Verfahren zur Herstellung von überwiegend anorganischen Schäumen auf ortsfesten Anlagen und dafür benötigte Anlagen
Stand der Technik
Die Herstellung von anorganischen Schäumen auf Phosphatbasis ist in AT-B-400 830 beschrieben. Die Fertigung der geschäumten Massen geschieht durch das Mischen von zwei überwiegend anorganischen wäßrigen Komponenten, welche unter Gasentwicklung mit einstellbaren Topf zeiten reagieren und aushärten und so ein festes Schaumgerüst bilden. Während anorganische Schäume als Porenbeton oder als Gipsschaum in großen Mengen hergestellt werden, ist die großtechnische Produktionen von solchen Schäumen auf Phosphatbasis bislang nicht bekannt. Für Anwendungen zu Brandschutzzwecken und als Isoliermaterial, beispielsweise als Dämmstoff zur Wärmedämmung, Kälteisolierung oder für Hochtemperatureinsätze werden jedoch große Mengen geschäumter Plattenmaterialien und Formteile gebraucht, die entsprechende Anlagen benötigen und die bevorzugt kontinuierlich und wenn möglich vollautomatisch herstellbar sein sollen.
Aus der deutschen Patentanmeldung DE-A-31 43 298 ist ein Verfahren zur Herstellung eines anorganischen Schaumstoffes mit Hilfe einer Monoaluminiumphosphat enthaltenden Lösung, einem tertiären Metallphosphat und einem Blähmittel bekannt, wobei das Zusammenmischen der Komponenten in einem Reaktionsgefäß erfolgt und das aufschäumende Gemisch anschließend in eine Form gefüllt wird. Ein derartiger Prozeß ist nur mit einem langsam reagierenden Einkomponentensystem möglich. Rasch reagierende Komponenten reagieren und schäumen bereits innerhalb der Mischeinrichtung derart stark, daß ein ordnungsgemäßer Austrag der Mischung beispielsweise in eine Form nicht möglich wäre.
Desweiteren ist aus der EP-A-54874 ein Verfahren zur Herstellung eines phosphathaltigen anorganischen Schaumstoffes aus Zement, Phosphorsäure und einem Blähmittel bekannt. Hierbei wird aus Portlandzement und einem im sauren Milieu wirksamen Blähmittel durch intensives Vermischen eine Mischung mit einem vorgegebenen Äquivalentverhältnis hergestellt und das aufschäumende Gemisch wird in eine Form gefüllt, damit es nach Abklingen der exothermen Re- -aktion unter Hitzeeinwirkung aushärtet. Auch hier handelt es sich um ein langsames Einkompo-
nentensystem, bei welchem die Mischung in einem geeigneten Reaktionsbehälter hergestdlt wird. Nach einem derartigen Verfahren können aus schnellreagierenden Komponenten beorzugt plattenförmige Formkörper nicht ohne weiteres hergestellt werden.
Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, technische Verfahren zur Herstellung großen Mengen an Platten und Formteilen, bevorzugt kontinuierlich hergestellt, aus anorganischen Leichtmaterialien mit Dichten im Bereich von 0,04 g/cm3 bis 0,95 g/cm3 und die dafür benötigten bevorzugt ortsfesten Vorrichtungen oder Anlagen zu beschreiben.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt für das Verfahren gemäß den im Patentanspruch 1 und für die Vorrichtung gemäß den im Patentanspruch 19 angegebenen Merkmalen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine zumindest überwiegend anorganische geschäumte Masse durch rasch Vermischung einer ersten Komponente (A) und einer zweiten Komponente (B) hergestellt werden. Die erste Komponente (A) enthält eine saure wäßrige Lösung von überwiegend mehrwertigen, bevorzugt zwei oder dreiwertigen Kationen und Phosphorsäure zur Bildung eines Phosphates, wobei jeweils im Mittel 0,8 bis 1,75 Protonen der dreibasigen Phosphorsäuremoleküle durch die Kationen neutralisiert sind, in welcher Lösung ein oder mehrere Arten eines körnigen, plättchen- oder pulverförmigen Füllstoffes fein verteilt sind, wobei eine Raumtemperatur-Viskosität im Bereich von 2000 mPa.s bis 80000 mPa.s, bevorzugt aber im Bereich von 6 500 mPa.s bis 60000 mPa.s, vorteilhaft durch Wahl von Art, Konsistenz und/ oder Menge des Füllstoffes und/oder ihres Wassergehaltes eingestellt wird. Die zweite Komponente (B) enthält ein Oxid, Hydroxid oder ein mehrwertiges Salz einer schwachen Säure als Härter und weiers ein gegebenenfalls teilweise auch als Härter wirkendes Treibmittel, wie ein Carbonat, das unter Härtungsbedingungen ein Gas, bevorzugt CO2, entwickelt, wobei die Komponente (B) bevorzugt angeteigt oder als wässrige Suspension vorliegt und wobei, vorteilhaft durch Wahl von Art, Konsistenz und/oder Menge des Treibmittels die Dauer des Gasentwicklungsprozesses (Steigzeit) im Bereich von 3 s bis 10 min, bevorzugt aber im Bereich von 5 s bis 5 min, und der längerdauernde Abbindeprozeß (Abbindezeit), vorteilhaft durch Wahl von Art, Kon-sistenz und/oder Menge der härtenden Substanzen im Bereich von 10 s bis 60 min, bevor- ■ zugt aber im Bereich von 20 s bis 10 min, eingestellt wird. Nach dem Einbringen der Mischung
aus den Komponenten (A) und (B) in einen Raum oder auf eine Unterlage findet das Schäumen und Abbinden der gemischten Masse statt.
