobizing agent is selected from phosphonates, sulfonates, substituted amines, silanes, polysiloxanes, siliconates, carboxylic acid derivatives, ethoxylates, polyethers, in particular silanes, polysiloxanes and siliconates, and mixtures thereof.
  • silanes, siliconates and polysiloxanes, preferably silanes and siliconates as a hydrophobing agent is a particularly uniform incorporation into the forming gel material, especially in silica hydrogels, possible, whereby an effective surface modification of all, ie, internal, surfaces of the gel can be achieved. This effect is especially pronounced in the case of silanes and siliconates.
  • silanes, siliconates and polysiloxanes are also outstandingly suitable for surface modification, in particular hydrophobing, of mineral or silicate-based porous support materials which are preferably used in the context of the present invention.
  • a polysiloxane when used as a hydrophobing agent, its chemical nature may vary widely. In this context, it is preferred if a polysiloxane having reactive functional groups, in particular selected from hydroxy functions, amines and / or carboxylic acids, is used.
  • silane is used as a hydrophobing agent for the hydrophobization of the gel, its chemical nature may likewise vary widely. However, particularly good results are obtained when a silane of the general formula I
  • n is 1 to 3, in particular 1 or 2, preferably 1;
  • Halide in particular chloride, bromide and / or iodide
  • OX with X hydrogen, alkyl, aryl, polyether and / or carboxylic acid derivative, in particular alkyl, preferably C to Cs-alkyl, preferably C 2 - to C 4 -alkyl; is used.
  • R 2 corresponds to OX, in particular ethoxy.
  • n 1 to 6, in particular 1 to 3, preferably 1;
  • R d- to Cio-alkyl and / or C 6 - to C15-A17I
  • alkali metal preferably sodium or potassium
  • the hydrophobing agent is selected from sodium methylsiliconate, Kaliummethylsiliko- nat, Natriumpropylsilikonat and Kaliumpropylsilikonat and mixtures thereof.
  • the hydrophobizing agent is potassium methyl silicate.
  • a solvent or dispersion medium is used.
  • the use of only one solvent in the course of the process greatly simplifies the process, since in the production of aerogels, in particular of silica aerogels, often several solvent changes must be made. On the one hand, a repeated solvent change leads to a greater expense in terms of process engineering, and on the other hand, the disposal of the solvent residues or dispersion agent residues is also made considerably more difficult since they often have to be collected and disposed of separately.
  • a single solvent in particular water is used.
  • solutions or dispersions which are used in process step (b) always have one and the same solvent, preferably water.
  • a polar solvent or dispersant in particular a polar protic solvent or dispersant, is used as the solvent or dispersant.
  • the solvent or dispersant is selected from the group of alcohols, in particular C 1 to C 8 alcohols, amines and water, in particular methanol, ethanol, propanol and water, preferably ethanol and water. It is particularly preferred if the solvent or dispersant is water.
  • An advantage of using water is that it is neither toxic nor environmentally objectionable. In addition, water is non-combustible and easy to dispose of.
  • process step (b) is preferably carried out in a plurality of process stages, wherein
  • the sol is converted to a gel, in particular a hydrogel.
  • the sol is prepared in a preparatory process stage upstream of process stage (i).
  • the sol is prepared from a solution or dispersion of at least one precursor.
  • the solution or dispersion contains the precursor in amounts of from 0.01 to 20% by weight, in particular from 0.1 to 15% by weight, preferably from 0.5 to 10% by weight, preferably 0.75 to 8 wt .-%, based on the solution or dispersion contains.
  • concentration ranges a particularly uniform polymerization or condensation of the sol molecules or particles is achieved, so that a particularly homogeneous gel, in particular hydrogel, is obtained.
  • the sol in particular the hydrosol, can be prepared from a large number of possible precursor compounds.
  • a hydrosol based on monosilicic acid and / or colloidal silica from an alkali metal silicate solution, in particular sodium silicate solution is prepared as a precursor.
  • the hydrosol is prepared from an alkali metal silicate solution, it has proven useful if the hydrosol is prepared by reacting the alkali metal silicate solution with mineral acids, in particular hydrochloric acid, nitric acid and / or sulfuric acid, or by ion exchange, preferably by ion exchange ,
  • ion exchange with a strongly acidic cation exchange resin in particular a sulfonated polystyrene resin, preferably a sulfonated divinylbenzene cross-linked polystyrene resin is performed.
  • a strongly acidic cation exchange resin in particular a sulfonated polystyrene resin, preferably a sulfonated divinylbenzene cross-linked polystyrene resin
  • ion exchangers in particular based on sulfonated divinylbenzene crosslinked polystyrene resins, leads to particularly pure hydrosols which are virtually free of salts, in particular interfering ions, which hinder the polymerization of the airgel or lead to defects in the gel.
  • the sol has a pH in the range of 1 to 6, in particular 2 to 4, preferably 2 to 3 after its preparation.
  • good results are obtained if the sol has a pH of less than 6, in particular less than 4, in particular less than 3.
  • the sol has a conductivity at 20 ° C. of at most 1 500 ⁇ / ⁇ , in particular at most 1 000 ⁇ / ⁇ , preferably at most 800 ⁇ / ⁇ .
  • particularly good results are obtained if the sol has a conductivity at 20 ° C.
  • process step (i) is carried out at room temperature or in a temperature range from 15 to 30 ° C, in particular from 20 to 25 ° C.
  • process step (i) under elevated pressure, in particular at an absolute pressure of 2 to 12 bar, in particular 3 to 10 bar, preferably 4 to 9 bar, preferably 6 to 8 bar.
  • step (i) is not performed permanently under elevated pressure.
  • the pressure is increased at intervals, in particular at 2 to 50 intervals, preferably 5 to 40 intervals, preferably 8 to 30 intervals, particularly preferably 10 to 20 intervals.
  • the pressure is increased starting from the ambient pressure or from normal pressure.
  • process step (i) is then carried out for a period of 1 to 60 minutes, in particular 5 to 50 minutes, preferably 10 to 40 minutes, preferably 20 to 30 minutes, at normal pressure or ambient pressure, in particular wherein the mixture of sol and porous particles is allowed to rest at normal pressure or ambient pressure.
  • the pH of the sol, in particular for gel formation is preferably in the range from 3.5 to 7, in particular 3.5 to 6.5, preferably 4 to 6, preferably 4 to 5 set.
  • a particularly uniform and controlled polymerization or condensation of the sol to gel, in particular of silica hydrosols to hydrogels takes place.
  • the adjustment of the pH in particular in process step (i) so this can be done in many ways.
  • particularly good results are obtained in the context of the present invention if the pH is adjusted by adding a base, in particular by adding sodium hydroxide solution, potassium hydroxide solution and / or aqueous ammonia solution, preferably aqueous ammonia solution.
  • the use of ammonia solution has the particular advantage that the resulting ammonium ions do not adversely affect the polymerization or condensation of the sol to the gel and, moreover, are not incorporated into the gel structure, for example sodium or potassium ions.
  • the pH is adjusted by adding acid, in particular a mineral acid, preferably hydrochloric acid. Adjustment of the pH by addition of acids may be necessary in particular if strongly basic hydrophobing agents are used.
  • the sol is brought into contact, in particular offset, with at least one hydrophobizing agent.
  • the hydrophobizing agent is used to hydrophobize the sol in the form of a solution or dispersion, in particular an aqueous solution or dispersion.
  • concentration of the hydrophobing agent in the solution or dispersion is concerned, this can vary within wide limits.
  • the solution or dispersion contains the hydrophobizing agent in amounts of 1 to 90% by weight, in particular 10 to 80% by weight, preferably 30 to 70% by weight, preferably 40 to 60% by weight. %, based on the solution or dispersion of the hydrophobing agent contains.
  • the sol is brought into contact with the hydrophobizing agent before the porous support material is brought into contact with the sol. It has been found that best results are achieved when the reaction mixture for the preparation of the gel, in particular the hydrogel is completed so far that only by raising the temperature and aging, the formation of the gel remains to wait before the prepared sol with the porous support material in Contact is brought.
  • the addition of the hydrophobing agent to the sol is preferably carried out for several minutes with slight shearing.
  • the adjustment of the pH takes place after the sol has been brought into contact with the hydrophobizing agent.
  • the adjustment of the pH is effected for 0.1 to 60 minutes, preferably 0.5 to 30 minutes, preferably 0.5 to 15 minutes, after the sol has been brought into contact with the hydrophobizing agent has been.
  • the porous support material is added to the sol, in particular with stirring.
  • the sol it is also possible to carefully add the sol to the porous support material.
  • the weight-related ratio of porous carrier material to hydrosol usually lies in the range from 5: 1 to 1:20, in particular from 3: 1 to 1:15, preferably from 1: 1 to 1:10, preferably from 1: 1 to 1: 5.
  • the duration in which the sol in process step (i) and the porous support material are brought into contact can vary in many areas. However, particularly good results are obtained when the sol and the porous support material are brought into contact for at least 1 hour, in particular at least 2 hours, preferably at least 3 hours, preferably at least 6 hours. Likewise, it has been proven, if the sol and the porous support material are brought into contact for at most 24 hours, in particular at most 18 hours, preferably at most 15 hours, preferably at most 12 hours. In this connection it can likewise be provided that the sol and the porous carrier material are brought into contact for a period of 1 to 24 hours, in particular 2 to 18 hours, preferably 3 to 15 hours, preferably 6 to 12 hours.
  • the duration of the contacting is dependent inter alia on the nature of the hydrophobizing agent used, the grain size of the porous support material and the pore structure, in particular the pore size distribution, the porous support materials.
  • the temperature at which - in particular in process step (i) - the sol and the porous carrier material are brought into contact this naturally can vary within wide ranges. However, particularly good results are obtained when the sol and the porous support material are brought into contact at room temperature. In this context, it has proven useful when the sol and the porous support material in the temperature range of 15 to 30 ° C, in particular 20 to 25 ° C, are brought into contact.
  • the contacting of the sol and the porous support material at room temperature has the advantage that the gelation proceeds only very slowly, so that the porous support material can be completely penetrated by the hydrosol. Too rapid gelation would prevent the sol or gel from penetrating far into the pores or filling smaller pores.
  • the sol and the porous carrier material are brought into contact under elevated pressure, in particular in process stage (i), in particular where the increased pressure is applied at intervals and preferably repeated pressure buildup is undertaken becomes. This ensures in particular that the porous carrier material is penetrated rapidly and completely by the sol.
  • the mixture is particularly preferred at temperatures in the range from 30 to 90.degree. C., in particular 35 to 85.degree. C., preferably 40 to 80.degree. C., particularly preferably 50 to 75.degree 60 to 70 ° C, is heated. Heating in process step (ii) enables rapid gel formation, in particular in the pores of the porous support material.
  • the mixture is kept at the elevated temperature for 1 to 100 hours, in particular 5 to 85 hours, preferably 10 to 70 hours, preferably 20 to 60 hours, particularly preferably 24 to 48 hours. It is also possible that the mixture is kept at the elevated temperature for less than 100 hours, in particular less than 85 hours, preferably less than 70 hours, preferably less than 60 hours, more preferably less than 48 hours.
  • the aforementioned reaction times are usually sufficient to achieve complete conversion of the sol to the gel.
  • the hydrogel obtained in process step (ii) is processed to an airgel, in particular wherein the obtained in process step (ii) a gel containing particles and then dried.
  • the drying of the gel to an airgel is concerned, this can - as stated above - be done in many ways.
  • the hydrogel-containing particles at temperatures in the range of 20 to 200 ° C, in particular 30 to 150 ° C, preferably 40 to 120 ° C, preferably 50 to 100 ° C, dried.
  • particularly good results are obtained when the hydrogel-containing particles are dried for a period of 8 to 72 hours, in particular 12 to 60 hours, preferably 24 to 48 hours. This is possible in particular even when using water as the sole solvent or dispersant, if a suitable hydrophobing of the airgel is carried out.
  • the thermal drying described above is carried out at normal or ambient pressure.
  • the particles having a hydrogel are particularly preferably subjected to supercritical drying with carbon dioxide.
  • the supercritical drying is compared to the purely ther- mix drying much less time consuming and faster to carry out, whereby the increased equipment cost can be compensated in economic terms.
  • the solvent or dispersing agent in particular water, is successively displaced or dissolved in the aerogels by carbon dioxide from the pores of the airgel and the carbon dioxide is converted into the gas phase after complete saturation of the gel with carbon dioxide.
  • the silicate-containing material is selected from expanded perlite, a mixture of expanded perlite and a silica airgel, the composite particles based on Perlite, ie expanded perlite whose pores have a silica airgel, and mixtures thereof.
  • the silicate-containing material is rendered hydrophobic, preferably by treatment with water repellents.
  • hydrophobizing agents based on silanes, siliconates or siloxanes, in particular silanes or siloxanes it is possible in this way to produce hydrophobicized inorganic foams, in particular geopolymer foams, with an extremely low proportion of organic, and thus combustible, radicals.
  • the solid inorganic foams or geopolymer foams obtained are nevertheless rendered hydrophobic in such a way that they can be used outdoors without any further treatment since, in contrast to other purely mineral-based systems, they have no capillary activity with regard to liquid water.
  • the same water repellents are used as previously described in connection with the composition particles.
  • the amount in which the composition contains the silicate-containing material can vary within wide ranges. However, it has proven useful if the composition contains the silicate-containing material in amounts of 10 to 70 wt .-%, in particular 15 to 60 wt .-%, preferably 20 to 50 wt .-%, based on the composition.
  • the composition according to the invention contains at least one alkaline activator.
  • the alkaline activator selected from inorganic hydroxides, alkali metal silicates and mixtures thereof.
  • the alkaline activator is an inorganic hydroxide
  • the inorganic hydroxide is selected from the group of lithium hydroxide, sodium hydroxide, potassium hydroxide, magnesium hydroxide and calcium hydroxide and mixtures thereof, preferably sodium hydroxide, potassium hydroxide and mixtures thereof. Particularly preferred in this context is when sodium hydroxide is used.
  • the alkaline activator is an alkali metal silicate
  • the alkali metal silicate is selected from lithium silicate, sodium silicate and / or potassium silicate, especially lithium silicate and / or potassium silicate.
  • the alkali metal silicate is present in the form of an aqueous solution of an alkali metal silicate, in particular as lithium water glass, sodium water glass and / or potassium water glass.
  • Particularly good results are obtained when the alkaline activator is lithium water glass and / or potassium water glass.
  • the alkaline activator is an aqueous solution of an alkali metal silicate
  • the aqueous solution of the alkali metal silicate in amounts of 10 to 50 wt .-%, in particular 15 to 40 wt .-%, in particular 20 to 30 wt .-%, based on the solution of the alkali metal silicate.
  • the alkaline activator has a weight ratio of inorganic hydroxide to aqueous solution of an alkali metal silicate in amounts of 10: 1 to 1:10, in particular 5: 1 to 1: 5, preferably 2: 1 to 1: 2 , preferably 1: 1, on.
  • alkaline activator preferably in the form of sodium hydroxide solution.
  • an inorganic hydroxide in particular sodium hydroxide
  • alkaline activator preferably in the form of sodium hydroxide solution.
  • the amount in which the composition contains the alkaline activator this may also vary widely depending on the particular conditions of use and the composition of the alkaline activator.
  • the Setting the alkaline activator in amounts of 0.1 to 35 wt .-%, in particular 0.5 to 30 wt .-%, preferably 1 to 28 wt .-%, preferably 1 to 25 wt .-%, based on the composition contains.
  • the composition of the invention has fibers, which in particular increased mechanical stability of the cured inorganic foam, in particular the Geopolymerschaums, can be achieved and beyond the foam stability of the uncured inorganic foam, in particular geopolymer foam, is improved. Particularly good results are obtained in this context when the fibers are inorganic, especially inorganic, mineral fibers.
  • the mechanical properties of the resulting inorganic foam, in particular of the geopolymer foam can be specifically improved by the use of inorganic or mineral fibers, while on the other hand the combustibility and the resistance of the cured foam are retained.
  • the fibers are selected from calcium silicate fibers, glass fibers, wollastonite fibers, carbon fibers, carbon nanotubes and mixtures thereof. Particularly good results are obtained in the context of the present invention, when the fibers are calcium silicate fibers.
  • the composition usually contains the fibers in amounts of from 0.1 to 20% by weight, in particular from 0.2 to 15% by weight, in particular from 0.5 to 12% by weight, preferably from 1 to 10% by weight, based on the composition.
  • the solvent or dispersant in the composition according to the invention is a water-containing solvent or dispersion medium, in particular water or a mixture of water and an organic solvent. In the context of the present invention, however, it is preferred if the solvent or dispersion medium is water.
  • the solvent or dispersing agent is a water-containing solvent and has an organic solvent
  • the organic solvent is selected from alcohols, in particular methanol, ethanol and / or isopropanol, acetone, dimethylformamide, ethyl acetate and mixtures thereof. Particularly good results are obtained in this context when the organic solvent is selected from methanol, ethanol, isopropanol and mixtures thereof.
  • the abovementioned organic solvents are miscible with water over a wide range and are also outstandingly suitable for dispersing or dissolving polar substances.
  • the solvent or dispersion medium is a mixture of water and an organic solvent
  • the solvent or dispersion medium contains water and organic solvent in a weight-based ratio of water to organic solvent in the range from 20: 1 to 1: 1, in particular from 18: 1 to 5: 1, preferably 15: 1 to 10: 1.
  • the composition to use the solvent or dispersion agent in amounts of from 10 to 90% by weight, in particular from 20 to 85% by weight, preferably from 30 to 80% by weight 35 to 75 wt .-%, based on the composition contains.
  • the composition contains at least one filler. If the composition contains a filler, then the filler is usually selected from hollow microspheres, expanded glass, magnesium oxide, titanium dioxide, quartz powder, inorganic pigments and mixtures thereof.
  • the composition contains the filler in amounts of 1 to 40% by weight, in particular 1 to 30% by weight, preferably 5 to 25% by weight, preferably 10 to 20% by weight on the composition, contains.
  • the composition contains, in addition to the silicate-containing material which forms part of the binder, no further fillers, the density of the obtained inorganic foam, in particular geopolymer foam, not to increase.
  • the composition contains at least one additive. If the composition contains an additive, this is usually selected from accelerators, retardants, complexing agents and mixtures thereof. Thus, additives used in the present invention are used primarily to adjust the curing rate of the binder.
  • the composition usually contains the additive in amounts of from 0.01 to 5% by weight, in particular from 0.05 to 2% by weight, preferably from 0.1 to 2% by weight on the composition.
  • the composition contains at least one surfactant.
  • surfactants enable the most even and gentle dispersion of, in particular, hydrophobicized materials, in particular hydrophobized silicate-containing materials.
  • the hydrophobized materials such as hydrophobized silicate-containing materials, are not completely and uniformly wetted by the usually aqueous solvent or dispersant.
  • the surfactant is selected from nonionic surfactants, anionic surfactants, cationic surfactants, amphoteric surfactants and mixtures thereof. In this context, it is particularly preferred if the surfactant is selected from anionic surfactants, amphoteric surfactants and mixtures thereof.
  • the composition contains a surfactant
  • the composition contains the surfactant in amounts of 0.01 to 15 wt .-%, in particular 0.1 to 15 wt .-%, preferably 0.2 to 10 wt. -%, preferably 0.4 to 8 wt .-%, based on the composition contains.
  • the composition further comprises at least one hydrophobizing agent.
  • hydrophobizing agents makes it possible to obtain hydrophobic inorganic foams, in particular geopolymer foams, which have the advantageous properties of inorganic foams, in particular high mechanical stability and low thermal conductivity, but on the other hand avoid the typical detection of mineral-based materials, in particular high capillary water absorption ,
  • hydrophobizing agent is selected from silanes, siloxanes, silicates and mixtures thereof.