Mobile Herstellverfahren und Anlagen sind in der gleichzeitig eingereichten Patentanmeldung "Verfahren zur mobilen Herstellung von überwiegende anorganischen Schäumen und entsprechende mobile Geräte" beschrieben.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert, in welcher die prinzipiellen Bauelemente einer derartigen bevorzugt kontinuierlichen Produktionsanlage dargestellt sind. Figur 1 zeigt eine kontinuierliche Anlage, welche ein oder mehrerere umlaufende Bänder aufweist, während Figur 2 den Teil einer Anlage zeigt, in welcher die Bänder durch unterteilte, aneinander anschließende Unterlagen und Abdeckungen ersetzt sind. Figur 3 zeigt den Teil einer Anlage für die chargenweise Befüllung von Formen. Derartige Anlagen gestatten somit auch eine diskontinuierliche Fahrweise und Formteilproduktion.
Diese Schäume werden aus mindestens zwei Komponenten durch intensives Mischen hergestellt, wobei die Aushärtung und Verfestigung des Schaumgerüstes innerhalb von 10 s bis 60 min, in vorteilhafter Weise zwischen 10 s und 10 min, bevorzugt zwischen 20 s und 5 min erfolgt.
Aus den Lagerbehältern (1), welche für die festen und flüssigen Rohmaterialien vorgesehen sind, wird in einer Verfahrensalternative kontinuierlich Material durch Dosiereinrichtungen, wie beispielsweise Pumpen, Schnecken (2), entnommen und einer kontinuierlich arbeitenden Rohstoffmischeinrichtung (3) zur Herstellung der Komponenten zugeführt. In dieser kontinuierlichen Rohstoffmischeinrichtung (3) erfolgt eine intensive Homogenisierung der Rohstoffe zu einer flüssigen dosierbaren Komponente. In einer zweiten Verfahrensalternative geschieht die Komponentenherstellung diskontinuierlich in zwei oder mehreren Mischbehältern (5), in welche die vorgesehenen Rohstoffmengen ebenfalls mit Hilfe von Rohstoffdosiervorrichtungen (4), beispielsweise Waagen, Pumpen, etc. eingebracht werden und eine Homogenisierung in dem Mischbehälter (5), beispielsweise mit Hilfe von Dispergierscheiben, erfolgt. Da es günstig ist den Wassergehalt so niedrig als möglich zu halten, um spätere Trocknungenergie zu sparen, sind die Viskositäten der Komponenten so hoch als möglich einzustellen. Man bewegt sich hier in einem Rahmen von 2 000 bis 80 000 mPa.s, bevorzugt 6 500 bis 30 000 mPa.s.