  • hydrophobizing agent is selected from silanes and siloxanes and mixtures thereof.
  • siloxane When a siloxane is used as a hydrophobing agent in this embodiment, its chemical nature may vary widely. In this context, it is preferred if a polysiloxane having reactive functional groups, in particular selected from hydroxy functions, amines and / or carboxylic acids, is used.
  • a siloxane having a weight average molecular weight M w in the range of 250 to 5,000 g / mol, in particular 300 to 3,000 g / mol, preferably 450 to 2,000 g / mol, particularly preferably 500 to 1 .500 g / mol is used.
  • silane is used as a hydrophobing agent in the context of the present invention, its chemical nature can likewise vary within wide limits. However, particularly good results are obtained when a silane of the general formula I
  • n is 1 to 3, in particular 1 or 2, preferably 1;
  • C 2 - to C 2 o-alkyl and / or C 6 - to C 20 -aryl preferably C 3 - to C 2 o-alkyl and / or C 6 - to C 2 o-aryl, preferably C 4 - to C 5 -alkyl and / or C 6 - to C 5 -aryl,
  • R 2 halide, in particular chloride, bromide and / or iodide,
  • OX with X hydrogen, alkyl, aryl, polyether and / or carboxylic acid derivative, in particular alkyl, preferably C to Cs-alkyl, preferably C 2 - to C 4 -alkyl;
  • R 2 corresponds to OX, in particular ethoxy.
  • composition comprises a siliconate as hydrophobing agent
  • hydrophobing agent is selected from sodium methylsiliconate, potassium methylsiliconate, sodium propylsiliconate and potassium propylsiliconate and mixtures thereof. Preference is given in this connection to the use of potassium methylsiliconate.
  • the composition contains the hydrophobizing agent in amounts of from 0.01 to 5% by weight, in particular from 0.02 to 2% by weight, preferably from 0.03 to 1% by weight. , in particular 0.04 to 0.5 wt .-%, based on the composition comprises.
  • the composition has at least one foam stabilizer.
  • a foam stabilizer in particular, the size of the individual foam bubbles can be adjusted and their stability can be improved. In this way it is prevented that the not yet cured foam collapses again and the foam bubbles are destroyed before the binder hardens.
  • the foam stabilizer is selected from olefin sulfonates, olefin sulfates, alkyl polyglycosides, cellulose derivatives and mixtures thereof. It is particularly preferred in this Context, when the foam stabilizer is an olefin sulfate, in particular lauryl sulfate.
  • the composition contains a foam stabilizer
  • good results are obtained if the composition contains the foam stabilizer in amounts of 0.001 to 5% by weight, in particular 0.001 to 2% by weight, preferably 0.002 to 1% by weight, preferably 0.003 to 0.5 wt .-%, based on the composition having.
  • the foam stabilizer very small amounts are usually sufficient in the context of the present invention in order to obtain sufficient stabilization of the as yet uncured inorganic foams.
  • the composition contains at least one foaming agent.
  • a foaming agent usually generates gas bubbles by chemical reaction, causing foam bubbles in the foam.
  • the foam is formed by introducing a gas, in particular an inert gas, such as, for example, argon or nitrogen, into the composition, i. without the use of a foaming agent.
  • a foaming agent is used, since especially by a uniform distribution of the foaming agent in the composition, a particularly homogeneous foaming can be achieved.
  • the composition contains a foaming agent
  • a foaming agent particularly good results are obtained when the foaming agent is selected from hydrogen peroxide, in particular 30% aqueous hydrogen peroxide solution, percarbonates, perborates and metals, in particular iron, zinc and aluminum and mixtures thereof.
  • the aforementioned metals are oxidized at the high pH values usually present in the composition with the formation of hydrogen.
  • the metals in particular iron, zinc and / or aluminum are present in the form of fine powders.
  • the composition contains a foaming agent, it has proven useful if the composition contains the foaming agent in amounts of from 0.1 to 20% by weight, in particular from 0.5 to 10% by weight, preferably from 1 to 8% by weight. , preferably 2 to 5 wt .-%, based on the composition contains.
  • the composition contains
  • (C) fibers in amounts of from 0.1 to 20% by weight
  • (H) at least one foaming agent in amounts of from 0.1 to 20 wt .-%, each based on the composition.
  • the silicate-containing material contains at least one aluminosilicate, in particular based on perlite, in particular expanded perlite.
  • the expanded perlite is hydrophobicized and / or in combination with an airgel, wherein it is particularly preferred if the airgel is present in the pores of the expanded perlite.
  • it is also particularly preferred according to this embodiment when the airgel is present in the pores of the expanded perlite and both the airgel and the perlite are hydrophobic.
  • FIG. 1 is a side view of a plate of a geopolymer foam prepared from the composition of the invention.
  • Fig. 2 is a perspective view of a plate of a geopolymer foam prepared with a composition of the invention.
  • Another object of the present invention - according to a z w e t e an aspect of the present invention - is the use of the above-described composition for producing an inorganic foam, in particular geopolymer foam.
  • Another object of the present invention - according to an aspect of the present invention - is the use of a previously described composition for producing a shaped body of an inorganic foam, in particular a geopolymer foam.
  • Another object of the present invention - according to one aspect of the present invention - is a process for the production of a shaped body of an inorganic foam, in particular a geopolymer foam, wherein
  • the composition prepared in process step (a) is converted into a mold and foamed.
  • Particularly good results are obtained in the context of the present invention, when the above-described inventive composition is prepared for the production of the inorganic foam.
  • it is preferred in this context if in a first process stage (i) of the first process step (a)
  • (V) optionally at least one surfactant, in particular in amounts of from 0.01 to 15% by weight,
  • (VI) optionally at least one hydrophobing agent, in particular in amounts of 0.01 to 5 wt .-%, and
  • the individual components are processed to form a homogeneous paste, in particular with the aid of a kneader.
  • the individual components are mixed as uniformly as possible in order to obtain the most homogeneous possible inorganic foam.
  • the mixture is treated with a foaming agent .
  • the foaming agent in amounts of 0.1 to 20 wt .-%, in particular 0.5 to 10 wt .-%, preferably 1 to 8 wt .-%, preferably 2 to 5 wt. %, based on the mixture is used.
  • the composition in the second process step (b) is foamed under the action of the foaming agent for a period of 10 minutes to 5 hours, in particular 30 minutes to 3 hours, preferably 1 to 2 hours or is allowed to foam.
  • the composition is not foamed with the aid of a foaming agent, but by the introduction of gases, in particular of inert gases, such as nitrogen and / or argon.
  • gases in particular of inert gases, such as nitrogen and / or argon.
  • the foaming is usually at ambient temperature, in particular at room temperature, d. H. in the temperature range of 20 to 25 ° C, carried out.
  • a foaming agent in process step (a)
  • the foam formation begins already in process step (a), but the complete formation of the foam takes place only after conversion into the mold for the production of the shaped body.
  • the foamed composition may additionally be cured in a third method step (c) following the second method step (b).
  • the inorganic foam obtainable with the composition according to the invention in particular geopolymer foam, experiences its final properties. particular its good thermal insulation properties and excellent mechanical strength.
  • composition is cured for a period of 1 to 96 hours, in particular 10 to 80 hours, preferably 15 to 70 hours, preferably 20 to 60 hours, preferably 24 to 48 hours.
  • temperatures at which the composition is cured can vary within wide ranges depending on the respective mixtures. However, it has proven useful when the composition at temperatures in the range of 40 to 120 ° C, in particular 50 to 100 ° C, preferably 60 to 90 ° C, cured. In this way, the curing can be accelerated significantly without the not yet fully cured foam is destroyed.
  • the shaped body is a plate, in particular an insulating board.
  • the plate has a thickness of 0.5 to 20 cm, in particular 1 to 15 cm, preferably 1, 5 to 12 cm, preferably 2 to 10 cm.
  • excellent thermal insulation materials can be provided, which moreover have excellent fire protection properties.
  • the foamed composition is transferred into a still liquid state, in particular by spraying or pouring.
  • Another object of the present invention - according to a fifth aspect of the present invention - a molding comprising an inorganic foam, in particular a Geopolymerschaum, available after the method described above and / or from the previously described composition.
  • the shaped body usually has a specific thermal conductivity at 25 ° C. in the range of 0.020 to 0.045 W / mK, in particular 0.022 to 0.043 W / mK, preferably 0.024 to 0.042 W / mK, preferably 0.025 to 0.040 W / mK, on.
  • the moldings obtainable with the composition according to the invention of the process according to the invention thus have excellent heat-insulating properties.
  • the density, in particular the dry density, of the molding according to the invention can naturally vary within wide ranges.
  • the shaped body has a dry density in the range of 50 to 250 g / l, in particular 70 to 220 g / l, preferably 80 to 200 g / l.
  • the shaped bodies according to the invention thus have a density which allows manual processing and handling even of larger plates.
  • the foamable mass prepared in step 1 is filled into open containers having a base area of 20 ⁇ 20 cm and a height of 5 cm. It is set to a filling height of 2 cm.
  • the composition can continue to foam in the containers.
  • the containers are placed in an oven for 1 hour at 40 ° C. While At this time, a stable foam is formed and a first crosslinking takes place.
  • the filled with the prepared inorganic foam containers are dried for 36 hours at 90 ° C in the oven. In this case, the final cross-linking takes place and dimensionally stable inorganic foams are obtained, which can easily be dissolved out of the molds.
  • the plates which are insulated from the molds and have a diameter of 20 x 20 x 2 to 5 cm, have lambda values of 28 mW / mK and a dry bulk density of 105 g / l.
  • FIG. 1 shows a side view of a previously prepared inorganic foam after curing and leaching from the mold. It is very nice to see a foam structure of closed-cell pores.
  • Fig. 2 shows a perspective view of another sample in which the inorganic foam has grown beyond the edge of the mold during resting in step 2. Again, the pore structure of the foam can be seen well.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zusammensetzung zur Herstellung eines anorganischen Schaums, insbesondere eines Geopolymerschaums, und dessen Verwendung zur Herstellung von Formkörpern, insbesondere Dämmplatten.

Description

Verfahren zur Herstellung eines anorganischen Schaums
und dessen Verwendung
Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet der anorganischen Schäume, insbesondere zu Zwecken der Wärmedämmung oder des Brandschutzes.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Zusammensetzung zur Herstellung eines anorganischen Schaums sowie deren Verwendung zur Herstellung von anorganischen Schäumen und Formkörpern.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus einem anorganischen Schaum. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung einen Formkörper, aufweisend einen anorganischen Schaum.
Um die Wärmedämmung von Gebäuden zu verbessern werden sowohl im Innenais auch im Außenbereich im Allgemeinen Dämmplatten auf Basis von Kunststoffschäumen eingesetzt. Im Außenbereich werden die Dämmplatten bevorzugt als Wärmedämmverbundsysteme (WDVS) eingesetzt, welche aus einem plattenförmigen Dämmmaterial, einer außenseitig darauf angebrachten Armierungsschicht und einem Oberputz, aufgebaut sind. Die Dämmplatten sind üblicherweise auf Basis von Kunststoffschäumen, insbesondere Polystyrol-Hartschäumen (PS), wie beispielsweise Polystyrol-Partikelschaum (EPS) oder Polystyrol-Extruderschaum (XPS), oder auf Basis von Polyurethan- Hartschäumen (PUR) ausgebildet. Wärmedämmverbundsysteme auf Grundlage der vorgenannten Kunststoffdämmplatten besitzen unter Idealbedingungen hervorragende Dämmeigenschaften, haben jedoch den Nachteil, dass sie eine Dampfsperre bilden und Feuchtigkeit aus dem Mauerwerk nicht an die Umgebung abgegeben werden kann, was oftmals zur Bildung von Schimmel und Algen führt. Darüber hinaus steigert die Feuchtigkeit die Wärmeleitfähigkeit des Systems, weshalb die theoretischen Wärmedurchgangskoeffizienten (U-Werte) gemäß EN ISO 6946 in der Praxis oftmals nicht erreicht werden. Darüber hinaus besitzen derartige Wärmedämmverbundsysteme (WDVS) Dicken von 50 bis 20 cm, um eine ausreichende Wärmedämmung zu erreichen, was oftmals zu einer optischen Verschlechterung der gesamten Fassade und einem reduzierten Lichteinfall in das Innere des Gebäudes durch die Fenster führt.
Zur Reduzierung der Dicke der Wärmedämmverbundsysteme (WDVS) werden zunehmend Vakuumdämmplatten, sogenannte Vakuum-Isolationspaneele (VIP) eingesetzt, welche ein effektive Wärmedämmung mit Wärmedämmverbundsystemen mit einer Dicke von ca. 10 cm erlauben. Aber auch diese Wärmedämmverbundsys- teme weisen den entscheidenden Nachteil auf, dass sie nicht diffusionsoffen sind, d. h. Feuchtigkeit aus dem Mauerwerk nicht an die Umgebung abgegeben werden kann.
Erschwerend kommt hinzu, dass viele der für Dämmungen, insbesondere Dämm- platten, verwendeten Kunststoffmaterialien nach Ablauf der Einsatzdauer bei Beschädigung nicht ohne Weiteres entsorgt, verwertet oder recycelt werden können, sondern als Sondermüll deklariert und einer aufwendigen und kostenintensiven Entsorgung zugeführt werden müssen. Alternativ eingesetzte diffusionsoffene Dämmstoffe, beispielsweise auf Basis von Mineralwolle oder natürlichen organischen Fasern, wie Holz-, Kork-, Hanf- und Schilffasern können zwar einfacher recycelt oder entsorgt werden, ihnen fehlt jedoch oftmals die notwendige mechanische Stabilität und strukturelle Integrität; diese Systeme sind vielmehr flexibel und nicht formstabil ausgebildet. Darüber hinaus besitzen die sogenannten diffusionsoffenen Systeme gegenüber Kunststoff- schaumplatten bzw. Vakuumdämmplatten eine deutlich verschlechterte Dämmwirkung. Weiterhin ist bei diesen oftmals natürlichen Werkstoffen nachteilig, dass sie vor eindringender Feuchtigkeit und biologischem Zerfall geschützt werden müssen. Dies ist jedoch oftmals nur durch erhöhten Aufwand in der Bauphase oder durch chemischen Schutz möglich, was jedoch dann die Umweltbilanz wieder deutlich verschlechtert und zu aufwendiger Entsorgung führt.
Darüber hinaus ist sämtlichen Dämmstoffsystemen, welche auf organischen Materialien basieren - seien es nun organische Polymere oder organische Naturstoffe - gemein, dass sie brennbar sind und zur Verminderung der Brennbarkeit bzw. Entflammbarkeit im Allgemeinen mit speziellen Chemikalien behandelt werden müssen. Dies führt jedoch gleichfalls zu einer deutlich schlechteren Umweltbilanz, d. h. einer höheren Umweltbelastung, und zu einer erhöhten Gesundheitsgefährdung. Es hat daher nicht an Versuchen gefehlt, kunststoffbasierte Dämmsysteme sowie Dämmsysteme auf Basis organischer natürlicher Materialien durch mineralische Systeme zu ersetzen. Mineralische Systeme haben den prinzipiellen Vorteil, dass sie in der Regel - mit wenigen Ausnahmen, wie beispielsweise Silica-Aerogele - mechanisch stabil sind und bei geeigneter Auswahl auch unter Gesichtspunkten des Umwelt- und Gesundheitsschutzes unbedenklich sind. Allerdings weisen mineralische Baustoffe im Vergleich zu kunststoffbasierten Baustoffen bzw. Baustoffen aus Basis organischer Naturstoffe in der Regel eine deutlich höhere Dichte auf, d. h. bei der Verbauung von Dämmplatten auf Basis mineralischer Materialien muss deutlich mehr Gewicht auf die Hausfassade bzw. die Innenwände aufgebracht werden, was sowohl den Transport und die Befestigung an einem Untergrund als auch die Handhabung dieser Dämmmaterialien deutlich erschwert und aufwendiger und somit kostenintensiver macht. Weiterhin habe viele prinzipiell als Dämmstoffe geeignete mineralische Materialien, wie beispielsweise Perlit oder Vermiculit, insbesondere in geblähter Form den gravierenden Nachteil, dass sie als partikelförmige Füllstoffe vorliegen. Diese Partikel sind zwar oftmals hochporös, haben hervorragende Wärmedämmeigenschaften und teilweise eine vertretbare Schüttdichte, müssen jedoch, um zu Formkörpern, wie beispielsweise Dämmplatten verarbeitet zu werden, mit einem Bindemittel versetzt werden. Die Verwendung von Bindemitteln ist jedoch mit einer Reihe von Nachteilen verbunden: Das Bindemittel weist bei Verwendung mineralischer Bindemittel oftmals eine sehr hohe Dichte und hohe Wärmeleitfähigkeiten auf, so dass der Wärmedurchgangskoeffizient eines Formkörpers, insbesondere einer Dämm- platte, deutlich schlechter ist als der Wärmedurchgangskoeffizient des verwendeten mineralischen Dämmmaterials bzw. Füllstoffs.
Bei Verwendung von Bindemitteln auf Basis organischer Polymere können sowohl die Dichte als auch der Wärmedurchgangskoeffizient der erhaltenen Formkörper deutlich verbessert werden, jedoch nur auf Kosten einer erhöhten Brennbarkeit sowie einer massiv verschlechterten Umweltbilanz.
Eine prinzipielle Lösung bietet die Verwendung von anorganischen Schäumen, insbesondere von mineralischen Schäumen, wie beispielsweise Geopolymerschäu- men. Diese sind rein mineralisch bzw. nahezu ausschließlich mineralisch basiert und weisen eine geringe Dichte sowie äußerst geringe Wärmeleitfähigkeiten auf. Geopolymere sind anorganische Bindemittel auf Silikatbasis, welche im noch nicht vernetzten Zustand flüssig sind und zu Formkörpern verarbeitet werden können, nach dem Erstarren und Aushärten jedoch stabile dreidimensional vernetzte Strukturen bilden. Zur Herstellung von Geopolymeren wurden ursprünglich natürliche Gesteine bzw. Mineralien verwendet, was durch den Ausdruck "geo" verdeutlicht werden sollte. Mittlerweile konnte die Synthese der synthetischen Geopolymere jedoch auch auf eine Vielzahl geeigneter Materialien, insbesondere Abfallprodukte aus der industriellen Rohstoffgewinnung, wie beispielsweise Hochofenschlacke, ausgeweitet werden. Zur Herstellung von Geopolymeren werden im Allgemeinen Alumosilikate, wie insbesondere Metakaolin, alkalisch aktiviert, beispielsweise durch Umsetzung mit konzentrierter Natronlauge, wodurch eine flüssige Mischung erhalten wird, welche nach einiger Zeit erstarrt und aushärtet. Geopolymere lassen sich auch durch alkalische Aktivierung von beispielsweise Tonen, verschiedenen Aschen, insbesondere Flugasche, natürlichen Puzzolanen oder geeigneten Schla- cken, herstellen. Das Bindemittelsystem der Geopolymere ist ein amorphes Silika- gel, welches im noch nicht gehärteten Zustand problemlos formbar ist und nach Aushärtung in der Regel gute mechanische Eigenschaften aufweist.
Wenn derartige Geopolymere geschäumt werden, kann zumindest theoretisch ein mechanisch belastbarer Werkstoff mit guten Wärmedämmeigenschaften, der zu Formkörpern verarbeitet werden kann, erhalten werden.
Es wurden im Stand der Technik daher verschiedenste Versuche unternommen, Formkörper, insbesondere Dämmmaterialien, auf Basis von Geopolymerschäu- men, bereitzustellen.
So offenbart beispielsweise die Publikation V. Vaou und D. Panias, "Thermal insu- lating foamy geopolymers from perlite", Minerals Engineering, 23, 2010, Seiten 1 146 bis 1 151 , die Herstellung eines Geopolymerschaums auf Basis von Perlit, Natriumhydroxid und Wasserstoffperoxid.