Die beiden Komponenten A und B werden mit Hilfe von Komponentendosiereinrichtungen (6) zur Komponentenmischvorrichtung (7) gefördert, in welcher die beiden Komponenten rasch homogen gemischt werden. Da eine genaue Einhaltung der Mengenströme wichtig ist, können als
Dosiereinrichtungen, wie in der gleichzeitig eingereichten Patentanmeldung "Verfahren zur mobilen Herstellung von überwiegend anorganischen Schäumen und entsprechende mobile Geräte" beschrieben, beispielsweise Auspreßbehälter Verwendung finden, in welchen mit Hilfe von schwimmenden Kolben, die durch ein Druckmedium bewegt werden oder mechanisch gesteuerte Kolben, die in großen Zeiträumen kontinuierliche Auspressung der Komponenten erfolgt, sodaß eine ausreichende konstante Förderung der Komponenten zur Komponentenmischvorrichtung (7) gewährleistet ist. Gegebenenfalls sind Pumpen zur Förderung der Komponenten in bevorzugter Weise in Verbindung mit Steuerungsgeräten zur Regelung des Mengenflusses unter Berücksichtigung (Konstanthaltung) der Faktoren die die Pumpenförderung beeinflussen können, beispielsweise durch Temperaturänderungen bedingte Viskositätsschwankungen oder schwankenden Gegendruck in der Förderleitung und Mischkammer, eine weitere Möglichkeit. Anschließend an die Vorrichtungen, welche eine konstante Förderung der Komponenten gewährleisten, können eine oder beide Komponenten durch Vorwärmeinrichtungen vorgewärmt werden, um eine Viskositätserniedrigung und Reaktionsbeschleunigung bei der Schaumverfestigung zu erzielen.
Die Komponentenmischvorrichtung (7) kann ein statischer Mischer sein oder eine Kammer, in welche beide Komponenten eingeleitet werden und in welcher sich ein rasch drehendes Mischwerkzeug befindet. Eine oder mehrere Komponentenmischvorrichtungen (7) können vorgesehen sein. Sie können entweder feststehend oder oszillierend über die Bandbreite angeordnet sein, sodaß eine gleichmäßige Aufteilung der Komponentenmischung über die Breite der Auftragsfläche erzeilt wird. Es ist weiters vorteilhaft für die Komponentenmischvorrichtungen (7) rasche Wechseleinrichtungen und Reinigungsmöglichkeiten vorzusehen, um einen störungsfreien Betrieb zu gewährleisten. Dies kann etwa dadurch vorgesehen werden, daß sich mehrere Komponentenmischvorrichtungen (7) auf einem Revolver befinden und die verschmutzten Komponentenmischvorrichtungen (7) rasch durch Einleiten von Druckwasser und Ausblasen mit Preßluft gereinigt werden können.
Für Formteile mit Füllmengen im Bereich von 5 kg, 10 kg oder maximal 20 kg, welche durch intensives Mischen in kurzen Zeiten, unter 5 bis maximal 10 Sekunden homogenisiert werden können, ist es möglich beide Komponenten kurz in einen entsprechenden Behälter einzutragen (21), sofort zu homogenisieren und die Mischung gleich in die Form, beispielsweise durch Kippen des Behälters, einzubringen. Eine derartige Anlage ist in Figur 3 dargestellt.
Der Auftrag der aus beiden Komponenten gemischten Masse, welche innerhalb von Sekunden zu schäumen beginnt, erfolgt auf eine Unterlage (9a, 9b) oder in eine Form (9c). Diese Unterlage kann als Band (9a) oder als begrenzte unterteilte Flächen (9b) ausgeführt sein. Derartige begrenzte Unterlagsflächen (9b) können auf Rädern fahrbar, zum Beispiel als Wageneinheiten oder als auf Rollen bewegbaren Platten ausgeführt sein, welche in einem Kreislauf wieder zum Produktauftrag zurückgeführt werden (17). Die Unterlagsfläche kann eine geschlossene Fläche oder perforiert oder in anderer Form wasserdampfdurchlässig sein, sodaß auch durch die Unterlagsfläche während des Trocknungsprozesses eine Wasserdampfabgabe erfolgen kann. Man hat jedoch zu beachten, daß im Prozeß des Komponentenmischungsauftrages auf die Unterlagsfläche (9a, 9b) eine für den Schaum undurchlässige Schicht oder Anordnung ausgewählt wird. Analog wird mit zu füllenden Formen verfahren (Fig. lc). Nach dem Füllen der Formen (9c) durch die im Mischbehälter (21) hergestellte Masse wird nach einer Schäum- und Aushärtezone (22) der Masse entformt (23). Die Formen gehen zur Füllstation im Kreislauf zurück und können dabei einem Reinigungsprozeß unterworfen werden. Die Formteile durchlaufen einen Trocknungsofen (13) und werden anschließend gestapelt (16).
Es ist weiters möglich bei diesem Prozeß Verstärkungsmaterialien, wie Netze und/oder Vliese auf einer Seite oder beidseitig, mitlaufen zu lassen oder etwa zusätzliche Fasermaterialien auf die Unterlage oder auf den aufgehenden Schaum zu streuen. Es ist jedoch wichtig hier Materiahen zu verwenden, welche entweder vollständig oder zumindest teilweise in den Schaum eingebaut werden.
Erfolgt der Auftrag auf einer wasserdampfundurchlässigen Unterlage, etwa in Form eines Bandes, so kann es vorteilhaft sein, eine Übergabe des Schaumes von diesem Band auf eine für einen anschließenden Trocknungsprozeß günstigere Unterlagsfläche durchzuführen.
Um einen bevorzugt plattenförmigen Formteil mit definierten Oberflächen herzustellen, ist es notwendig Abdeckvorrichtungen (10a, 10b) vorzusehen. Diese Abdeckvorrichtung kann als kontinuierlich mitlaufendes Band (10a) oder in Form begrenzter aneinander anschließender Flächen (10b) ausgebildet werden.
Beide Flächen, Unterlagsfläche (9a, 9b) und Abdeckfläche (10a, 10b), definieren im Zusammenhang mit mitlaufenden Seitenbegrenzungsvorrichtungen (10c), welche auf dem Leichtmaterial beispielsweise, wie im Falle von Papierstreifen, auch während des Trocknungsprozesses kleben bleiben können, den Querschnitt des Formkörpers. Es ist dadurch möglich zusätzlich zur Treibmittelmenge, welche die Materialdichte bestimmt, auch die Dichte durch die auf die Unterlage
pro Zeiteinheit aufgetragene Materialmenge in Zusammenhang mit der Unterlagsgeschwindigkeit bei gegebenen Formteilquerschnitt zu beeinflussen.
Das Aufgehen und Verfestigen des Schaumes erfolgt zwischen Unterlage (9a, 9b) und Abdek- keinrichtung (10a, 10b) in einer Kalibrierzone (11), anschließend an diese Zone kann es vorteilhaft sein eine weitere Aushärte- und Verfestigungszone (12) anzuschließen, in welcher das Leichtmaterial durch ein Halten auf erhöhter Temperatur von 40 °C bis 90 °C, bevorzugt 60 °C bis 80 °C, sich weiter verfestigt.
Anschließend an diese Zone ist es möglich, entweder wieder neues schäumendes Material aufzutragen und Formteile mit sehr hohen Dicken herzustellen, oder in einen Trocknungskanal (13) einzufahren. Hier ist es vorteilhaft die Abdeckvorrichtung (10a, 10b) bereits nach der Verfestigung des Schaumes entweder von der Formteiloberfläche abzuziehen oder wenn dadurch die Trocknung nur gering beeinflußt wird, weiter auf der Formteiloberfläche zu belassen, um ein Verwerfen des geschäumten Formteiles während des Trocknungsprozesses zu vermeiden. Die Abdeck- (10a, 10b) und Trägervorrichtungen (9a, 9b) müssen dampfdurchlässig sein oder zumindest eine Trocknung von einer Seite ermöglichen und dürfen durch den Trocknungsprozeß, der beispielsweise mit Hilfe von Microwellenenergie erfolgen kann, nicht angegriffen werden. Zur Vermeidung von Randrissen durch den Trocknungsprozeß der Seitenflächen ist es günstig Randstreifen, beispielsweise Papierstreifen welche kleben bleiben und eine starke Randtrocknung verhindern, zu verwenden.
Die Trocknungskanäle (13) müssen einen geregelten Ausdampfprozess ermöglichen, der eine Zerstörung des Leichtmateriales durch zu hohen Dampfdruck verhindert. Dieser Prozeß kann kontinuierlich in einer Stufe erfolgen, es kann aber auch in vorteilhafter Weise nützlich sein, zwischen einzelnen Erwärmprozessen dem Leichtmaterial genügend Zeit für ein entsprechendes Ausdampfen in Zwischenstationen (14) zu geben, um ein Zerplatzen des Schaumes zu verhindern. Die Energieeinbringung zur Erwärmung kann insbesondere in den ersten Trocknungsphasen bevorzugt durch Microwellenenergie oder Hochfrequenzenergie erfolgen, wobei anschließend Heißluft oder Strahlungsenergie zur weiteren Temperaturerhöhung in einen Bereich von 150 bis 300 °C verwendet werden kann.