Die EP 2 545 239 B1 betrifft eine Bauelementstruktur, insbesondere einen Fensteroder Türrahmen, welcher mit einem geschäumten Geopolymer gefüllt ist. Das Ge- opolymer wird dabei durch eine Mischung aus Metakaolin und Glimmer und/oder einem anderen laminaren Material sowie einer wässrigen Alkalimetallsilikatlösung, welche ein Alkalimetallhydroxid enthält, gebildet. Die DE 10 2014 003 104 A1 betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Schaumoder Blähmassen oder -körpern aus einer Rohstoffmischung mit einem Feststoff mit Alumosilikaten, welche nach alkalischer Aktivierung polymere Strukturen und/oder Raumnetze ausbilden und dadurch aushärten, wobei die alkalische Akti- vierung des Feststoffes bei der Herstellung der aushärtbaren Rohstoffmischung zunächst eingeleitet wird, indem der Alumosilikat aufweisende Feststoff mit wenigstens einem alkalischen Aktivator vermischt und gut homogenisiert wird, wobei bei vollständiger Aushärtung der Geopolymermatrix ein Bläh- und/oder Schäumungs- vorgang stattfindet. Als Alumosilikate werden insbesondere Metakaolin, Hüt- tensandmehl, Trassmehl, Ölschiefer, aluminiumhaltiger Silikatstaub, Puzzolane, Basalt, Tone angegeben und als alkalischer Aktivator kann Wasserglas oder eine Alkalimetallhydroxid verwendet werden. Als Schäumungsmittel wird Aluminiumpulver oder Wasserstoffperoxid verwendet. Weiterhin betrifft die DE 40 37 576 A1 die Herstellung geschäumter mineralischer Strukturen zur Herstellung von Formteilen, wobei die Mineralschäume durch Umsetzung gemahlener Oxidgemische auf Basis von Schlacken aus Siliaktschmelzen, insbesondere Hochofenschlacken, Schmelzbasalt, Tonerdschmelzzement sowie Ziegelmehle verwendet, welche mit einem alkalischen Aktivator in Form eines wässrigen Alkalimetallsilikats umgesetzt werden. Als Schäumungsmittel können beispielsweise anorganische Peroxide, wie Natriumpercarbonat oder - perborat, Wasserstoffperoxid sowie Zinkpulver oder Aluminiumpulver verwendet werden.
Den vorgenannten Verfahren ist es möglich, Geopolymerschäume zu erhalten, welche prinzipiell als Wärmedämmmaterialien oder zu Brandschutzzwecken eingesetzt werden können.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass die mit den vorgenannten Verfahren hergestellten Geopolymerschäume oftmals keine ausreichende mechanische Belastbarkeit auf- weisen, d. h. mechanisch nicht beständig genug sind, um beispielsweise zu stabilen Dämmplatten verarbeitet zu werden. Darüber hinaus sind auch die Wärmedämmeigenschaften dieser Schäume gegenüber Kunststoffschäumen deutlich verringert. Es besteht somit weiterhin Bedarf an einem hoch wärmedämmenden Material, welches nicht brennbar ist, sich einfach zu Formkörpern verarbeiten lässt, gut handhabbar und problemlos zu entsorgen bzw. zu recyceln ist. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist somit ein Material bereitzustellen, welches die zuvor genannten mit dem Stand der Technik verknüpften Nachteile vermeidet, zumindest jedoch abschwächt. Insbesondere ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin zu sehen, ein Material bereitzustellen, welches im Vergleich zu bekannten mineralischen Dämmsystemen, insbesondere Geopolymerschäumen, eine verbesserte Wärmedämmfähigkeit aufweist und darüber hinaus mechanisch belastbar ist. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, ein Material bereitzustellen, welches nicht nur sehr gute wärmedämmende Eigenschaften aufweist, sondern darüber hinaus auch nicht brennbar ist sowie einfach zu handhaben und ohne Weiteres zu entsorgen bzw. wiederzuverwerten ist. Insbesondere ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin zu sehen, ein verbessertes wärmedämmendes Material bereitzustellen, welches sich problemlos zu Formkörpern verarbeiten lässt.
Zur Lösung der zuvor genannten Aufgabe schlägt die vorliegende Erfindung - ge- mäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung - eine Zusammensetzung nach Anspruch 1 vor; weitere vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Erfindungsaspektes sind Gegenstand der diesbezüglichen Unteransprüche.
Weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung - gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung einer Zusammensetzung zur Herstellung eines anorganischen Schaums nach Anspruch 43.
Wiederum weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung einer Zusammensetzung zur Herstellung eines Formkörpers aus einem anorganischen Schaum nach Anspruch 44.
Wiederum weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Form- körpers aus einem Geopolymerschaum nach Anspruch 45; weitere vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Erfindungsaspekte sind Gegenstand der diesbezüglichen Unteransprüche. Schließlich ist weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemäß einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Formkörper nach Anspruch 57; weitere vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Erfindungsaspekte sind Gegenstand der diesbezüglichen Unteransprüche.
Es versteht sich von selbst, dass im Folgenden genannte besondere Ausgestaltungen, insbesondere besondere Ausführungsformen oder dergleichen, welche nur im Zusammenhang mit einem Erfindungsaspekt beschrieben sind, auch in Bezug auf die anderen Erfindungsaspekte entsprechend gelten, ohne dass dies einer aus- drücklichen Erwähnung bedarf.
Weiterhin ist bei allen nachstehend genannten relativen bzw. prozentualen, insbesondere gewichtsbezogenen Mengenangaben zu beachten, dass diese im Rahmen der vorliegenden Erfindung vom Fachmann derart auszuwählen sind, dass in der Summe der Inhalts-, Zusatz- bzw. Hilfsstoffe oder dergleichen stets 100 % bzw. 100 Gew.-% resultieren. Dies versteht sich für den Fachmann aber von selbst.
Im Übrigen gilt, dass der Fachmann anwendungsbezogen einzelfallbedingt von den nachfolgend aufgeführten Zahlen-, Bereichs- oder Mengenangaben abweichen kann, ohne dass der Rahmen der vorliegenden Erfindung verlassen ist.
Zudem gilt, dass alle im Folgenden genannten Parameterangaben oder dergleichen grundsätzlich mit genormten oder explizit angegebenen Bestimmungsverfahren oder aber mit dem Fachmann an sich geläufigen Bestimmungsmethoden be- stimmt bzw. ermittelt werden können.
Dies vorausgeschickt, wird nachfolgend der Gegenstand der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Gegenstand der vorliegenden Erfindung - gemäß einem e r s t e n Aspekt der vorliegenden Erfindung - ist somit eine Zusammensetzung zur Herstellung eines anorganischen Schaums, insbesondere eines Geopolymerschaums, enthaltend
(a) mindestens ein silikathaltiges Material, insbesondere ein alumosilikathaltiges Material,
(b) mindestens einen alkalischen Aktivator,
(c) Fasern und (d) ein Löse- oder Dispersionsmittel.
Denn, wie die Anmelderin überraschenderweise herausgefunden hat, lassen sich durch Verwendung geeigneter Silikatbindemittel, wie beispielsweise Geopolyme- ren, insbesondere bei Verwendung von silikathaltigem Material auf Basis von Perli- ten, vorzugsweise geblähtem Perlit, und Fasern mechanisch äußerst belastbare anorganische Schäume, insbesondere Geopolymerschäume, erhalten, welche darüber hinaus hervorragende Wärmedämmeigenschaften sowie eine geringe Dichte aufweisen.
Insbesondere ist durch Verwendung der erfindungsgemäßen Zusammensetzung die Herstellung von hochwärmedämmenden Geopolymerschäumen möglich, welche ohne weitere wärmedämmende Füllstoffe auskommen. Die mit der erfindungsgemäßen Zusammensetzung hergestellten anorganischen Schäume, insbesondere Geopolymerschäume, sind mechanisch hochstabil, bilden stabile Schaumstrukturen und härten rasch aus; sie können folglich ohne Weiteres zu Formkörpern, wie beispielsweise Dämmplatten, verarbeitet werden. Die bei der erfindungsgemäßen Zusammensetzung hergestellten Geopolymerschäume sind darüber hinaus nicht brennbar bzw. sicher entfernbar und weisen die Brandklassen A1 oder A2 gemäß DIN 4102 auf.
Die erfindungsgemäße Zusammensetzung sowie die mit ihr erhältlichen anorgani- sehen Schäume, insbesondere Geopolymerschäume, sind darüber hinaus vorzugsweise rein mineralisch bzw. nahezu ausschließlich mineralisch aufgebaut, so dass keine potentiell gesundheitsschädlichen bzw. umweltgefährdenden Stoffe, wie beispielsweise Weichmacher oder Konservierungsstoffe, zu ihrer Herstellung eingesetzt werden müssen. Aufgrund dieser Unbedenklichkeit können die mit der er- findungsgemäßen Zusammensetzung hergestellten erfindungsgemäßen anorganischen Schäume bzw. Geopolymerschäume ohne Weiteres als Baustoffe im Innen- und Außenbereich eingesetzt werden.
Die erfindungsgemäße Zusammensetzung ermöglicht darüber hinaus eine zeitspa- renden kostengünstige und reproduzierbare Herstellung von anorganischen Schäumen bzw. Geopolymerschäumen und eignet sich somit in hervorragender Weise zur industriellen Fertigung von Bauelementen, insbesondere Dämmplatten. Die mit der erfindungsgemäßen Zusammensetzung erhältlichen anorganischen Schäume bzw. Geopolymerschäume weisen in der ausgehärteten Schaumstruktur gasgefüllte Hohlräume, sogenannte Zellen, welche von festen Wänden umschlossen sind, auf. Vorzugsweise handelt es sich bei den anorganischen Schäumen bzw. Geopolymerschäumen im Rahmen der Erfindung um geschlossenzellige Schäume, d. h. die Hohlräume bzw. Zellen liegen im Inneren der Festkörperstruktur, sind allseits von Wänden umschlossen und haben keine Verbindung zur Umgebung. Auf diese Weise kann eine besonders hohe Wärmedämmfähigkeit der erfindungsgemäßen anorganischen Schäume bzw. Geopolymerschäume erreicht werden. Zumindest sind die anorganische Schäume bzw. Geopolymerschäume größtenteils geschlossenzellige Schäume, d. h. Schäume mit einem hohen Anteil an geschlossenen Poren.
Unter einem Geopolymer ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein silikatba- siertes Bindemittel auf Basis mindestens eines Alumosilikates, welches mit einem alkalischen Aktivator umgesetzt wurde, zu verstehen. Das rein anorganische bzw. nahezu ausschließlich anorganisch basierte Bindemittelsystem eines Geopolymers ist anfangs flüssig und lässt sich problemlos zu Formkörpern verarbeiten, beispielsweise mittels Gussverfahren, härtet jedoch schnell aus und bildet äußerst stabile Strukturen.
Durch die alkalische Aktivierung, beispielsweise durch anorganische Laugen, wie Natronlauge, oder die Umsetzung mit Alkalimetallsilikaten, wie beispielsweise Lithiumwasserglas, werden bei pH-Werten über 12 Silikat- und Aluminat-Ionen aus dem Festkörpergerüst herausgelöst und kondensieren nachfolgend, so dass neue komplexe dreidimensionale Strukturen entstehen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es üblicherweise vorgesehen, dass das silikathaltige Material in Partikelform vorliegt. In diesem Zusammenhang kann es insbesondere vorgesehen sein, dass das silikathaltige Material Partikelgrößen im Bereich von 1 μΐη bis 10.000 μΐη, insbesondere 2 μΐη bis 8.000 μΐη, vorzugsweise 10 μΐη bis 5.000 μΐη, aufweist. Bei der Verwendung von partikelförmigem Material mit insbesondere den zuvor beschriebenen Partikelgrößen wird nach Zugabe des alkalischen Aktivators ausreichend schnell ein Geopolymer erhalten, welches ent- weder keine oder nur sehr kleine Partikel, welche fein verteilt in dem Bindemittel vorliegen, aufweist. Hierdurch können sehr homogene Geopolymere und in der Folge homogene Geopolymerschäume erhalten werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann es vorgesehen sein, dass das silikat- haltige Material ausgewählt ist aus der Gruppe von Metakaolin, Glimmer, Hochofenschlacke, Hüttensand, Flugasche, Mikrosilika, Trassmehl, Ölschiefer, Basalt, Zeolithen, Silica-Aerogelen, Silica-Hybridaerogelen, Vermiculit, insbesondere ge- blähtem Vermiculit, Perlit, insbesondere geblähtem Perlit und deren Mischungen. Besonders gute Ergebnisse werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedoch erhalten, wenn das silikathaltige Material ausgewählt ist aus Vermiculit, vorzugsweise geblähtem Vermiculit, und Perlit, vorzugsweise geblähtem Perlit, und deren Mischungen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden besonders gute Ergebnisse erhalten, wenn das silikathaltige Material ein Alumosilikat ist bzw. mindestens ein Alumosilikat enthält, insbesondere ist bei Auswahl der zuvor genannten silikathalti- gen Materialien vorzugsweise darauf zu achten, dass mindestens eines der aus- gewählten Materialien ein Alumosilikat ist oder ein Alumosilikat enthält.
Besonders gute Ergebnisse werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung erhalten, wenn das silikathaltige Material Perlit, insbesondere geblähter Perlit, ist. Speziell bei Verwendung von geblähtem Perlit, lassen sich hochporöse, hochwärme- dämmende Formkörper mit geringer Dichte und gleichzeitig hoher mechanischer Belastbarkeit erzeugen.
Insbesondere kann bei Verwendung von Perlit, insbesondere geblähtem Perlit, auf die Verwendung weiterer Bindemittelbestandteile - mit Ausnahme eines alkali- sehen Aktivators - verzichtet werden. Wie die Anmelderin überraschenderweise herausgefunden hat, lässt sich Perlit in hervorragender Weise als Bindemittel für ein Geopolymer einsetzen, wobei insbesondere nicht aufgelöste Reste des geblähten Perlits als hochporöse Füllstoffe homogen und feinverteilt in der Schaummatrix verteilt sind und sowohl die mechanische Belastbarkeit als auch die wärmedäm- menden Eigenschaften des anorganischen Schaums vorteilhaft beeinflussen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das silikathaltige Material eine Mischung aus Vermiculit, insbesondere geblähtem Vermiculit, und/oder Perlit, insbesondere geblähtem Perlit, und einem Aerogel, insbeson- dere einem Silica-Aerogel und/oder einem Silica-Hybridaerogel.
Unter einem Silica-Hybridaerogel ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Silica-Aerogel zu verstehen, welches 1 bis 20 Gew.-%, insbesondere 5 bis 15 Gew.-%, bezogen auf das Silica-Hybhdaerogel, mindestens eines Polysaccharides enthält. Das Polysaccharid ist üblicherweise ausgewählt aus Stärke, Gummi arabicum, Xanthan, Pektin, Agarose, Celluloseethern, insbesondere Pektin und/oder Xanthan.
Die Polysaccharide werden üblicherweise bereits bei der Herstellung des Silica- Hybridaerogels zugegeben und bilden eine äußerst flexible, jedoch zugleich stabile Matrix aus, welche die einzelnen Silica-Aerogelpartikel flexibel miteinander verbindet und vor zu hohen mechanischen Belastungen schützt.
Silica-Hybridaerogele weisen im Vergleich zu üblichen Silica-Aerogelen deutlich verbesserte mechanische Eigenschaften bei nur geringfügig verschlechterten Wärmedämmeigenschaften auf. Ein geeignetes Verfahren zur Herstellung von Silica-Hybridaerogelen wird beispielsweise beschrieben in S. Zhao, W. J. Malfait, A. Demilecamps, Y. Zhang, S. Brunner, L. Huber, P. Tingaut, A. Rigacci, T. Budtova und M. M. Koebel, "Strong, Thermally Superinsulating Biopolymer-Silica Aerogel Hybrids by Cogelation of Sili- cic Acid with Pectin", Angewandte Chemie, 127, 48, 2015, Seiten 14490 bis 14494.
Trotz des bei Verwendung von Silica-Hybridaerogelen nicht zu vernachlässigenden organischen Anteils in den verwendeten anorganischen Schäumen, weisen die anorganischen Schäume, welche unter Verwendung von Silica-Hybridaerogel hergestellt werden, immer noch hervorragende Brandschutzeigenschaften auf und sind nur schwer entflammbar.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist jedoch die Verwendung von Silica- Aerogelen gegenüber der Verwendung von Silica-Hybridaerogelen bevorzugt, da bei der Verwendung von Silica-Aerogelen nahezu ausschließlich anorganische Schäume, insbesondere Geopolymerschäume, bereitgestellt werden können.
Durch Mischungen von Vermicult bzw. Perlit mit Silica-Aerogelen und/oder Silica- Hybridaerogelen kann insbesondere die Wärmedämmung der resultierenden Geopolymerschäume nochmals deutlich verbessert werden. Wenn die Zusammenset- zung eine Mischung aus Vermiculit bzw. Perlit und Silica-Aerogel enthält, so weist das silikathaltige Material üblicherweise ein gewichtsbezogenes Verhältnis von Vermiculit, insbesondere geblähtem Vermiculit, und/oder Perlit, insbesondere geblähtem Perlit, zu Silica-Aerogel und/oder Silica-Hybridaerogel im Bereich von 100 : 1 bis 1 : 20, insbesondere 70 : 1 bis 1 : 15, vorzugsweise 50 : 1 bis 1 : 10, vorzugsweise 10 : 1 bis 1 : 10, auf.
Besonders gute Ergebnisse werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung erhal- ten, wenn das silikathaltige Material eine Mischung aus Perlit, insbesondere geblähtem Perlit, und einem Silica-Aerogel und/oder ein Silica-Hybridaerogel ist. Auch in Bezug auf diese Ausführungsform kann auf weitere silikathaltige Bindemittelbestandteile verzichtet werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Aerogel, insbesondere Silica-Aerogel, in die Poren des Vermiculits, insbesondere des geblähten Vermiculits, und/oder des Perlits, insbesondere des geblähten Perlits, eingelagert. Auf diese Weise wird zum einen erreicht, dass das mechanisch in der Regel sehr empfindliche Aerogel, insbesondere Silica-Aerogel, vor mechanischer Zerstörung geschützt wird und andererseits die Wärmedämmeigenschaften des geblähten Perlits nochmals deutlich erhöht werden. Gemäß dieser Ausführungsform liegt das silikathaltige Material in Form von Kompositpartikeln vor, welche auch durch die Geopolymerausbildung bei Auswahl der zuvor genannten Partikelgrößen üblicherweise nicht vollständig aufgelöst werden, sondern teilweise erhalten bleiben und die Wärmedämmeigenschaften des Geopolymerschaums entscheidend verbessern.
Nachfolgend werden die Kompositpartikel sowie ihre Herstellung eingehender beschrieben.
Die Kompositpartikel umfassen Vermiculit und/oder Perlit, insbesondere geblähten Vermiculit und/oder geblähten Perlit, als poröses Trägermaterial, wobei die Poren des porösen Trägermaterials mindestens ein Aerogel aufweisen. Insbesondere sind die Poren des porösen Trägermaterials mit einem Aerogel gefüllt. Auf diese Weise wird es möglich, einerseits die Dämmeigenschaften, insbesondere die Wärmedämmeigenschaften, des porösen Trägermaterials durch das Aerogel deutlich zu verbessern, andererseits wird das Aerogel in den Poren des porösen Trägermaterials effektiv vor äußeren Einflüssen, insbesondere vor mechanischen Belastungen, geschützt. Die nachfolgend beschriebenen Eigenschaften des Perlits, insbe- sondere des geblähten Perlits, und/oder des Vermiculits, insbesondere des gebähten Vermiculits, sowie des Aerogels der Kompositpartikel gelten vorzugsweise auch für die einzelnen Komponenten in Mischungen der Stoffe. Die Kompositpartikel weisen üblicherweise eine Schüttdichte im Bereich von 50 bis 150 kg/m3, insbesondere 60 bis 100 kg/m3, vorzugsweise 70 bis 80 kg/m3, auf.
Besonders gute Ergebnisse werden erzielt, wenn das Trägermaterial eine Behand- lung zur Vergrößerung des Volumens der offenen Poren unterzogen wird. Gemäß dieser Ausführungsform wird somit die offene Porosität, d. h. das Volumen der Hohlräume innerhalb des Trägermaterials, welche mit der Umgebung verbunden sind, erhöht, um ein größeres Volumen zur Einlagerung bzw. Bildung des Aerogels in den Poren zugänglich zu machen. Insbesondere expandierter Perlit weist oftmals einen sehr hohen Anteil an geschlossenen Poren auf, so dass es nicht möglich ist, ein Aerogel in den Poren des porösen Trägermaterials, insbesondere des Perlits, zu bilden bzw. dort einzulagern. Reagenzlösungen, welche die Edukte zur Bildung der Aerogele enthalten, gelangen nicht in die geschlossenen Poren im Inneren des porösen Trägermaterials. Durch eine Behandlung zur Vergrößerung des offenen Porenvolumens bzw. der spezifischen Oberfläche ist es möglich, deutlich mehr Aerogel in das Porensystem des porösen Trägermaterials einzulagern bzw. dort zu bilden und so Dämmstoffe mit deutlich verbesserten Wärmedämmeigenschaften bereitzustellen, wobei gleichzeitig die mechanische Belastbarkeit der Kompositpartikel gegenüber dem Trägermaterial nicht verringert ist.
Darüber hinaus kann es weiterhin vorgesehen sein, dass die Kompositpartikel zumindest an ihrer äußeren Oberfläche modifiziert, insbesondere hydrophobiert, sind. Durch eine Oberflächenmodifizierung, insbesondere eine Hydrophobierung, kann bei Verwendung rein mineralischer Trägermaterialien die Hydrophilie und somit die Aufnahme von Wasser durch das mineralische Trägermaterial begrenzt oder sogar vollständig vermieden werden. Insbesondere wird es in diesem Zusammenhang bevorzugt, wenn die Oberflächenmodifizierung, insbesondere Hydrophobierung, im Rahmen einer Oberflächenmodifizierung bzw. Hydrophobierung des Aerogels durchgeführt wird. Die hydrophoben Eigenschaften bleiben auch bei Verwendung der Kompositpartikel als Bindemittel bzw. Bindemittelkomponente eines Geopoly- mers erhalten und ermöglichen die Herstellung von Formkörpern aus anorganischen Schäumen mit hydrophobierenden Oberflächen.
Im Zuge der Hydrophobierung wird die Oberfläche des porösen Trägermaterials bzw. Aerogels, derart verändert, dass die Wechselwirkung zwischen der Oberfläche und polaren Stoffen, wie beispielsweise Alkoholen oder Wasser, minimiert wird. Was nun die Oberflächenmodifizierung des porösen Trägermaterials anbelangt, so können sämtliche aus dem Stand der Technik bekannten und geeigneten Maßnahmen zum Einsatz kommen. Besonders gute Ergebnisse werden jedoch erhalten, wenn die Oberflächenmodifizierung mittels Aerogelen, Phosphonaten, Sulfona- ten, substituierten Aminen, Silanen, Polysiloxanen, Silikonaten, Carbonsäurederivaten, Ethoxylaten, Polyethern, insbesondere Silanen, Silikonaten und Polysiloxanen, vorzugsweise Silanen und Silikonaten, und/oder deren Mischungen erfolgt. Insbesondere durch eine Oberflächenmodifizierung mittels Silanen bzw. Silikonaten oder Polysiloxanen kann eine besonders effektive Hydrophobierung des porösen Trägermaterials erreicht werden.
In dieser Zusammensetzung wird es bevorzugt, wenn durch die Oberflächenmodifizierung insbesondere die Oberfläche, vorzugsweise die äußere Oberfläche, der porösen Trägermaterialien durch Polysiloxane gebildet wird. Die Polysiloxane können dabei durch direkte Behandlung der Oberfläche mit Polysiloxanen oder bevorzugt durch Behandlung mit Silanen und/oder Silikonaten, welche durch Kondensationsreaktionen zu Polysiloxanen reagieren, aufgebracht bzw. gebildet werden.
Üblicherweise liegt das poröse Trägermaterial in Form von Partikeln vor. Wenn be- reits das poröse Trägermaterial in Partikelform vorliegt, kann eine möglichst gleichmäßige Befüllung der Poren des porösen Trägermaterials mit dem Aerogel erfolgen.
Wenn das Trägermaterial in Partikelform vorliegt, so hat es sich bewährt, wenn die Partikel des porösen Trägermaterials absolute Partikelgrößen im Bereich von 10 bis 5.000 μιη, insbesondere 20 bis 4.000 μιη, vorzugsweise 30 bis 3.000 μιη, bevorzugt 40 bis 2.000 μιη, besonders bevorzugt 50 bis 1 .500 μιη, aufweisen. Die Partikelgröße des porösen Trägermaterials ist somit vorzugsweise geringer als die Partikelgröße der Kompositpartikel, d. h. das Aerogel befindet sich sowohl in den Poren des porösen Trägermaterials als auch auf dessen Oberfläche. Vorzugsweise wird ein feinteiliges Trägermaterial verwendet, da so eine möglichst vollständige Durchdringung der Poren des porösen Trägermaterials mit den verwendeten Aerogelen bzw. deren Prekursoren möglich wird. Hierdurch werden die Dämmeigenschaften, insbesondere die Wärmeleitfähigkeiten, der Kompositpartikel entschei- dend verbessert.
Besonders gute Ergebnisse werden erhalten, wenn das poröse Trägermaterial Poren mit Porengrößen im Bereich von 0,05 μιη bis 800 μιη, insbesondere 0, 1 bis 700 μιη, vorzugsweise 0,5 μιη bis 500 μιη, bevorzugt 1 μιη bis 300 μιη, besonders bevorzugt 2 bis 200 μιη, aufweist. Poren mit Größen in den vorgenannten Bereichen spielen insbesondere bei der Wärmeleitfähigkeit der Materialien eine große Rolle, weshalb es wichtig ist, dass gerade diese Poren mit Aerogel gefüllt sind.
Was das Aerogel anbelangt, welches verwendet wird, um in die Poren des porösen Trägermaterials eingelagert zu werden, so kann nahezu jedes Aerogel verwendet werden. Es hat sich jedoch bewährt, wenn Silica-Aerogele eingesetzt werden, insbesondere da diese besonders gute und dauerhafte Bindungen zu den porösen Trägermaterialien aufbauen können. Aerogele mit den nachfolgend beschriebenen Eigenschaften können auch als silikatisches Ausgangsmaterial in Form von Partikeln zur Herstellung von anorganischen Schäumen bzw. Geoploymeren eingesetzt werden. Üblicherweise weist das Aerogel üblicherweise eine Schüttdichte von 0,025 bis 0,30 g/cm3, insbesondere 0,03 bis 0,25 g/cm3, vorzugsweise 0,04 bis 0,22 g/cm3, bevorzugt 0,05 bis 0, 15 g/cm3, auf.
Die Schüttdichte des Aerogels bezieht sich auf ein Aerogel, welches nicht direkt auf dem porösen Trägermaterial gebildet wurde, sondern unter ansonsten vergleichbaren Bedingungen, jedoch ohne Trägermaterial.
Was den Porendurchmesser des verwendeten Aerogels anbelangt, so kann dieser naturgemäß in weiten Bereichen variieren. Es hat sich jedoch bewährt, wenn das Aerogel einen mittleren Porendurchmesser von 1 bis 300 nm, insbesondere 5 bis 200 nm, vorzugsweise 10 bis 150 nm, bevorzugt 15 bis 100 nm, besitzt. In diesem Zusammenhang kann es gleichfalls vorgesehen sein, dass das Aerogel einen mittleren Porendurchmesser von weniger als 300 nm, insbesondere weniger als 200 nm, vorzugsweise weniger als 150 nm, bevorzugt weniger als 100 nm, besitzt. Aerogele mit mittleren Porendurchmessern in den vorgenannten Bereichen besitzen besonders gute Wärmedämmeigenschaften und sind gleichzeitig ausreichend mechanisch stabil.
Darüber hinaus wird es bevorzugt, wenn das Aerogel hydrophobiert ist. Es wird somit im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt, wenn sowohl das Aerogel als auch das poröse Trägermaterial bzw. das poröse Kompositmaterial hydrophobiert sind, um eine Wasseraufnahme möglichst zu vermeiden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Aerogel einen Kontaktwinkel mit Wasser von 100 bis 170°, insbesondere 130 bis 165°, vorzugsweise 140 bis 165°, auf. Es hat sich bewährt, wenn das Aerogel auf dem porösen Trägermaterial und/oder in den Poren des porösen Trägermaterials, vorzugsweise in den Poren des porösen Trägermaterials, gebildet wird. Durch eine Bildung des Aerogels auf bzw. in dem porösen Trägermaterial wird eine besonders gute Durchdringung der Poren des Trägermaterials mit dem Aerogel erreicht, wodurch einerseits die Wärmedäm- meigenschaften der resultierenden Kompositpartikel optimiert werden und andererseits das in den Poren eingelagerte Aerogel optimal geschützt und besonders gut an die Oberfläche des porösen Trägermaterials gebunden ist.
In diesem Zusammenhang hat es sich gleichfalls bewährt, wenn das Aerogel mit- tels eines Sol-Gel-Verfahrens erhalten wird. D. h. die Kompositpartikel sind erhältlich, indem ein Sol-Gel-Verfahren zur Herstellung von Silica-Aerogelen in Gegenwart des porösen Trägermaterials durchgeführt wird.
Ganz besonders gute Ergebnisse werden dabei erhalten, wenn während der Her- Stellung des Aerogels eine in s/fu-Hydrophobierung erfolgt. Eine in s/fu-Hydro- phobierung bei der Herstellung des Aerogels führt einerseits dazu, dass ein hydro- phobiertes Aerogel erhalten wird, andererseits wird auch die Oberfläche des porösen Trägermaterials in nur einem Arbeitsgang gleichfalls hydrophobiert. Dies ist insbesondere bei Verwendung mineralisch basierter poröser Trägermaterialien, welche eine hohe Hydrophilie aufweisen, vorteilhaft.
Die zuvor beschriebenen Kompositpartikel sind durch ein spezielles Herstellungsverfahren zugänglich, wobei
(a) in einem ersten Verfahrensschritt das poröse Trägermaterial einer Behandlung zur Vergrößerung des offenen Porenvolumens unterzogen wird und
(b) in einem auf den ersten Verfahrensschritt (a) folgenden zweiten Verfahrensschritt auf dem porösen Trägermaterial und/oder in den Poren des porösen Trägermaterials, vorzugsweise auf dem porösen Trägermaterial und in den
Poren des porösen Trägermaterials, ein Aerogel, insbesondere ein Silica- Aerogel, gebildet wird. Wie zuvor bereits ausgeführt, erlaubt die Bildung bzw. Herstellung des Aerogels auf bzw. in dem porösen Trägermaterial eine besonders innige Verbindung zwischen Trägermaterial und Aerogel, welche mit besonders guten Wärmedämmeigenschaften der resultierenden Kompositpartikel einerseits und einem besonders guten Schutz des Aerogels andererseits einhergeht. Darüber hinaus wird durch die Bildung des Aerogels auf bzw. in dem porösen Trägermaterial auch eine möglichst weitgehende Durchdringung des porösen Trägermaterials mit dem Aerogel erreicht. Es hat sich gezeigt, dass bei der Herstellung von porösen Kompositpartikeln, deren Poren ein Aerogel enthalten, deutlich bessere Ergebnisse erhalten, wenn das poröse Trägermaterial einer Behandlung zur Vergrößerung des offenen Porenvolumens, d. h. des Volumens an Poren, welche mit der Umgebung in Kontakt stehen, unterzogen wird. Auf diese Weise wird es möglich, poröse Kompositpartikel, deren Poren zur verbesserten Wärmedämmung ein Aerogel enthalten, auch im technischen und großtechnischen Maßstab reproduzierbar herzustellen.
Üblicherweise wird das offene Porenvolumen des porösen Trägermaterials im Rahmen dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durch mechanische und/oder chemische, vorzugsweise mechanische, Behandlung des porösen Trägermaterials vergrößert.
Wenn das poröse Trägermaterial einer mechanischen Behandlung zur Vergrößerung des offenen Porenvolumens unterzogen wird, so hat es sich bewährt, wenn das poröse Trägermaterial in Verfahrensschritt (a) einem Mahlvorgang, insbesondere in einer Kugelmühle, unterworfen wird. Das Mahlen des porösen Trägermaterials, insbesondere in einer Kugelmühle, stellt eine sehr einfache und kostengünstige Variante zur Erhöhung des offenen Porenvolumens dar. Es hat sich gezeigt, dass durch den Mahlvorgang nicht nur allein die Partikel des porösen Trägermate- als zerkleinert und somit die spezifische Oberfläche erhöht wird, sondern dass auch durch die mechanische Einwirkung ein größerer Anteil an offenen Poren für die nachfolgende Bildung des Aerogels zur Verfügung steht.
Wenn das poröse Trägermaterial einer chemischen Behandlung zur Vergrößerung des offenen Porenvolumens unterzogen wird, so wird das poröse Trägermaterial in Verfahrensschritt (a) üblicherweise mit einer Lauge, insbesondere einer wässrigen Lösung eines Alkalimetall- und/oder Erdalkalimetallhydroxids, vorzugsweise eines Alkalimetallhydroxids, behandelt. In diesem Zusammenhang wird es besonders be- vorzugt, wenn das Alkalimetallhydroxid ausgewählt ist aus Natriumhydroxid und/oder Kaliumhydroxid. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden somit vorzugsweise Natronlauge bzw. Kalilauge für die chemische Behandlung des porösen Trägermaterials verwendet.
Üblicherweise weist die Lösung das Alkalimetall- und/oder Erdalkalimetallhydroxid in Mengen von 50 bis 60 Gew.-%, insbesondere 10 bis 40 Gew.-%, vorzugsweise 10 bis 30 Gew.-%, bezogen auf die Lösung, auf. Darüber hinaus hat es sich bewährt, wenn das poröse Trägermaterial mit der Lauge bei erhöhter Temperatur, insbesondere bei Temperaturen im Bereich von 30 bis 80 °C, insbesondere 35 bis 70 °C, vorzugsweise 40 bis 60 °C, behandelt wird.
Es hat sich gezeigt, dass bei höheren Temperaturen die Lauge deutlich reaktiver ist und dass das offene Porensystem des porösen Trägermaterials deutlich schneller und in größerem Umfang erweitert wird.
Falls die Behandlung zur Vergrößerung des offenen Porenvolumens des porösen Trägermaterials auf chemischem Wege durchgeführt wird, so hat es sich bewährt, wenn im Anschluss an den eigentlichen Verfahrensschritt (a) das chemische Behandlungsmittel, insbesondere die Lauge, rückstandsfrei entfernt wird. Dies geschieht vorzugsweise durch wiederholtes Waschen mit vollentsalztem Wasser. In diesem Zusammenhang hat es sich bewährt, wenn 1 bis 10 Waschvorgänge, insbesondere 2 bis 7 Waschvorgänge, vorzugsweise 3 bis 5 Waschvorgänge vorge- nommen werden. Eine gründliche Entfernung von Rückständen des bei der chemischen Behandlung eingesetzten Reagenzes, insbesondere von Kali- bzw. Natronlauge, ist oftmals vonnöten, da bei der Bildung von Aerogel die Einhaltung eines bestimmten pH-Wertbereiches kritisch ist. Nicht aus dem System entfernte Laugenrückstände verhindern die Einstellung eines stabilen pH-Wertes und können somit die Bildung des Aerogels erschweren bzw. verhindern.
Darüber hinaus hat es sich bewährt, wenn das Sol zu einem Zeitpunkt mit dem porösen Trägermaterial in Kontakt gebracht wird, bei welchen das Sol nur noch zum Gel altern muss, d. h. nur noch die Polymerisationsreaktion vollzogen werden muss.
In diesem Zusammenhang hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das poröse Trägermaterial mit dem Hydrosol getränkt wird. Das Sol dringt folglich in sämtliche (offene) Poren des porösen Trägermaterials ein und füllt diese möglichst vollständig aus.
Gleichermaßen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn nach Inkontaktbringen bzw. Durchdringen des Trägermaterials mit dem Sol das Sol zu einem Gel umgesetzt wird. Dieser Prozess wird auch als "altern" bezeichnet und beschreibt den Vorgang der Polymerisations- bzw. Kondensationsreaktionen der einzelnen Moleküle des Sols zu Makromolekülen, dem sogenannten Gel. Das erhaltene Gel, insbesondere Hydrogel, muss anschließend noch zum Aerogel getrocknet werden. Dies kann beispielsweise in einem Autoklaven unter überkritischen Bedingungen erfolgen. Auch ist die Überführung von Hydrogelen in Alkogele durch Lösemittelaustausch, insbesondere von Wasser gegen Alkohol, möglich, was eine Entfernung des Lösemittels unter schonenderen Bedingungen, jedoch gleich- falls im überkritischen Bereich, erlaubt. Auch das Ersetzen des Lösemittels bzw. der Lösemittelgemische durch Kohlendioxid und eine nachfolgende überkritische Trocknung ist möglich. Diese Varianten sind alle technisch möglich, jedoch apparativ aufwendig. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist auch eine einfache Entfernung des Löse- bzw. Dispersionsmittel bei erhöhter Temperatur möglich, wobei gleichfalls sehr gute Ergebnisse erhalten werden.
Besonders bevorzugt wird es in diesem Zusammenhang, wenn Wasser als einziges Löse- und Dispersionsmittel verwendet wird, wie nachfolgend noch dargelegt wird.
Besonders gute Ergebnisse werden erhalten, wenn das Hydrogel hydrophobiert wird. In diesem Zusammenhang hat es sich bewährt, wenn das Hydrogel durch Behandlung, insbesondere chemische Reaktion, mit mindestens einem Hydrophobierungsmittel hydrophobiert wird. Eine Hydrophobierung des Aerogels ermöglicht einen Austausch von polaren Lösemitteln, insbesondere Wasser, gegen weniger polare Lösemittel, welche dann unter erhöhter Temperatur und/oder vermindertem Druck entfernt werden können, ohne dass eine Trocknung im überkritischen Bereich notwendig wäre. Aber auch eine überkritische Trocknung des hydrophobier- ten Aerogels mit Kohlendioxid ist möglich und stellt ein besonders rasches und schonendes Trocknungsverfahren dar.
Weiterhin wird es bevorzugt, wenn während der Bildung des Gels eine Hydrophobierung, insbesondere eine in s/fu-Hydrophobierung, des Gels durchgeführt wird. Eine in s/iu-Hydrophobierung des Gels ermöglicht es, die Oberfläche bzw. die Porenstruktur des Aerogels derart auszubilden, dass die Wechselwirkung mit polaren Stoffen, insbesondere Wasser, derart geschwächt wird, dass eine Entfernung dieser polaren Stoffe durch Erhitzen bzw. Verwendung von Vakuum möglich wird, oh- ne dass die Aerogel-Struktur zerstört wird. Dies ermöglicht es, bei Auswahl geeigneter Hydrophobierungsmittel, die gesamte Aerogelsynthese in wässrigem Medium durchzuführen. Darüber hinaus wird durch eine in s/iu-Hydrophobierung des Aerogels auch eine gleichzeitige Hyrophobierung der Oberfläche des porösen Trägermaterials erreicht.