Die Trocknungsprozesse erfolgen daher bevorzugt in Stufen (13,14,13), wobei die erste Stufe eine Entfernung des freien Wassers aus den Platten ist, während in einer zweiten Stufe wenn nötig eine weitere thermische Aushärtung und Abbindung erfolg. Die Abdeckvorrichtung kann nach
-einer gewissen Trocknung des Formteils, etwa nachdem 20%, bevorzugt 15% oder 10% Wasser-
gehalt unterschritten wurden, abgezogen werden, sodaß es durch den weiteren Trocknungsp?o- zeß zu keiner anschließenden Verformung des Formteils mehr kommt.
Nach entsprechender Trocknung und Verfestigung des Formteils kann eine Besäumung und ein Zuschneideprozeß (15) in bestimmte Formate erfolgen, an welchen sich eine Abstapelung (16) der Formteile anschließt.
Es ist aber auch möglich, vor allem bei der Herstellung von Platten oder anderen speziellen Formteilen, deren Oberfläche vor und nach deren Trocknung zu beschichten, zu lackieren, mechanisch durch nachträgliche formgebende Maßnahmen, beispielsweise durch Fräsen, oder in irgend einer anderen Art und Weise zu verändern. Dadurch können in einem Arbeitsgang vor allem die physikalischen und dekorativen Eigenschaften der Formkörper weiter verändert werden. Es kann vorteilhaft sein, im Falle daß Beschichtungen aufgebracht wurden, diese einem eigenen Trocknungsprozeß zu unterwerfen und entsprechende online-Anlagen dafür vorzusehen.
In bevorzugter Art und Weise werden Platten der Dicke 5 mm bis 50 mm bevorzugt 30 mm mit den Dichten zwischen 0,2 g/cm3 und 0,7 g/cm3 oder Leichtmaterialien der Dicke 50 mm bis 250 mm der Dichte 0,04 g/cm3 bis 0,20 g/cm3 hergestellt.
Kontinuierliche Anlagen zur Herstellung anorganischen Plattenmaterials sind von der Gipsplattenherstellung bekannt. Jedoch wird dort in der Regel ein Gipsbrei mit einem vorgefertigten Ten- sidschaum zu einer entsprechenden Gipsmasse verrührt, welche dann durch geeignete Vorrichtungen in entsprechender Dicke auf ein Trägerband in den meisten Fällen auf eine Papierbahn aufgestrichen wird, wobei dann im Vergleich zu dem hier beschriebenen Verfahren ein relativ langsamer Abbindeprozeß eintritt. Eine Vorrichtung, welche eine rasche intensive maximal einige Sekunden dauernde Durchmischung von zwei oder mehr Komponenten direkt über der Unterlagsfläche durchführt, ist bei Gipsschäumen und Gipsplatten nicht zielführend, ja würde sogar zu einem Zerschlagen des Tensidschaumes führen. Dies ist jedoch bei dem hier beschriebenen Prozeß notwendig. Der Schäumprozeß und Aushärtungsprozeß startet sehr rasch und eine Verformung oder ein Fließen der feuchten Masse, wie es bei Gips der Fall ist, ist hier bereits in der Regel nach 10 bis 30 Sekunden nur unter dauerhafter Schädigung des Schaumgerüstes möglich. Man hat daher für eine sofortige Aufgabe der durchmischten Komponenten auf die Unterlage zu sorgen und tunlichst Rohrleitungen oder ähnliche Vorrichtungen, welche ein Anlegen und Aushärten der Masse erlauben würden, zu vermeiden. Es empfehlen sich daher oszillierende Kmpo- nentenmischkammern, mit Rühr- oder Durchmischungszeiten von weniger als einer Sekunde, - oder entsprechend dimensionierte diskontinuierliche Mischbehälter (21), die eine Homogenisie-
rung der Komponenten binnen Sekunden gewährleisten, aus welchen die gemischten Komponenten sofort auf die Unetrlage aufgetragen werden.
Die Anlage unterscheidet sich daher in dem entscheidenden Punkt des Materialauftrages wesentlich von Gipsplattenanlagen. Weitere Unterschiede sind jedoch auch im Trocknungs- und Aushärtungsprozeß gegeben. So läuft eine chemische Bindung rascher ab, als eine hydraulische Aushärtung und man hat anschließend das Wasser in der Regel fast vollständig gegebenenfalls aus einem gut isolierenden Dämmstoff entsprechender Dicke zu entfernen., während der Gips das Wasser zur Abbindung benötigt. In der Folge sind die Anforderungen an einen Trocknungsprozeß von Platten der Dichte 0,10 g/cm3 in einer Dicke von 100 mm und mehr, sehr von denjenigen von Gipsplatten und damit auch die benötigten Trocknerkanäle verschieden.