Durch eine Hydrophobierung kann - wie zuvor ausgeführt - die Wechselwirkung zwischen Oberflächen des Gels und polaren Stoffen, wie beispielsweise Alkoholen oder Wasser, derart geschwächt werden, dass bei Trocknung ein problemloses Entfernen des Löse- bzw. Dispersionsmittels möglich wird, ohne dass die Aerogel- Struktur zerstört wird. Dies ist ungewöhnlich, da insbesondere bei der Herstellung von Silica-Aerogelen, in der Regel ein langwieriger Lösemittelaustausch von Alkohol oder Wasser gegen unpolarere Lösemittel vorgenommen werden muss, um eine vollständige Entfernung der Löse- und Dispersionsmittel zu erzielen. Wird hingegen versucht, das Hydrogel zu trocknen, so wird die Porenstruktur des Gels durch die hohen Kapillarkräfte zerstört. Oftmals muss sogar das gewonnene Hydrogel durch Lösemittelaustausch mit Alkoholen erst in einen Alkogel überführt werden, ehe weitere Lösemittelwechsel durchgeführt werden können, welche schließlich zu einer Durchdringung der porösen Struktur des Gels mit Lösemitteln führen, die problemlos aus dem Gel entfernt werden können, so dass ein Aerogel erhalten wird. Durch eine in s/iu-Hydrophobierung bzw. eine Hydrophobierung während der Bildung des Gels wird eine effiziente Hydrophobierung auch der inneren Grenzbzw. Oberflächen, insbesondere der Poren, des Aerogels erreicht, so dass eine weitgehend zerstörungsfreie Entfernung von Wasser aus dem Porensystem des Aerogels möglich wird.
Weiterhin hat es sich bewährt, wenn das Gel in Gegenwart des Hydrophobierungsmittels gebildet wird.
Besonders gute Ergebnisse werden dabei erhalten, wenn das Hydrophobierungs- mittel ausgewählt ist aus Phosphonaten, Sulfonaten, substituierten Aminen, Sila- nen, Polysiloxanen, Silikonaten, Carbonsäurederivaten, Ethoxylaten, Polyethern, insbesondere Silanen, Polysiloxanen und Silikonaten, sowie deren Mischungen. Insbesondere bei Verwendung von Silanen, Silikonaten und Polysiloxanen, vor- zugsweise Silanen und Silikonaten, als Hydrophobierungsmittel ist eine besonders gleichmäßige Einarbeitung in das sich bildende Gelmaterial, insbesondere in Silica- Hydrogele, möglich, wodurch eine wirkungsvolle Oberflächenmodifizierung sämtlicher, d. h. auch innerer, Oberflächen des Gels erreicht werden kann. Dieser Effekt ist insbesondere bei Silanen und Silikonaten besonders ausgeprägt. Darüber hinaus eignen sich Silane, Silikonate und Polysiloxane auch in hervorragender Weise zur Oberflächenmodifizierung, insbesondere Hydrophobierung, von mineralischen bzw. silikatbasierten porösen Trägermaterialien, welche im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt eingesetzt werden.
Wenn im Rahmen dieser Ausführungsform ein Polysiloxan als Hydrophobierungsmittel verwendet wird, kann dessen chemische Natur in weiten Bereichen variieren. In diesem Zusammenhang wird es bevorzugt, wenn ein Polysiloxan mit reaktiven funktionellen Gruppen, insbesondere ausgewählt aus Hydroxyfunktionen, Aminen und/oder Carbonsäuren, eingesetzt wird.
Weiterhin hat es sich bewährt, wenn gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Polysiloxan mit einer gewichtsmittleren Molmasse Mw im Bereich von 250 bis 50.000 g/mol, insbesondere 300 bis 30.000 g/mol, vorzugsweise 400 bis 20.000 g/mol, bevorzugt 450 bis 10.000 g/mol, besonders bevorzugt 500 bis 5.000 g/mol, eingesetzt wird.
Wenn ein Silan als Hydrophobierungsmittel zur Hydrophosierung des Gels eingesetzt wird, so kann dessen chemische Natur gleichfalls in weiten Bereichen variie- ren. Besonders gute Ergebnisse werden jedoch erhalten, wenn ein Silan der allgemeinen Formel I
mit
n 1 bis 3, insbesondere 1 oder 2, vorzugsweise 1 ;
R C bis C3o-Alkyl und/oder C6- bis C3o-Aryl,
insbesondere C2- bis C2o-Alkyl und/oder C6- bis C20-Aryl,
vorzugsweise C3- bis C20-Alkyl und/oder C6- bis C20-Aryl,
bevorzugt C4- bis Ci5-Alkyl und/oder C6- bis Ci5-Aryl,
besonders bevorzugt C5- bis d2-Alkyl und/oder C6- bis Ci2-Aryl,
ganz besonders bevorzugt C5- bis C12-Alkyl; und
Halogenid, insbesondere Chlorid, Bromid und/oder lodid, OX mit X = Wasserstoff, Alkyl, Aryl, Polyether und/oder Carbonsäurederivat, insbesondere Alkyl, vorzugsweise C bis Cs-Alkyl, bevorzugt C2- bis C4-Alkyl; verwendet wird. Besonders bevorzugt wird es dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung wenn R2 OX, insbesondere Ethoxy, entspricht.
Für den Fall, dass ein Silikonat als Hydrophobierungsmittel eingesetzt wird, so kann eine Vielzahl von Silikonaten verwendet werden. Besonders gute Ergebnisse werden jedoch erhalten, wenn ein Silikonat der allgemeinen Formel II
HO-[Si(R)(OM)-0-]nH (II) mit
n = 1 bis 6, insbesondere 1 bis 3, vorzugsweise 1 ;
R = d- bis Cio-Alkyl und/oder C6- bis C15-A17I,
insbesondere Cr bis C8-Alkyl und/oder C6- bis d2-Aryl,
vorzugsweise Cr bis C6-Alkyl und/oder C6- bis C-io-Aryl,
bevorzugt Cr bis C4-Alkyl,
besonders bevorzugt Cr bis C3-Alkyl; und
M = einwertiges Metall,
insbesondere Alkalimetall, vorzugsweise Natrium oder Kalium;
verwendet wird. In diesem Zusammenhang hat es sich bewährt, wenn das Hydrophobierungsmittel ausgewählt ist aus Natriummethylsilikonat, Kaliummethylsiliko- nat, Natriumpropylsilikonat und Kaliumpropylsilikonat und deren Mischungen. Ge- mäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Hydrophobierungsmittel Kaliummethylsilikonat.
Darüber hinaus wird es bevorzugt, wenn ein vorsichtiges Mischen zwischen dem porösen Trägermaterial und dem Sol unter geringer bis mittlerer Scherbeanspru- chung stattfindet.
Vorzugsweise wird bei der Herstellung des Aerogels zur Durchführung des Verfahrens, insbesondere in Verfahrensschritt (b), vorzugsweise nur ein Löse- oder Dispersionsmittel verwendet. Die Verwendung nur eines Lösemittels im Verlauf des Verfahrens vereinfacht die Verfahrensführung ganz erheblich, da bei der Herstellung von Aerogelen, insbesondere von Silica-Aerogelen, oftmals mehrere Lösemittelwechsel vorgenommen werden müssen. Ein mehrmaliger Lösemittelwechsel führt einerseits zu einem ver- fahrenstechnisch erhöhten Aufwand, andererseits wird auch die Entsorgung der Lösemittelreste bzw. Dispersionsmittelreste deutlich erschwert, da diese oftmals getrennt gesammelt und entsorgt werden müssen.
Vorzugsweise wird somit vorzugsweise nur ein einziges Lösemittel, insbesondere Wasser verwendet. Dies bedeutet, dass beispielsweise Lösungen oder Dispersionen, welche in Verfahrensschritt (b) verwendet werden, stets ein und das gleiche Lösemittel, vorzugsweise Wasser, aufweisen.
Im Allgemeinen wird gemäß dieser als Löse- oder Dispersionsmittel ein polares Lö- se- oder Dispersionsmittel, insbesondere ein polares protisches Löse- oder Dispersionsmittel, verwendet.
In diesem Zusammenhang hat es sich bewährt, wenn das Löse- oder Dispersionsmittel ausgewählt ist aus der Gruppe von Alkoholen, insbesondere d- bis Cs- Alkoholen, Aminen und Wasser, insbesondere Methanol, Ethanol, Propanol und Wasser, vorzugsweise Ethanol und Wasser. Besonders bevorzugt wird es, wenn das Löse- oder Dispersionsmittel Wasser ist. Ein Vorteil der Verwendung von Wasser ist, dass es weder giftig noch unter den Gesichtspunkten des Umweltschutzes bedenklich ist. Darüber hinaus ist Wasser nichtbrennbar und problemlos zu entsor- gen.
In diesem Zusammenhang wird Verfahrensschritt (b) vorzugsweise in mehreren Verfahrensstufen durchgeführt, wobei
(i) in einer ersten Verfahrensstufe (i) ein poröses Trägermaterial mit einem Sol, insbesondere einem Hydrosol, in Kontakt gebracht wird, insbesondere getränkt wird; und
(ii) in einer nachfolgenden zweiten Verfahrensstufe (ii) das Sol zu einem Gel, insbesondere einem Hydrogel, umgesetzt wird.
Üblicherweise wird in einer vorbereitenden, der Verfahrensstufe (i) vorgelagerten, Verfahrensstufe mindestens ein Sol, insbesondere ein Hydrosol, hergestellt. Im Allgemeinen wird gemäß dieser Ausführungsform das Sol aus einer Lösung o- der Dispersion mindestens eines Prekursors hergestellt. In diesem Zusammenhang hat es sich bewährt, wenn die Lösung oder Dispersion den Prekursor in Mengen von 0,01 bis 20 Gew.-%, insbesondere 0,1 bis 15 Gew.-%, vorzugsweise 0,5 bis 10 Gew.-%, bevorzugt 0,75 bis 8 Gew.-%, bezogen auf die Lösung oder Dispersion, enthält. In den zuvor genannten Konzentrationsbereichen wird eine besonders gleichmäßige Polymerisation bzw. Kondensation der Solmoleküle bzw. -partikel erreicht, so dass ein besonders homogenes Gel, insbesondere Hydrogel, erhalten wird.
Das Sol, insbesondere das Hydrosol, kann aus einer Vielzahl von möglichen Pre- kusorverbindungen hergestellt werden. Besonders gute Ergebnisse werden jedoch erhalten, wenn ein Hydrosol auf Basis von Monokieselsäure und/oder kolloidaler Kieselsäure aus einer Alkalimetallsilikat-Lösung, insbesondere Natriumsilikat- Lösung, als Prekursor hergestellt wird.
Wenn das Hydrosol aus einer Alkalimetallsilikat-Lösung hergestellt wird, so hat es sich bewährt, wenn das Hydrosol durch Umsetzung der Alkalimetallsilikat-Lösung mit Mineralsäuren, insbesondere Salzsäure, Salpetersäure und/oder Schwefelsäu- re, oder durch lonenaustausch, vorzugsweise durch lonenaustausch, hergestellt wird.
Besonders gute Ergebnisse werden in diesem Zusammenhang erhalten, wenn der lonenaustausch mit einem stark sauren Kationenaustauscherharz, insbesondere einem sulfonierten Polystyrolharz, vorzugsweise einem sulfonierten divinylbenzol- vernetzten Polystyrolharz, durchgeführt wird. Die Verwendung von Ionenaustauschern, insbesondere auf Basis von sulfonierten divinylbenzolvernetzten Polystyrolharzen, führt zu besonders reinen Hydrosolen, welche nahezu frei sind von Salzen, insbesondere störenden Ionen, welche die Polymerisation des Aerogels be- hindern bzw. zu Fehlstellen im Gel führen.
Weiterhin hat es sich bewährt, wenn das Sol nach seiner Herstellung einen pH- Wert im Bereich von 1 bis 6, insbesondere 2 bis 4, vorzugsweise 2 bis 3, aufweist. Gleichermaßen werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung gute Ergebnisse erhalten, wenn das Sol einen pH-Wert von weniger als 6, insbesondere weniger als 4, insbesondere weniger als 3, aufweist. Mit den vorgenannten pH-Werten wird eine besonders homogene Verteilung von nach Möglichkeit niedermolekularen Solmolekülen bzw. -partikeln erzielt. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn das Sol eine Leitfähigkeit bei 20 °C von höchstens 1 .500 με/αη, insbesondere höchstens 1 .000 με/αη, vorzugsweise höchstens 800 με/αη, aufweist. Gleichfalls werden besonders gute Ergebnisse er- halten, wenn das Sol eine Leitfähigkeit bei 20 °C im Bereich von 100 bis 1 .500 με/οιη, insbesondere 200 bis 1 .000 με/αη, vorzugsweise 300 bis 800 με/οιη, aufweist. Geringe Leitfähigkeitswerte zeigen an, dass das Sol weitgehend frei ist von Ionen, insbesondere von Fremdionen, welche die anschließende Polymerisation bzw. Kondensation zum Gel negativ beeinflussen.
Üblicherweise wird Verfahrensstufe (i) bei Raumtemperatur oder in einem Temperaturbereich von 15 bis 30 °C, insbesondere von 20 bis 25 °C, durchgeführt.
In diesem Zusammenhang hat es sich bewährt, wenn Verfahrensstufe (i) unter er- höhtem Druck, insbesondere bei einem Absolutdruck von 2 bis 12 bar, insbesondere 3 bis 10 bar, vorzugsweise 4 bis 9 bar, bevorzugt 6 bis 8 bar, durchgeführt wird.
Gleichfalls hat es sich insbesondere bewährt, wenn Verfahrensstufe (i) nicht dauerhaft unter erhöhtem Druck durchgeführt wird. Besonders gute Ergebnisse werden erhalten, wenn in Verfahrensstufe (i) der Druck in Intervallen, insbesondere in 2 bis 50 Intervallen, vorzugsweise 5 bis 40 Intervallen, bevorzugt 8 bis 30 Intervallen, besonders bevorzugt 10 bis 20 Intervallen, erhöht wird. Hierbei wird es bevorzugt, wenn der Druck ausgehend vom Umgebungsdruck bzw. von Normaldruck erhöht wird.
Gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden insbesondere dann gute Ergebnisse erhalten, wenn während eines Intervalls die Mischung aus Sol und porösen Partikeln für einen Zeitraum von 1 bis 20 Minuten, insbesondere 5 bis 10 Minuten, erhöhtem Druck ausgesetzt wird, insbesondere unter leichter Be- wegung, wie beispielsweise unter Rühren. Vorzugsweise wird Verfahrensstufe (i) anschließend für einen Zeitraum von 1 bis 60 Minuten, insbesondere 5 bis 50 Minuten, vorzugsweise 10 bis 40 Minuten, bevorzugt 20 bis 30 Minuten, bei Normaldruck bzw. Umgebungsdruck durchgeführt, insbesondere wobei die Mischung aus Sol und porösen Partikeln bei Normaldruck bzw. Umgebungsdruck ruhen gelassen wird.
Der pH-Wert des Sols wird, insbesondere zur Gelbildung, vorzugsweise im Bereich von 3,5 bis 7, insbesondere 3,5 bis 6,5, vorzugsweise 4 bis 6, bevorzugt 4 bis 5 eingestellt. Im vorgenannten Bereich findet eine besonders gleichmäßige und kontrollierte Polymerisation bzw. Kondensation des Sols zum Gel, insbesondere von Silica-Hydrosolen zu Hydrogelen, statt. Was nun die Einstellung des pH-Wertes, insbesondere in Verfahrensstufe (i), anbelangt, so kann diese auf vielfältige Art und Weise erfolgen. Besonders gute Ergebnisse werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedoch erhalten, wenn der pH-Wert durch Zugabe einer Base, insbesondere durch Zugabe von Natronlauge, Kalilauge und/oder wässriger Ammoniak- Lösung, vorzugsweise wässriger Ammoniak-Lösung, eingestellt wird. Die Verwendung von Ammoniak-Lösung hat insbesondere den Vorteil, dass die entstehenden Ammoniumionen die Polymerisation bzw. Kondensation des Sols zum Gel nicht negativ beeinflussen und darüber hinaus nicht in die Gelstruktur eingebaut werden, wie beispielsweise Natrium- oder Kaliumionen.
Gleichfalls kann es vorgesehen sein, dass der pH-Wert durch Zugabe von Säure, insbesondere einer Mineralsäure, vorzugsweise Salzsäure, eingestellt wird. Eine Einstellung des pH-Werts durch Zugabe von Säuren kann insbesondere notwendig sein, wenn stark basische Hydrophobierungsmittel verwendet werden.
Weiterhin wird es bevorzugt, wenn in Verfahrensstufe (i) das Sol mit mindestens einem Hydrophobierungsmittel in Kontakt gebracht, insbesondere versetzt, wird.
Im Allgemeinen wird das Hydrophobierungsmittel zur Hydrophobierung des Sols in Form einer Lösung oder Dispersion, insbesondere einer wässrigen Lösung oder Dispersion, eingesetzt. Was in diesem Zusammenhang die Konzentration des Hyd- rophobierungsmittels in der Lösung oder Dispersion anbelangt, so kann diese in weiten Bereichen variieren. Besonders gute Ergebnisse werden jedoch erhalten, wenn die Lösung oder Dispersion das Hydrophobierungsmittel in Mengen von 1 bis 90 Gew.-%, insbesondere 10 bis 80 Gew.-%, vorzugsweise 30 bis 70 Gew.-%, bevorzugt 40 bis 60 Gew.-%, bezogen auf die Lösung oder Dispersion des Hydro- phobierungsmittels, enthält.
Besonders gute Ergebnisse werden dabei erhalten, wenn das gewichtsbezogene Verhältnis von Solpartikeln zu Hydrophobierungsmittel im Bereich von 10 : 1 bis 1 : 20, insbesondere 5: 1 bis 1 : 10, vorzugsweise 3 : 1 bis 1 : 5, bevorzugt 2 : 1 bis 1 : 4, besonders bevorzugt 1 : 1 bis 1 : 3, variiert wird. In den vorgenannten Verhältnissen werden besonders stabile Aerogele erhalten, welche durch Trocknen problemlos von Lösemittelresten bzw. Dispersionsmittelresten, insbesondere Was- ser, befreit werden können. Unter Solpartikeln sind dabei die gelösten bzw. disper- gierten Teilchen des Sols, insbesondere der Kieselsäure, zu verstehen.
Darüber hinaus wird es bevorzugt, wenn - insbesondere in Verfahrensstufe (i) - das Sol mit dem Hydrophobierungsmittel in Kontakt gebracht wird bevor das poröse Trägermaterial mit dem Sol in Kontakt gebracht wird. Es hat sich herausgestellt, dass beste Ergebnisse erzielt werden, wenn die Reaktionsmischung zur Herstellung des Gels, insbesondere des Hydrogels, soweit fertiggestellt ist, dass nur noch durch Temperaturerhöhung und Altern die Bildung des Gels abzuwarten bleibt, ehe das vorbereitete Sol mit dem porösen Trägermaterial in Kontakt gebracht wird.
Die Zugabe des Hydrophobierungsmittels zu dem Sol erfolgt vorzugsweise über mehrere Minuten unter leichter Scherbeanspruchung. Darüber hinaus wird es bevorzugt, wenn - insbesondere in Verfahrensstufe (i) - die Einstellung des pH-Wertes erfolgt, nachdem das Sol mit dem Hydrophobierungsmittel in Kontakt gebracht wurde. In diesem Zusammenhang werden besonders gute Ergebnisse erhalten, wenn die Einstellung des pH-Wertes 0,1 bis 60 min, vorzugsweise 0,5 bis 30 min, bevorzugt 0,5 bis 15 min, erfolgt, nachdem das Sol mit dem Hydrophobierungsmittel in Kontakt gebracht wurde. Durch eine Einstellung des pH-Wertes wird die Polymerisations- bzw. Kondensationsreaktion im Sol in Gang gesetzt.
Üblicherweise wird in Verfahrensstufe (i) das poröse Trägermaterial zu dem Sol gegeben, insbesondere unter Rühren. Es ist jedoch auch möglich, das Sol vorsichtig zu dem porösen Trägermaterial zuzugeben. Es wird jedoch bevorzugt, das poröse Trägermaterial langsam zu dem Sol zu geben.
Das gewichtsbezogene Verhältnis von porösem Trägermaterial zu Hydrosol liegt dabei üblicherweise im Bereich von 5 : 1 bis 1 : 20, insbesondere 3 : 1 bis 1 : 15, vorzugsweise 1 : 1 bis 1 : 10, bevorzugt 1 : 1 bis 1 : 5.
Was nun die Dauer anbelangt, in welcher das Sol in Verfahrensstufe (i) und das poröse Trägermaterial in Kontakt gebracht werden, so kann dieser Zeitraum in wei- ten Bereichen variieren. Besonders gute Ergebnisse werden jedoch erhalten, wenn das Sol und das poröse Trägermaterial für mindestens 1 Stunde, insbesondere mindestens 2 Stunden, vorzugsweise mindestens 3 Stunden, bevorzugt mindestens 6 Stunden, in Kontakt gebracht werden. Gleichfalls hat es sich bewährt, wenn das Sol und das poröse Trägermaterial für höchstens 24 Stunden, insbesondere höchstens 18 Stunden, vorzugsweise höchstens 15 Stunden, bevorzugt höchstens 12 Stunden, in Kontakt gebracht werden. In diesem Zusammenhang kann es gleichfalls vorgesehen sein, dass das Sol und das poröse Trägermaterial für einen Zeitraum von 1 bis 24 Stunden, insbesondere 2 bis 18 Stunden, vorzugsweise 3 bis 15 Stunden, bevorzugt 6 bis 12 Stunden, in Kontakt gebracht werden. Die Dauer des Inkontaktbringens ist dabei unter anderem abhängig von der Art des verwendeten Hydrophobierungsmittels, der Korngröße des porösen Trägermaterials sowie der Porenstruktur, insbesondere der Porengrößenverteilung, der porösen Träger- materials.
Wenn ein Inkontaktbringen des Sols und des porösen Trägermaterials in vorbeschriebenen Zeiträumen durchgeführt wird, so wird eine vollständige Durchdringung des porösen Trägermaterials mit dem Sol gewährleistet, was bei der an- schließenden Gelbildung zu einer möglichst vollständigen Befüllung der Poren des porösen Trägermaterials mit Aerogel führt.
Was die Temperatur anbelangt, bei welcher - insbesondere in Verfahrensstufe (i) - das Sol und das poröse Trägermaterial in Kontakt gebracht werden, so kann diese naturgemäß in weiten Bereichen variieren. Besonders gute Ergebnisse werden jedoch erhalten, wenn das Sol und das poröse Trägermaterial bei Raumtemperaturin Kontakt gebracht werden. In diesem Zusammenhang hat es sich bewährt wenn das Sol und das poröse Trägermaterial im Temperaturbereich von 15 bis 30 °C, insbesondere 20 bis 25 °C, in Kontakt gebracht werden.
Ein Inkontaktbringen des Sols und des porösen Trägermaterials bei Raumtemperatur hat den Vorteil, dass die Gelbildung nur sehr langsam voranschreitet, so dass das poröse Trägermaterial vollständig von dem Hydrosol durchdrungen werden kann. Eine zu rasche Gelbildung würde verhindern, dass das Sol bzw. Gel weit in die Poren eindringt bzw. auch kleinere Poren ausfüllt.
Wie zuvor bereits dargelegt, hat es sich bewährt, wenn das Sol und das poröse Trägematerial - insbesondere in Verfahrensstufe (i) - unter erhöhtem Druck in Kontakt gebracht wird, insbesondere wobei der erhöhte Druck in Intervallen ange- wendet wird und vorzugsweise ein mehrmaliger Druckaufbau vorgenommen wird. Hierdurch wird insbesondere gewährleistet, dass das poröse Trägermaterial rasch und vollständig von dem Sol durchdrungen wird. Weiterhin ist es im Allgemeinen vorgesehen, dass in Verfahrensstufe (ii) die Mischung auf Temperaturen im Bereich von 30 bis 90 °C, insbesondere 35 bis 85 °C, bevorzugt 40 bis 80 °C, besonders bevorzugt 50 bis 75 °C, besonders bevorzugt 60 bis 70 °C, erwärmt wird. Eine Erwärmung in Verfahrensstufe (ii) ermöglicht eine rasche Gelbildung, insbesondere in den Poren des porösen Trägermaterials.
In diesem Zusammenhang kann es weiterhin vorgesehen sein, dass die Mischung für 1 bis 100 Stunden, insbesondere 5 bis 85 Stunden, vorzugsweise 10 bis 70 Stunden, bevorzugt 20 bis 60 Stunden, besonders bevorzugt 24 bis 48 Stunden, bei der erhöhten Temperatur gehalten wird. Gleichfalls ist es möglich, dass die Mischung für weniger als 100 Stunden, insbesondere weniger als 85 Stunden, vorzugsweise weniger als 70 Stunden, bevorzugt weniger als 60 Stunden, besonders bevorzugt weniger als 48 Stunden, bei der erhöhten Temperatur gehalten wird. Die vorgenannten Reaktionsdauern reichen üblicherweise aus, um eine vollständige Umsetzung des Sols zum Gel zu erzielen.
Darüber hinaus kann es bei der Herstellung des Aerogels vorgesehen sein, dass in einer auf Verfahrensstufe (ii) folgenden Verfahrensstufe (iii) das in Verfahrensstufe (ii) erhaltene Hydrogel zu einem Aerogel verarbeitet wird, insbesondere wobei die in Verfahrensstufe (ii) erhaltenen ein Gel enthaltenden Partikel isoliert und anschließend getrocknet werden.
Was nun die Trocknung des Gels zu einem Aerogel anbelangt, so kann dieses - wie zuvor ausgeführt - auf vielfältige Art und Weise geschehen. Es wird jedoch bevorzugt, wenn die ein Hydrogel aufweisenden Partikel bei Temperaturen im Bereich von 20 bis 200 °C, insbesondere 30 bis 150 °C, vorzugsweise 40 bis 120 °C, bevorzugt 50 bis 100 °C, getrocknet werden. Gleichfalls werden besonders gute Ergebnisse erhalten, wenn die ein Hydrogel aufweisenden Partikel für eine Dauer von 8 bis 72 Stunden, insbesondere 12 bis 60 Stunden, vorzugsweise 24 bis 48 Stunden, getrocknet werden. Dies ist insbesondere auch bei der Verwendung von Wasser als einzigem Löse- bzw. Dispergiermittel möglich, falls eine geeignete Hydrophobierung des Aerogels vorgenommen wird. Bevorzugt wird die zuvor beschriebene thermische Trocknung bei Normal- bzw. Umgebungsdruck durchgeführt.
Besonders bevorzugt werden im Rahmen der Herstellung der Kompositpartikel die ein Hydrogel aufweisenden Partikel einer überkritischen Trocknung mit Kohlenstoffdioxid unterzogen. Die überkritische Trocknung ist im Vergleich zur rein ther- mischen Trocknung sehr viel weniger zeitaufwendig und rascher durchzuführen, wodurch der erhöhte apparative Aufwand in ökonomischer Hinsicht kompensiert werden kann. Bei der Trocknung mit überkritischem Kohlenstoffdioxid wird das Löse- bzw. Dispergiermittel, insbesondere Wasser, sukzessive durch Kohlenstoff- dioxid aus den Poren des Aerogels verdrängt bzw. in diesem gelöst und das Kohlenstoffdioxid nach vollständiger Sättigung des Gels mit Kohlenstoffdioxid in die Gasphase überführt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird es besonders bevorzugt, wenn im Zu- sammenhang mit der Zusammensetzung zur Herstellung eines anorganischen Schaums das silikathaltige Material ausgewählt ist aus expandiertem Perlit, einer Mischung aus expandiertem Perlit und einem Silica-Aerogel, den zuvor beschriebenen Kompositpartikel auf Basis von Perlit, d.h. expandiertem Perlit dessen Poren ein Silica-Aerogel aufweisen, und deren Mischungen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde es darüber hinaus bevorzugt, wenn das silikathaltige Material hydrophobiert ist, vorzugsweise durch Behandlung mit Hydrophobierungsmitteln. Insbesondere bei Verwendung von Hydrophobierungsmitteln auf Basis von Silanen, Silikonaten oder Siloxanen, insbesondere Silanen oder Siloxanen, lassen sich auf diese Weise hydrophobierte anorganische Schäume, insbesondere Geopolymerschäume, mit einem äußerst geringen Anteil an organischen, und damit brennbaren Resten herstellen. Insbesondere sind die erhaltenen festen anorganischen Schäume bzw. Geopolymerschäume trotzdem derart hydrophobiert, dass sie ohne weitere Behandlung im Außenbereich eingesetzt werden können, da sie im Gegensatz zu anderen rein mineralisch basierten Systemen keinerlei Kapillaraktivität im Hinblick auf flüssiges Wasser aufweisen. Vorzugsweise kommen bei der Hydrophobierung des silikathaltigen Materials die gleichen Hydrophobierungsmittel zum Einsatz wie sie zuvor im Zusammenhang mit den Kompositionspartikeln beschrieben wurden.
Was nun die Menge anbelangt, in welcher die Zusammensetzung das silikathaltige Material enthält, so kann diese in weiten Bereichen variieren. Es hat sich jedoch bewährt, wenn die Zusammensetzung das silikathaltige Material in Mengen von 10 bis 70 Gew.-%, insbesondere 15 bis 60 Gew.-%, vorzugsweise 20 bis 50 Gew.-%, bezogen auf die Zusammensetzung, enthält.
Wie zuvor bereits ausgeführt, enthält die erfindungsgemäße Zusammensetzung mindestens einen alkalischen Aktivator. Üblicherweise ist der alkalische Aktivator ausgewählt aus anorganischen Hydroxiden, Alkalimetallsilikaten und deren Mischungen.
Wenn der alkalische Aktivator ein anorganisches Hydroxid ist, so hat es sich be- währt, wenn das anorganische Hydroxid ausgewählt ist aus der Gruppe von Lithiumhydroxid, Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid, Magnesiumhydroxid und Calcium- hydroxid sowie deren Mischungen, vorzugsweise Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid und deren Mischungen. Besonders bevorzugt ist in diesem Zusammenhang, wenn Natriumhydroxid verwendet wird.
Wenn der alkalische Aktivator ein Alkalimetallsilikat ist, so werden gute Ergebnisse erhalten, wenn das Alkalimetallsilikat ausgewählt ist aus Lithiumsilikat, Natriumsilikat und/oder Kaliumsilikat, insbesondere Lithiumsilikat und/oder Kaliumsilikat. Besonders bevorzugt wird es in diesem Zusammenhang, wenn das Alkalimetallsilikat in Form einer wässrigen Lösung eines Alkalimetallsilikats vorliegt, insbesondere als Lithiumwasserglas, Natriumwasserglas und/oder Kaliumwasserglas. Besonders gute Ergebnisse werden erhalten, wenn der alkalische Aktivator Lithiumwasserglas und/oder Kaliumwasserglas ist. Wenn der alkalische Aktivator eine wässrige Lösung eines Alkalimetallsilikat ist, so hat es sich bewährt, wenn die wässrige Lösung des Alkalimetallsilikats das Alkalimetallsilikat in Mengen von 10 bis 50 Gew.-%, insbesondere 15 bis 40 Gew.-%, insbesondere 20 bis 30 Gew.-%, bezogen auf die Lösung des Alkalimetallsilikats, enthält.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der alkalische Aktivator ein gewichtsbezogenes Verhältnis von anorganischem Hydroxid zu wässriger Lösung eines Alkalimetallsilikats in Mengen von 10 : 1 bis 1 : 10, insbesondere 5 : 1 bis 1 : 5, vorzugsweise 2 : 1 bis 1 : 2, bevorzugt 1 : 1 , auf.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es jedoch üblicherweise ausreichend, wenn als alkalischer Aktivator ein anorganisches Hydroxid, insbesondere Natriumhydroxid, vorzugsweise in Form von Natronlauge, eingesetzt wird. Was nun die Menge anbelangt, in welcher die Zusammensetzung den alkalischen Aktivator enthält, so kann dieser gleichfalls in Abhängigkeit von den jeweiligen Anwendungsbedingungen sowie der Zusammensetzung des alkalischen Aktivators in weiten Bereichen variieren. Es hat sich jedoch bewährt, wenn die Zusammen- Setzung den alkalischen Aktivator in Mengen von 0,1 bis 35 Gew.-%, insbesondere 0,5 bis 30 Gew.-%, vorzugsweise 1 bis 28 Gew.-%, bevorzugt 1 bis 25 Gew.-%, bezogen auf die Zusammensetzung, enthält. Die erfindungsgemäße Zusammensetzung weist Fasern auf, wodurch insbesondere eine erhöhte mechanische Stabilität des ausgehärteten anorganischen Schaumes, insbesondere des Geopolymerschaums, erzielt werden kann und darüber hinaus auch die Schaumstabilität des noch nicht ausgehärteten anorganischen Schaums, insbesondere Geopolymerschaums, verbessert wird. Besonders gute Ergebnisse werden in diesem Zusammenhang erhalten, wenn die Fasern anorganische, insbesondere anorganische mineralische, Fasern sind. Speziell durch die Verwendung anorganischer bzw. mineralischer Fasern lassen sich einerseits die mechanischen Eigenschaften des resultierenden anorganischen Schaums, insbesondere des Geopolymerschaums, gezielt verbessern, wobei andererseits die Brennbarkeit und die Beständigkeit des ausgehärteten Schaums erhalten bleiben.
Besonders gute Ergebnisse werden erhalten, wenn die Fasern ausgewählt sind aus Calciumsilikatfasern, Glasfasern, Wollastonitfasern, Kohlenstofffasern, Kohlenstoff na no röhren und deren Mischungen. Besonders gute Ergebnisse werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung erhalten, wenn die Fasern Calciumsilikatfasern sind.
Üblicherweise weist die Zusammensetzung die Fasern in Mengen von 0,1 bis 20 Gew.-%, insbesondere 0,2 bis 15 Gew.-%, insbesondere 0,5 bis 12 Gew.-%, bevorzugt 1 bis 10 Gew.-%, bezogen auf die Zusammensetzung, auf.
Was nun das Löse- oder Dispersionsmittel in der erfindungsgemäßen Zusammensetzung anbelangt, so hat es sich bewährt, wenn das Löse- oder Dispersionsmittel ein wasserhaltiges Löse- oder Dispersionsmittel, insbesondere Wasser oder eine Mischung von Wasser und einem organischen Lösemittel, ist. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird es jedoch bevorzugt, wenn das Löse- bzw. Dispersionsmittel Wasser ist.
Falls jedoch das Löse- oder Dispersionsmittel ein wasserhaltiges Lösemittel ist und ein organisches Lösemittel aufweist, so hat es sich bewährt, wenn das organische Lösemittel ausgewählt ist aus Alkoholen, insbesondere Methanol, Ethanol und/oder Isopropanol, Aceton, Dimethylformamid, Essigsäureethylester und deren Mischungen. Besonders gute Ergebnisse werden in diesem Zusammenhang erhalten, wenn das organische Lösemittel ausgewählt ist aus Methanol, Ethanol, Isopropanol sowie deren Mischungen.
Die vorgenannten organischen Lösemittel sind mit Wasser in weiten Bereichen mischbar und eignen sich in hervorragender Weise auch zur Dispergierung bzw. Lösung von polaren Stoffen. Falls im Rahmen der vorliegenden Erfindung das Löse- bzw. Dispersionsmittel eine Mischung aus Wasser und einem organischen Lösemittel ist, so enthält das Löse- bzw. Dispersionsmittel Wasser und organisches Lösemittel in einem gewichtsbezogenen Verhältnis von Wasser zu organischem Lösemittel im Bereich von 20 : 1 bis 1 : 1 , insbesondere von 18 : 1 bis 5 : 1 , vorzugsweise 15 : 1 bis 10 : 1 .
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es darüber hinaus üblicherweise vorgesehen, dass die Zusammensetzung das Löse- oder Dispersionsmittel in Mengen von 10 bis 90 Gew.-%, insbesondere 20 bis 85 Gew.-%, vorzugsweise 30 bis 80 Gew.-%, bevorzugt 35 bis 75 Gew.-%, bezogen auf die Zusammensetzung, enthält.
Darüber hinaus kann es im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass die Zusammensetzung mindestens einen Füllstoff enthält. Falls die Zusam- mensetzung einen Füllstoff enthält, so ist der Füllstoff üblicherweise ausgewählt aus Mikrohohlkugeln, Blähglas, Magnesiumoxid, Titandioxid, Quarzmehl, anorganische Pigmente und deren Mischungen.
Was nun die Menge anbelangt, in welcher die Zusammensetzung den Füllstoff ent- hält, so kann diese naturgemäß in weiten Bereichen variieren. Es hat sich jedoch bewährt, wenn die Zusammensetzung den Füllstoff in Mengen von 1 bis 40 Gew.- %, insbesondere 1 bis 30 Gew.-%, vorzugsweise 5 bis 25 Gew.-%, bevorzugt 10 bis 20 Gew.-%, bezogen auf die Zusammensetzung, enthält. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es jedoch vorzugsweise vorgesehen, dass die Zusammensetzung neben dem silikathaltigen Material, welches einen Bestandteil des Bindemittels bildet, keine weiteren Füllstoffe enthält, um die Dichte des erhaltenen anorganischen Schaumes, insbesondere Geopolymerschaumes, nicht zu erhöhen.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vor- gesehen, dass die Zusammensetzung mindestens ein Additiv enthält. Falls die Zusammensetzung ein Additiv enthält, so ist dieses üblicherweise ausgewählt aus Beschleunigern, Verzögern, Komplexbildnern und deren Mischungen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzte Additive werden somit in erster Linie eingesetzt, um die Aushärtegeschwindigkeit des Bindemittels einzustellen.
Falls die Zusammensetzung ein Additiv enthält, so enthält die Zusammensetzung das Additiv üblicherweise in Mengen von 0,01 bis 5 Gew.-%, insbesondere 0,05 bis 2 Gew.-%, vorzugsweise 0,1 bis 2 Gew.-%, bezogen auf die Zusammensetzung. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält die Zusammensetzung mindestens ein Tensid. Tenside ermöglichen insbesondere eine möglichst gleichmäßige und schonende Dispergierung von insbesondere hydro- phobierten Materialien, insbesondere hydrophobierten silikathaltigen Materialien. Ohne Tenside werden insbesondere die hydrophobierten Materialien, wie hydro- phobierte silikathaltige Materialien, nicht vollständig und gleichmäßig von dem üblicherweise wasserhaltigen Löse- oder Dispersionsmittel benetzt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat es sich bewährt, wenn das Tensid ausgewählt aus nichtionischen Tensiden, anionischen Tensiden, kationischen Tensi- den, amphoteren Tensiden und deren Mischungen. In diesem Zusammenhang ist es besonders bevorzugt, wenn das Tensid ausgewählt ist aus anionischen Tensiden, amphoteren Tensiden und deren Mischungen.
Besonders gute Ergebnisse werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung erhal- ten, wenn das Tensid ausgewählt aus mehrfachen Alkoholen oder Carboxylaten sowie deren Mischungen.
Wenn die Zusammensetzung ein Tensid enthält, so hat es sich bewährt, wenn die Zusammensetzung das Tensid in Mengen von 0,01 bis 15 Gew.-%, insbesondere 0,1 bis 15 Gew.-%, vorzugsweise 0,2 bis 10 Gew.-%, bevorzugt 0,4 bis 8 Gew.-%, bezogen auf die Zusammensetzung, enthält. Vorteilhafterweise weist die Zusammensetzung darüber hinaus mindestens ein Hydrophobierungsmittel auf.
Durch die Verwendung von Hydrophobierungsmitteln können hydrophobierte anor- ganische Schäume, insbesondere Geopolymerschäume, erhalten werden, welche die vorteilhaften Eigenschaften anorganischer Schäume, insbesondere hohe mechanische Stabilität und geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, jedoch andererseits die typischen Nachweise mineralisch basierter Materialien, insbesondere eine hohe kapillare Wasseraufnahme, vermeiden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden besonders gute Ergebnisse erhalten, wenn das Hydrophobierungsmittel ausgewählt ist aus Silanen, Siloxanen, Sili- konaten sowie deren Mischungen. Besonders bevorzugt ist es in diesem Zusammenhang, wenn das Hydrophobierungsmittel ausgewählt ist aus Silanen und Silo- xanen sowie deren Mischungen.
Wenn im Rahmen dieser Ausführungsform ein Siloxan als Hydrophobierungsmittel verwendet wird, kann dessen chemische Natur in weiten Bereichen variieren. In diesem Zusammenhang wird es bevorzugt, wenn ein Polysiloxan mit reaktiven funktionellen Gruppen, insbesondere ausgewählt aus Hydroxyfunktionen, Aminen und/oder Carbonsäuren, eingesetzt wird.
Weiterhin hat es sich bewährt, wenn im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Siloxan mit einer gewichtsmittleren Molmasse Mw im Bereich von 250 bis 5.000 g/mol, insbesondere 300 bis 3.000 g/mol, vorzugsweise 450 bis 2.000 g/mol, besonders bevorzugt 500 bis 1 .500 g/mol, eingesetzt wird.
Wenn im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Silan als Hydrophobierungsmittel eingesetzt wird, so kann dessen chemische Natur gleichfalls in weiten Bereichen variieren. Besonders gute Ergebnisse werden jedoch erhalten, wenn ein Silan der allgemeinen Formel I
mit
n 1 bis 3, insbesondere 1 oder 2, vorzugsweise 1 ;
R C bis C3o-Alkyl und/oder C6- bis C3o-Aryl,
insbesondere C2- bis C2o-Alkyl und/oder C6- bis C20-Aryl, vorzugsweise C3- bis C2o-Alkyl und/oder C6- bis C2o-Aryl, bevorzugt C4- bis Ci5-Alkyl und/oder C6- bis Ci5-Aryl,
besonders bevorzugt C5- bis d2-Alkyl und/oder C6- bis Ci2-Aryl,
ganz besonders bevorzugt C5- bis C12-Alkyl; und
R2 = Halogenid, insbesondere Chlorid, Bromid und/oder lodid,
OX mit X = Wasserstoff, Alkyl, Aryl, Polyether und/oder Carbonsäurederivat, insbesondere Alkyl, vorzugsweise C bis Cs-Alkyl, bevorzugt C2- bis C4-Alkyl;
verwendet wird. Besonders bevorzugt wird es dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung wenn R2 OX, insbesondere Ethoxy, entspricht.
Für den Fall, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Zusammensetzung ein Silikonat als Hydrophobierungsmittel aufweist, so hat es sich bewährt, wenn das Hydrophobierungsmittel ausgewählt ist aus Natriummethylsilikonat, Kaliumme- thylsilikonat, Natriumpropylsilikonat und Kaliumpropylsilikonat und deren Mischungen. Bevorzugt wird in diesem Zusammenhang die Verwendung von Kaliumme- thylsilikonat.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es im Allgemeinen vorgesehen, dass die Zusammensetzung das Hydrophobierungsmittel in Mengen von 0, 01 bis 5 Gew.- %, insbesondere 0,02 bis 2 Gew.-%, vorzugsweise 0,03 bis 1 Gew.-%, insbesondere 0,04 bis 0,5 Gew.-%, bezogen auf die Zusammensetzung, aufweist.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden somit bereits mit sehr geringen Mengen an Hydrophobierungsmittel hervorragende Ergebnisse erzielt.
Darüber hinaus hat es sich bewährt, wenn die Zusammensetzung mindestens ei- nen Schaumstabilisator aufweist. Durch einen Schaumstabilisator kann insbesondere die Größe der einzelnen Schaumblasen eingestellt sowie deren Stabilität verbessert werden. Auf diese Weise wird verhindert, dass der noch nicht gehärtete Schaum wieder in sich zusammenfällt und die Schaumblasen zerstört werden, ehe das Bindemittel aushärtet.
Es hat sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung bewährt, wenn der Schaumstabilisator ausgewählt ist aus Olefinsulfonaten, Olefinsulfaten, Alkylpolyglykosiden, Cellulosederivaten und deren Mischungen. Besonders bevorzugt wird es in diesem Zusammenhang, wenn der Schaumstabilisator ein Olefinsulfat, insbesondere Lau- rylsulfat, ist.
Wenn die Zusammensetzung einen Schaumstabilisator enthält, so werden gute Er- gebnisse erhalten, falls die Zusammensetzung den Schaumstabilisator in Mengen von 0,001 bis 5 Gew.-%, insbesondere 0,001 bis 2 Gew.-%, vorzugsweise 0,002 bis 1 Gew.-%, vorzugsweise 0,003 bis 0,5 Gew.-%, bezogen auf die Zusammensetzung, aufweist. Auch in Bezug auf den Schaumstabilisator reichen somit im Rahmen der vorliegenden Erfindung üblicherweise sehr geringe Mengen aus, um eine ausreichende Stabilisierung der noch nicht ausgehärteten anorganischen Schäume zu erhalten.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es darüber hinaus üblicherweise vorge- sehen, dass die Zusammensetzung mindestens ein Schäumungsmittel enthält.
Ein Schäumungsmittel erzeugt üblicherweise durch chemische Reaktion Gasblasen, wodurch in dem Schaum Schaumblasen entstehen. Alternativ kann es jedoch auch vorgesehen sein, dass der Schaum durch Einleitung eines Gases, insbeson- dere eines inerten Gases, wie beispielsweise Argon oder Stickstoff in die Zusammensetzung erfolgt, d.h. ohne Einsatz eines Schäumungsmittels.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es jedoch bevorzugt, wenn ein Schäumungsmittel eingesetzt wird, da insbesondere durch eine gleichmäßige Verteilung des Schäumungsmittels in der Zusammensetzung eine besonders homogene Schaumbildung erzielt werden kann.
Wenn die Zusammensetzung ein Schäumungsmittel enthält, so werden besonders gute Ergebnisse erhalten, wenn das Schäumungsmittel ausgewählt ist aus Was- serstoffperoxid, insbesondere 30%-iger wässriger Wasserstoffperoxidlösung, Per- carbonaten, Perboraten und Metallen, insbesondere Eisen, Zink und Aluminium sowie deren Mischungen. Insbesondere vorgenannte Metalle werden bei den üblicherweise in der Zusammensetzung vorliegenden hohen pH-Werten unter Wasserstoffbildung oxidiert.
In diesem Zusammenhang wird es bevorzugt, wenn die Metalle, insbesondere Eisen, Zink und/oder Aluminium in Form feiner Pulver vorliegen. Wenn die Zusammensetzung ein Schäumungsmittel enthält, so hat es sich bewährt, wenn die Zusammensetzung das Schäumungsmittel in Mengen von 0,1 bis 20 Gew.-%, insbesondere 0,5 bis 10 Gew.-%, vorzugsweise 1 bis 8 Gew.-%, bevorzugt 2 bis 5 Gew.-%, bezogen auf die Zusammensetzung, enthält.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält die Zusammensetzung
(A) mindestens ein silikathaltiges Material in Mengen von 10 bis 70 Gew.-%,
(B) mindestens einen alkalischen Aktivator in Mengen von 0, 1 bis 35 Gew.-%,
(C) Fasern in Mengen von 0,1 bis 20 Gew.-%,
(D) ein Löse- oder Dispersionsmittel in Mengen von 10 bis 90 Gew.-%,
(E) mindestens ein Tensid in Mengen von 0,01 bis 15 Gew.-%,
(F) mindestens ein Hydrophobierungsmittel in Mengen von 0,01 bis
5 Gew.-%,
(G) mindestens einen Schaumstabilisator in Mengen von 0,001 bis 5 Gew.-% und
(H) mindestens ein Schäumungsmittel in Mengen von 0,1 bis 20 Gew.-%, jeweils bezogen auf die Zusammensetzung, enthält.
Auf die zuvor genannte besonders bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung lassen sich sämtliche Merkmale, Vorteile und Aspekte der zuvor genann- ten bevorzugten Ausführungsformen gleichermaßen anwenden.
Im Rahmen dieser besonderen und bevorzugten Ausführungsform wird es darüber hinaus gleichfalls bevorzugt, wenn das silikathaltige Material mindestens ein Alumosilikat enthält, insbesondere auf Basis von Perlit, insbesondere geblähtem Perlit, ausgebildet ist. Darüber hinaus kann es gleichfalls vorgesehen sein, dass das geblähte Perlit hydrophobiert ist und/oder in Kombination mit einem Aerogel vorliegt, wobei es besonders bevorzugt wird, wenn das Aerogel in den Poren des geblähten Perlits vorliegt. Insbesondere wird es auch gemäß dieser Ausführungsform besonders bevorzugt, wenn das Aerogel in den Poren des geblähten Perlits vorliegt und sowohl das Aerogel als auch der Perlit hydrophobiert sind. Es zeigen die Figurendarstellungen gemäß
Fig. 1 eine Seitenansicht einer Platte eines aus der erfindungsgemäßen Zusammensetzung hergestellten Geopolymerschaums und
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer Platte eines mit einer erfindungsgemäßen Zusammensetzung hergestellten Geopolymerschaums.
Weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung - gemäß einem z w e i t e n As- pekt der vorliegenden Erfindung - ist die Verwendung der zuvor beschriebenen Zusammensetzung zur Herstellung eines anorganischen Schaums, insbesondere Geopolymerschaumes.
Für Einzelheiten zu der erfindungsgemäßen Verwendung kann auf die obigen Aus- führungen zu der erfindungsgemäßen Zusammensetzung verwiesen werden, welche in Bezug auf die erfindungsgemäße Verwendung entsprechend gelten.
Wiederum weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung - gemäß einem d r i t t e n Aspekt der vorliegenden Erfindung - ist die Verwendung einer zuvor beschriebenen Zusammensetzung zur Herstellung eines Formkörpers aus einem anorganischen Schaum, insbesondere einem Geopolymerschaum.
Für weitergehende Einzelheiten zu der erfindungsgemäßen Verwendung kann auf die obigen Ausführungen zu den übrigen Erfindungsaspekten verwiesen werden, welche in Bezug auf die erfindungsgemäße Verwendung entsprechend gelten.
Weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung - gemäß einem v i e r t e n Aspekt der vorliegenden Erfindung - ist ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers aus einem anorganischen Schaum, insbesondere einem Geopolymerschaum, wobei
(a) in einem ersten Verfahrensschritt eine Zusammensetzung zur Herstellung eines Geopolymers hergestellt wird und
(b) in einem auf den ersten Verfahrensschritt (a) folgenden zweiten Verfahrensschritt die in Verfahrensschritt (a) hergestellte Zusammensetzung in eine Form überführt und geschäumt wird. Besonders gute Ergebnisse werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung erhalten, wenn zur Herstellung des anorganischen Schaums die zuvor beschriebene erfindungsgemäße Zusammensetzung hergestellt wird. Insbesondere wird es in diesem Zusammenhang bevorzugt, wenn in einer ersten Verfahrensstufe (i) des ersten Verfahrensschritts (a)
(I) mindestens ein silikathaltiges Material, insbesondere in Mengen von 10 bis 70 Gew.-%,
(II) mindestens ein alkalischer Aktivator in Mengen von 0,1 bis 35 Gew.-%,
(II I) Fasern in Mengen von 01 , bis 20 Gew.-% und
(IV) ein Löse- oder Dispersionsmittel, insbesondere in Mengen von 10 bis 90 Gew.-% sowie
(V) gegebenenfalls mindestens ein Tensid, insbesondere in Mengen von 0,01 bis 15 Gew.-%,
(VI) gegebenenfalls mindestens ein Hydrophobierungsmittel, insbesondere in Mengen von 0,01 bis 5 Gew.-%, und
(VII) gegebenenfalls mindestens ein Schaumstabilisator, insbesondere in Mengen von 0,001 bis 5 Gew.-%,
jeweils bezogen auf die Zusammensetzung,
gemischt werden.
Besonders gute Ergebnisse werden in diesem Zusammenhang erhalten, wenn die zuvor genannten Komponenten im der ersten Verfahrensstufe (i) des ersten Verfahrensschritts (a) bei Umgebungstemperatur, insbesondere bei Raumtemperatur, vorzugsweise im Temperaturbereich von 15 bis 25 °C, gemischt werden.
Besonders bewährt hat es sich hierbei, wenn in der ersten Verfahrensstufe (i) des ersten Verfahrensschrittes (a) die einzelnen Komponenten zu einer homogenen Paste verarbeitet werden, insbesondere mit Hilfe eines Kneters. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es wichtig und vorteilhaft, wenn die einzelnen Komponenten möglichst gleichmäßig miteinander vermischt werden, um eine möglichst homogenen anorganischen Schaum zu erhalten. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nach dem Mischen der einzelnen Komponenten in der ersten Verfahrensstufe des ersten Verfahrensschritts (a), insbesondere nach Herstellung der Paste, in einer zweiten Verfahrensstufe (ii) des ersten Verfahrensschritts (a) die Mischung mit einem Schäumungsmittel versetzt. Besonders gute Ergebnisse werden dabei erhalten, wenn das Schäumungsmittel in Mengen von 0,1 bis 20 Gew.-%, insbesondere 0,5 bis 10 Gew.-%, vorzugsweise 1 bis 8 Gew.-%, bevorzugt 2 bis 5 Gew.-%, bezogen auf die Mischung, eingesetzt wird. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es üblicherweise vorgesehen, dass die Zusammensetzung im zweiten Verfahrensschritt (b) unter Einwirkung des Schäu- mungsmittels für einen Zeitraum von 10 Minuten bis 5 Stunden, insbesondere 30 Minuten bis 3 Stunden, vorzugsweise 1 bis 2 Stunden, geschäumt wird bzw. schäumen gelassen wird.
Was nun die Temperatur anbelangt, bei welcher der zweite Verfahrensschritt (b) durchgeführt wird, so hat es sich bewährt, wenn die Zusammensetzung im zweiten Verfahrensschritt (b) bei Temperaturen im Bereich von 20 bis 60 °C, insbesondere 25 bis 55 °C, vorzugsweise 30 bis 50 °C, geschäumt wird bzw. schäumen gelassen wird.
Wie zuvor bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Zusammensetzung ausgeführt, kann es im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedoch auch vorgesehen sein, dass die Zusammensetzung nicht mit Hilfe eines Schäumungsmittels geschäumt wird, sondern durch die Einleitung von Gasen, insbesondere von inerten Gasen, wie beispielsweise Stickstoff und/oder Argon. In diesem Fall wird das Aufschäumen üblicherweise bei Umgebungstemperatur insbesondere bei Raumtemperatur, d. h. im Temperaturbereich von 20 bis 25 °C, durchgeführt. Bei Zusatz eines Schäumungsmittels in Verfahrensschritt (a) beginnt die Schaumbildung bereits in Verfahrensschritt (a), die vollständige Ausbildung des Schaumes erfolgt jedoch erst nach Überführung in die Form zur Herstellung des Formkörpers.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann es darüber hinaus vorgesehen sein, dass in einem auf den zweiten Verfahrensschritt (b) folgenden dritten Verfahrensschritt (c) die geschäumte Zusammensetzung ausgehärtet wird. Durch die Aushärtung erfährt der mit der erfindungsgemäßen Zusammensetzung erhältliche anorganische Schaum, insbesondere Geopolymerschaum, seine endgültigen Eigenschaf- ten, insbesondere seine guten Wärmedämmeigenschaften sowie hervorragende mechanischen Festigkeiten.
Besonders gute Ergebnisse werden in diesem Zusammenhang erhalten, wenn die Zusammensetzung für einen Zeitraum von 1 bis 96 Stunden, insbesondere 10 bis 80 Stunden, vorzugsweise 15 bis 70 Stunden, bevorzugt 20 bis 60 Stunden, bevorzugt 24 bis 48 Stunden, ausgehärtet wird.
Was nun die Temperaturen anbelangt, bei welchen die Zusammensetzung ausge- härtet wird, so können diese in weiten Bereichen in Abhängigkeit der jeweiligen Mischungen variieren. Es hat sich jedoch bewährt, wenn die Zusammensetzung bei Temperaturen im Bereich von 40 bis 120 °C, insbesondere 50 bis 100 °C, vorzugsweise 60 bis 90 °C, ausgehärtet wird. Auf diese Weise lässt sich die Aushärtung deutlich beschleunigen, ohne dass der noch nicht vollständig ausgehärtete Schaum zerstört wird.
Was nun den Formkörper anbelangt, insbesondere die Dicke des Formkörpers, welcher mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlich ist, so hat es sich be- währt, wenn der Formkörper eine Platte, insbesondere eine Dämmplatte, ist. In diesem Zusammenhang werden besonders gute Ergebnisse erhalten, wenn die Platte eine Dicke von 0,5 bis 20 cm, insbesondere 1 bis 15 cm, vorzugsweise 1 ,5 bis 12 cm, vorzugsweise 2 bis 10 cm, aufweist. Mit den zuvor genannten Dicken der Platten, insbesondere Dämmplatten, lassen sich hervorragende Wärmedämmmaterialien bereitstellen, welche darüber hinaus exzellente Brandschutzeigenschaften aufweisen. Üblicherweise wird die geschäumte Zusammensetzung in noch flüssigem Zustand in eine Form überführt, insbesondere durch Spritzen oder Gießen.
Für weitergehende Einzelheiten zu dem erfindungsgemäßen Verfahren kann auf die obigen Ausführungen zu den übrigen Erfindungsaspekten verwiesen werden, welche in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren entsprechend gelten. Schließlich ist weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung - gemäß einem f ü n f t e n Aspekt der vorliegenden Erfindung - ein Formkörper, aufweisend einen anorganischen Schaum, insbesondere ein Geopolymerschaum, erhältlich nach dem zuvor beschriebenen Verfahren und/oder aus der zuvor beschriebenen Zusammensetzung.
Üblicherweise weist der Formkörper im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine spezifische Wärmeleitfähigkeit bei 25 °C im Bereich von 0,020 bis 0,045 W/mK, insbesondere 0,022 bis 0,043 W/mK, vorzugsweise 0,024 bis 0,042 W/mK, bevorzugt 0,025 bis 0,040 W/mK, auf. Die mit der erfindungsgemäßen Zusammensetzung der erfindungsgemäßen Verfahren erhältlichen Formkörper weisen somit hervorragende Wärmedämmeigenschaften auf.
Was nun die Dichte, insbesondere die Trockendichte, des erfindungsgemäßen Formkörpers anbelangt, so kann diese naturgemäß in weiten Bereichen variieren. Üblicherweise weist der Formkörper jedoch eine Trockendichte im Bereich von 50 bis 250 g/l, insbesondere 70 bis 220 g/l, vorzugsweise 80 bis 200 g/l, auf. Die erfin- dungsgemäßen Formkörper weist somit eine Dichte auf, welche eine manuelle Verarbeitung und Handhabung auch größerer Platten ermöglicht.
Für weitergehende Einzelheiten zu dem erfindungsgemäßen Formkörper kann zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen auf die obigen Ausführungen zu den übri- gen Erfindungsaspekten verwiesen werden, welche in Bezug auf den erfindungsgemäßen Formkörper entsprechend gelten.
Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen nicht in exemplarischer und nicht beschränkender Weise durch die Ausführungsbeispiele verdeutlicht.
Ausführungsbeispiele:
Nachfolgend wird die Herstellung von Geopolymerschaumen der erfindungsgemäßen Zusammensetzung beschrieben.
1 . Herstellung einer Geopolymerzusammensetzung
Die Komponenten A bis G werden mit Hilfe eines Kneters bei Raumtemperatur für eine halbe Stunde zu einer homogenen Masse verrührt. Anschließend wird das Schäumungsmittel gemäß Komponente H hinzugegeben und nochmals durchgeknetet. Unmittelbar nach Zusage des Schäumungsmittel setzt die Schaumbildung ein. 2. Herstellung eines anorganischen Schaumes
Die in Schritt 1 hergestellte schäumbare Masse wird in offene Behälter mit einer Grundfläche von 20 x 20 cm und einer Höhe von 5 cm gefüllt. Es wird eine Füllhöhe von jeweils 2 cm eingestellt. In den Behältnissen kann die Zusam- mensetzung weiter schäumen. Zur Beschleunigung der Schäumungsreaktion werden die Behältnisse 1 Stunde bei 40 °C in einem Ofen verbracht. Während dieser Zeit bildet sich ein stabiler Schaum und eine erste Vernetzung finden statt.
3. Aushärten des Schaumes
Die mit dem hergestellten anorganischen Schaum gefüllten Behältnisse werden für 36 Stunden bei 90 °C im Ofen getrocknet. Hierbei findet die Endvernetzung statt und es werden formstabile anorganische Schäume erhalten, welche sich problemlos aus den Formen herauslösen können.
Die erhaltenen Schäume sind beispielhaft in den Fig. 1 und 2 dargestellt.
Die aus den Formen isolierten Platten mit einem Abmesser von 20 x 20 x 2 bis 5 cm besitzen Lambdawerte von 28 mW/mK sowie eine Trockenrohdichte von 105 g/l.
Es zeigt Fig. 1 eine Seitenansicht eines zuvor hergestellten anorganischen Schaumes nach Aushärtung und Herauslösen aus der Form. Es ist sehr schön eine Schaumstruktur aus geschlossenzelligen Poren erkennbar.
Fig. 2 zeigt eine perspektivische Darstellung einer anderen Probe, bei welcher der anorganische Schaum während des Ruhenlassens in Verfahrensschritt 2 über den Rand der Form hinausgewachsen ist. Auch hier lässt sich die Porenstruktur des Schaumes gut erkennen.

Claims

Patentansprüche:
Zusammensetzung zur Herstellung eines anorganischen Schaums, insbesondere eines Geopolymerschaums, enthaltend
(a) mindestens ein silikathaltiges Material, insbesondere ein alumosilikat- haltiges Material,
(b) mindestens einen alkalischen Aktivator,
(c) Fasern und
(d) ein Löse- oder Dispersionsmittel.
Zusammensetzung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das sili- kathaltige Material ausgewählt ist aus der Gruppe von Metakaolin, Glimmer, Hochofenschlacke, Hüttensand, Flugasche, Mikrosilika, Trassmehl, Ölschiefer, Basalt, Zeolithen, Silica-Aerogelen, Silica-Hybridaerogelen, Vermiculit, insbesondere geblähtem Vermiculit, Perlit, insbesondere geblähtem Perlit und deren Mischungen, insbesondere Vermiculit, vorzugsweise geblähtem Vermiculit, und Perlit, vorzugsweise geblähtem Perlit, und deren Mischungen.
Zusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das silikathaltige Material Perlit, insbesondere geblähter Perlit, ist.
Zusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das silikathaltige Material eine Mischung aus Vermiculit, insbesondere geblähtem Vermiculit, und/oder Perlit, insbesondere geblähtem Perlit, und einem Aerogel, insbesondere einem Silica-Aerogel und/oder einem Silica- Hybridaerogel, ist.
Zusammensetzung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das silikathaltige Material ein gewichtsbezogenes Verhältnis von Vermiculit, insbesondere geblähtem Vermiculit, und/oder Perlit, insbesondere geblähtem Perlit, zu Aerogel im Bereich von 100 : 1 bis 1 : 20, insbesondere 70 : 1 bis 1 : 15, vorzugsweise 50 : 1 bis 1 : 10, vorzugsweise 10 : 1 bis 1 : 10, aufweist.
6. Zusammensetzung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das silikathaltige Material eine Mischung aus Perlit, insbesondere geblähtem Perlit, und einem Silica-Aerogel und/oder einem Silica-Hybridaerogel, insbesondere einem Silica-Hybridaerogel, ist.
7. Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren des Vermiculits, insbesondere des geblähten Ver- miculits, und/oder des Perlits, insbesondere des geblähten Perlits, ein Aero- gel aufweisen.
8. Zusammensetzung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das silikathaltige Material hydrophobiert ist.
9. Zusammensetzung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Zusammensetzung das silikathaltige Material in Mengen von 10 bis 70 Gew.-%, insbesondere 15 bis 60 Gew.-%, vorzugsweise 20 bis 50 Gew.-%, bezogen auf die Zusammensetzung, enthält.
10. Zusammensetzung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass der alkalische Aktivator ausgewählt ist aus anorganischen
Hydroxiden, Alkalimetallsilikaten und deren Mischungen.
1 1 . Zusammensetzung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das anorganische Hydroxid ausgewählt ist aus Lithiumhydroxid, Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid, Magnesiumhydroxid und Calciumhydroxid sowie deren Mischungen, insbesondere Natriumhydroxid.
12. Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 10 oder 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Alkalimetallsilikat ausgewählt ist aus Lithiumsilikat, Natri- umsilikat und/oder Kaliumsilikat, insbesondere Lithiumsilikat und/oder Kaliumsilikat, insbesondere wobei das Alkalimetallsilikat in Form einer wässrigen Lösung vorliegt, vorzugsweise Lithiumwasserglas, Natriumwasserglas und/oder Kaliumwasserglas, bevorzugt Lithiumwasserglas und/oder Kaliumwasserglas, ist.
13. Zusammensetzung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die wässrige Lösung des Alkalimetallsilikates das Alkalimetallsilikat in Mengen von 10 bis 50 Gew.-%, insbesondere 15 bis 40 Gew.-%, insbesondere 20 bis 30 Gew.-%, bezogen auf die Lösung des Alkalimetallsilikats, enthält.
14. Zusammensetzung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der alkalische Aktivator ein gewichtsbezogenes Verhältnis von anorganischem Hydroxid zu wässriger Lösung eines Alkalimetallsilikates in Mengen von 10 : 1 bis 1 : 10, insbesondere 5 : 1 bis 1 : 5, vorzugsweise 2 : 1 bis 1 : 2, bevorzugt 1 : 1 , aufweist. 15. Zusammensetzung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung den alkalischen Aktivator in Mengen von 0,1 bis 35 Gew.-%, insbesondere 0,5 bis 30 Gew.-%, vorzugsweise 1 bis 28 Gew.-%, bevorzugt 1 bis 25 Gew.-%, bezogen auf die Zusammensetzung, enthält.
16. Zusammensetzung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern anorganische, insbesondere anorganische mineralische Fasern, sind. 17. Zusammensetzung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern ausgewählt sind aus Calciumsilikatfasern, Glasfasern, Wollastonitfasern, Kohlenstofffasern, Kohlenstoffnanoröhren und deren Mischungen, vorzugsweise Calciumsilikatfasern. 18. Zusammensetzung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung die Fasern in Mengen von 0,1 bis 20 Gew.-%, insbesondere 0,2 bis 15 Gew.-%, insbesondere 0,5 bis 12 Gew.- %, bevorzugt 1 bis 10 Gew.-%, bezogen auf die Zusammensetzung, aufweist. 19. Zusammensetzung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Löse- oder Dispersionsmittel ein wasserhaltiges Löse- bzw. Dispersionsmittel ist, insbesondere Wasser oder eine Mischung von Wasser und einem organischen Lösemittel ist, vorzugsweise Wasser ist. 20. Zusammensetzung nach Anspruch 1 9, dadurch gekennzeichnet, dass das organische Lösungsmittel ausgewählt ist aus Alkoholen, insbesondere Methanol, Ethanol und/ oder Isopropanol, Aceton, Dimethylformamid, Essigsäu- reethylester und deren Mischungen.
21 . Zusammensetzung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das organische Lösungsmittel ausgewählt ist aus Methanol, Ethanol, Isopropanol, sowie deren Mischungen.
22. Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 19 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass das Löse- oder Dispersionsmittel Wasser und organisches Lösemittel in einem gewichtsbezogenen Verhältnis von Wasser zu organischem Lösemittel im Bereich von 20 : 1 bis 1 : 1 , insbesondere von 18 : 1 bis 5 : 1 , vorzugsweise 15 : 1 bis 10 : 1 , enthält.
23. Zusammensetzung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung das Löse- oder Dispersionsmittel in Mengen von 10 bis 90 Gew.-%, insbesondere 20 bis 85 Gew.-%, vor- zugsweise 30 bis 80 Gew.-%, bevorzugt 35 bis 75 Gew.-%, bezogen auf die
Zusammensetzung, enthält.
24. Zusammensetzung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung mindestens einen Füllstoff enthält, insbesondere wobei der Füllstoff ausgewählt ist aus Mikrohohlkugeln, Blähglas, Magnesiumoxid, Titandioxid, Quarzmehl, anorganischen Pigmenten und deren Mischungen.
25. Zusammensetzung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung den Füllstoff in Mengen von 1 bis 40 Gew.-%, insbesondere 1 bis 30 Gew.-%, vorzugsweise 5 bis 25 Gew.-%, bevorzugt 10 bis 20 Gew.-%, bezogen auf die Zusammensetzung, enthält.
26. Zusammensetzung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Zusammensetzung mindestens ein Additiv enthält, insbesondere wobei das Additiv ausgewählt ist aus Beschleunigern, Verzögerern, Komplexbildnern und deren Mischungen.
27. Zusammensetzung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung das Additiv in Mengen von 0,01 bis 5 Gew.-%, insbesondere 0,05 bis 2 Gew.-%, vorzugsweise 0,1 bis 2 Gew.-%, bezogen auf die Zusammensetzung, enthält.
28. Zusammensetzung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung mindestens ein Tensid enthält.
29. Zusammensetzung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass das Tensid ausgewählt ist aus nichtionischen Tensiden, anionischen Tensiden, kationischen Tensiden, amphoteren Tensiden und deren Mischungen, vorzugsweise anionischen Tensiden, amphoteren Tensiden und deren Mischungen. 30. Zusammensetzung nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Tensid ausgewählt ist aus mehrfachen Alkoholen oder Carboxylaten sowie deren Mischungen.
31 . Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 28 bis 30, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Zusammensetzung das Tensid in Mengen von 0,01 bis
15 Gew.-%, insbesondere 0,1 bis 15 Gew.-%, vorzugsweise 0,2 bis 10 Gew.-%, bevorzugt 0,4 bis 8 Gew.-%, bezogen auf die Zusammensetzung, enthält. 32. Zusammensetzung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung mindestens ein Hydrophobierungsmittel aufweist.
33. Zusammensetzung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass das Hydrophobierungsmittel ausgewählt ist aus Silanen, Siloxanen und Silikona- ten sowie deren Mischungen, insbesondere Silanen und Siloxanen sowie deren Mischungen.
34. Zusammensetzung nach Anspruch 32 oder 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung das Hydrophobierungsmittel in Mengen von
0, 01 bis 5 Gew.-%, insbesondere 0,02 bis 2 Gew.-%, vorzugsweise 0,03 bis 1 Gew.-%, insbesondere 0,04 bis 0,5 Gew.-%, bezogen auf die Zusammensetzung, aufweist. 35. Zusammensetzung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung mindestens einen Schaumstabilisator aufweist.
36. Zusammensetzung nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaumstabilisator ausgewählt ist aus Olefinsulfonaten, Olefinsulfaten, Alkyl- polyglykosiden, Cellulosederivaten und deren Mischungen, insbesondere Olefinsulfaten.
37. Zusammensetzung nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung den Schaumstabilisator in Mengen von 0,001 bis 5 Gew.-%, insbesondere 0,001 bis 5 Gew.-%, vorzugsweise 0,002 bis 1 Gew.-%, vorzugsweise 0,003 bis 0,5 Gew.-%, bezogen auf die Zusammen- setzung, aufweist.
38. Zusammensetzung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung mindestens ein Schäumungsmittel enthält.
39. Zusammensetzung nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, dass das Schäumungsmittel ausgewählt ist aus Wasserstoffperoxid, insbesondere 30%-iger wässriger Wasserstoffperoxidlösung, Percarbonaten, Perboraten und Metallen, insbesondere Eisen, Zink und Aluminium sowie deren Mi- schungen.
40. Zusammensetzung nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalle, insbesondere Eisen, Zink und/oder Aluminium, in Form feiner Pulver vorliegen.
41 . Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 38 bis 40, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung das Schäumungsmittel in Mengen von 0,1 bis 20 Gew.-%, insbesondere 0,5 bis 10 Gew.-%, vorzugsweise 1 bis 8 Gew.-%, bevorzugt 2 bis 5 Gew.-%, bezogen auf die Zusammensetzung, enthält.
42. Zusammensetzung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung
(A) mindestens ein silikathaltiges Material in Mengen von 10 bis
70 Gew.-%,
(B) mindestens einen alkalischen Aktivator in Mengen von 0,1 bis
35 Gew.-%, (C) Fasern in Mengen von 0,1 bis 20 Gew.-%,
(D) ein Löse- oder Dispersionsmittel in Mengen von 10 bis 90 Gew.-%,
(E) mindestens ein Tensid in Mengen von 0,01 bis 15 Gew.-%,
(F) mindestens ein Hydrophobierungsmittel, insbesondere in Mengen von 0,01 bis 5 Gew.-%,
(G) mindestens einen Schaumstabilisator, insbesondere in Mengen von 0,001 bis 5 Gew.-% und
(H) mindestens ein Schäumungsmittel in Mengen von 0,1 bis 20 Gew.-%, jeweils bezogen auf die Zusammensetzung,
enthält. 43. Verwendung einer Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 42 zur Herstellung eines anorganischen Schaums, insbesondere eines Geopo- lymerschaums.
44. Verwendung einer Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 42 zur Herstellung eines Formkörpers aus einem anorganischen Schaum, insbesondere einem Geopolymerschaum.
45. Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers aus einem anorganischen Schaum, insbesondere einem Geopolymerschaum,
dadurch gekennzeichnet,
(a) dass ein einem ersten Verfahrensschritt eine Zusammensetzung zur Herstellung eines Geopolymers hergestellt wird und
(b) in einem auf den ersten Verfahrensschritt (a) folgenden zweiten Verfahrensschritt die in Verfahrensschritt (a) hergestellte Zusammensetzung in eine Form überführt und geschäumt wird. 46. Verfahren nach Anspruch 45, dadurch gekennzeichnet, dass in Verfahrensschritt (a) eine Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 40 hergestellt wird. Verfahren nach Anspruch 46, dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten Verfahrensstufe (i) des ersten Verfahrensschritts (a)
(I) mindestens ein silikathaltiges Material, insbesondere in Mengen von 10 bis 70 Gew.-%,
(II) mindestens ein alkalischer Aktivator, insbesondere in Mengen von 0,1 bis 35 Gew.-%,
(II I) Fasern, insbesondere in Mengen von 01 , bis 20 Gew.-% und
(IV) ein Löse- oder Dispersionsmittel, insbesondere in Mengen von 10 bis 90 Gew.-%, sowie
(V) gegebenenfalls mindestens ein Tensid, insbesondere in Mengen von 0,01 bis 15 Gew.-%,
(VI) gegebenenfalls mindestens ein Hydrophobierungsmittel, insbesondere in Mengen von 0,01 bis 5 Gew.-%, und
(VII) gegebenenfalls mindestens ein Schaumstabilisator, insbesondere in Mengen von 0,001 bis 5 Gew.-%,
jeweils bezogen auf die Zusammensetzung,
gemischt werden.
Verfahren nach Anspruch 47, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Komponenten in der ersten Verfahrensstufe (i) des ersten Verfahrensschritts (a) bei Umgebungstemperatur, insbesondere bei Raumtemperatur, vorzugsweise im Temperaturbereich von 15 bis 25 °C, gemischt werden.
Verfahren nach Anspruch 47 oder 48, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Verfahrensstufe (i) des ersten Verfahrensschritts (a) die einzelnen Komponenten zu einer homogenen Paste verarbeitet werden insbesondere mit Hilfe eines Kneters.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Mischen der einzelnen Komponenten in der ersten Verfahrensstufe (i) des ersten Verfahrensschritts (a), insbesondere nach Herstellung der Paste, die Mischung in einer zweiten Verfahrensstufe (ii) des ersten Verfahrensschritts (a) mit einem Schäumungsmittel versetzt wird, insbesondere in Mengen von 0, 1 bis 20 Gew.-%, insbesondere 0,5 bis 10 Gew.-%, vor- zugsweise 1 bis 8 Gew.-%, bevorzugt 2 bis 5 Gew.-%, bezogen auf die Mischung.
51 . Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, dass die Zusammensetzung im zweiten Verfahrensschritt (b) unter Einwirkung des Schaumungsmittels für einen Zeitraum von 10 Minuten bis 5 Stunden, insbesondere 30 Minuten bis 3 Stunden, vorzugsweise 1 bis 2 Stunden, geschäumt wird. 52. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung im zweiten Verfahrensschritt (b) bei Temperaturen im Bereich von 20 bis 60 °C, insbesondere 25 bis 55 °C, vorzugsweise 30 bis 50 °C, geschäumt wird. 53. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem auf den zweiten Verfahrensschritt (b) folgenden dritten Verfahrensschritt (c) die geschäumte Zusammensetzung ausgehärtet wird.
54. Verfahren nach Anspruch 53, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammen- setzung im dritten Verfahrensschritt (c) für einen Zeitraum von 1 bis 96 Stunden, insbesondere 10 bis 80 Stunden, vorzugsweise 15 bis 70 Stunden, bevorzugt 20 bis 60 Stunden, bevorzugt 24 bis 48 Stunden, ausgehärtet wird.
55. Verfahren nach Anspruch 53, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammen- setzung im dritten Verfahrensschritt (c) bei Temperaturen im Bereich von 40 bis 120 °C, insbesondere 50 bis 100 °C, vorzugsweise 60 bis 90 °C, ausgehärtet wird.
56. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, dass der Formkörper eine Platte ist, insbesondere wobei die Platte eine
Dicke von 0,5 bis 20 cm, insbesondere 1 bis 15 cm, vorzugsweise 1 ,5 bis 12 cm, vorzugsweise 2 bis 10 cm, aufweist.
57. Formkörper, aufweisend einen Geopolymerschaum, erhältlich nach dem Ver- fahren nach einem der Ansprüche 45 bis 56 und/oder aus einer Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 42.
58. Formkörper nach Anspruch 56, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper eine spezifische Wärmeleitfähigkeit bei 25 °C im Bereich von 0,020 bis 0,045 W/mK, insbesondere 0,022 bis 0,043 W/mK, vorzugsweise 24 bis 42 W/mK, bevorzugt 0,025 bis 0,040 W/mK, aufweist.
59. Formkörper nach einem der Ansprüche 56 oder 57, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper eine Trockendichte im Bereich von 50 bis 250 g/l, insbesondere 70 bis 220 g/l, vorzugsweise 80 bis 200 g/l, aufweist.
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