WO1999067185A2 - Werkstoffe zur konstruktion und isolation, ein verfahren zur herstellung und deren verwendung sowie ein bindemittel zur herstellung von werkstoffen - Google Patents

Werkstoffe zur konstruktion und isolation, ein verfahren zur herstellung und deren verwendung sowie ein bindemittel zur herstellung von werkstoffen Download PDF

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Michael Mager
Harald Kraus
Gerd Passing
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    • C03C2203/34—Wet processes, e.g. sol-gel process adding silica powder

Definitions

  • the present invention relates to materials containing particles with an average particle diameter of> 400 nm, at least one hydrolysis and / or condensation product of a polyfunctional organosilane and / or siloxane, a process for their preparation and their use and a novel binder for the production of materials .
  • Materials are used to manufacture all kinds of objects, e.g. mechanical strength is the main focus of the construction materials. For other materials, e.g. Functions such as thermal insulation, weather protection, chemical resistance or water repellency in the foreground. Building materials are materials that are used in construction. This also includes the refractory materials.
  • Weather protection d. H. Resistance to UV light, heat, frost and precipitation is particularly necessary in the construction industry in order to be able to build permanent, high-quality buildings and industrial plants.
  • Chemical resistance to solvents, acids, alkalis and other aggressive chemicals is also required in the building industry for buildings and industrial plants, especially for heavily used areas of buildings and industrial plants, e.g. Walls and floors or for parts of industrial plants, e.g. Containers and
  • Insulation materials are materials that are used, for example, for the insulation and insulation of heat sources and sound sources. Insulation materials for thermal insulation have low thermal conductivities of ⁇ 0.3 W / mK at room temperature. Insulation materials, which are mainly used for thermal insulation, generally use air enclosed in pores as the insulation medium. Insulating materials can be divided into foamed and non-foamed products, whereby the non-foamed insulating materials consist of solidified fibers or particles. The porosities in non-foamed insulation materials are obtained by using porous particles, fiber piles or fleece.
  • Porosities can also be created by adding volatile or flammable substances that escape during the manufacture of the insulating material and leave voids in this way. Usual porosities are in the range of 45 to 90% by volume. As the porosity of the insulating material increases, its thermal conductivity and strength decrease as expected. Insulation materials of high strength can be produced using solid particles if they have very low thermal conductivities ( ⁇ 2 W / mK).
  • Binders of organic or inorganic nature are used to solidify materials that consist of particles or fibers.
  • the physical properties of the binders influence the physical properties of the materials.
  • Inorganic binders are characterized by high hardness, heat resistance and hydrophilicity and are not flammable. Materials that consist of an inorganic binder and inorganic particles or fibers are therefore hard, heat-resistant, hydrophilic and non-flammable. If organic particles or fibers are used, the inorganic binder reduces the flammability and flammability of the material.
  • Organic binders for example, have properties such as elasticity, low melting point, hydrophobic effect, solubility, easy flammability and flammability.
  • Organic binders in materials consisting of inorganic particles or fibers make them elastic and hydrophobic, but unfortunately they are also flammable and flammable. Flammable and flammable materials are not suitable for many applications for safety reasons.
  • inorganic binders have the disadvantage that their ability to bind the particles or fibers that build up the material only occurs at high temperatures, with the exception of hydraulically hardening binders based on lime, calcium aluminate or cement or aluminum phosphates .
  • auxiliary materials are necessary. Common auxiliaries are, for example, starch, latex or tetraethyl orthosilicate.
  • the insulation materials are fired in a second step. The auxiliaries decompose well below the
  • Hydraulic binders that cure at room temperature have a high density and thermal conductivity and are therefore not suitable for many material applications.
  • Another disadvantage of hydraulically curing calcium silicate hydrates is that they often have to be cured in water vapor at temperatures up to 200 ° C. in an autoclave, which is associated with high technical outlay.
  • Water glass-based binders have the disadvantage that, owing to the high alkali content, they are firstly not permanently resistant to hydrolysis and secondly they have a low melting point of approximately 800 ° C. and are therefore not suitable for high temperatures.
  • the object of the present invention was therefore to provide materials which do not have the disadvantages of the prior art and which are hydrophobic, weather-resistant, chemical-resistant, fire-resistant and elastic and one Binder for materials that hardens from room temperature and can be used to manufacture the materials according to the invention.
  • materials containing particles with an average particle diameter of> 400 nm and at least one hydrolysis and / or condensation product of a polyfunctional organosilane and / or siloxane meet this requirement profile.
  • the materials according to the invention are hydrophobic, weather-resistant, chemical-resistant, fire-resistant and elastic and the binders according to the invention for materials harden from room temperature.
  • the invention therefore relates to construction and insulation materials containing
  • Materials in the sense of the invention are materials in which the mechanical
  • Construction materials have a compressive strength> 0.85 MPa and a density> 0.3 g / cm 3 . Insulation is understood to mean weather protection, chemical resistance, hydrophobization, thermal and sound insulation. Materials for thermal and sound insulation are referred to as heat and sound insulation materials. Thermal insulation materials have a thermal conductivity ⁇ 0.3 W / mK, a density ⁇ 1.2 g / cm 3 and a porosity> 45%. Such construction and insulation materials are used as building materials, ie as materials used in construction, as refractory materials, but also as casting molds for the production of metal castings.
  • Examples of products made of building materials are beams, supports, stones, slabs, tiles,
  • Pipes, fittings, coatings and filters are pipes, fittings, coatings and filters.
  • insulation products so-called heat and sound insulation materials
  • the building materials also include binders such as mortar and glue in order to connect or fasten the products mentioned above as examples.
  • the materials according to the invention are hydrophobic, weather-resistant, chemical-resistant, fire-resistant and elastic.
  • Particles a) which are used in the sense of the invention can be both inorganic and organic in nature. Inorganic particles are preferred.
  • the inorganic particles preferably consist of metal, semimetal or non-metal oxides such as Fe2 ⁇ 3, Al2O3, SiÜ2, B2O3, ZrO 2 and / or aluminosilicates, and / or MgO.
  • CaO calcium silicates, magnesium silicates, zircon silicates, mullite, and / or metal, semi-metal or non-metal nitrides, carbides and / or carbo-nitrides, such as TiC, SiC, BC, TiN, Si 3 N, BN and / or glass and / or glass ceramic and / or carbonates such as CaCÜ3, MgCO ß and dolomite.
  • the shape of the particles used in the context of the invention can be divided into fibers and particles.
  • Fibers differ from particles by their microscopically determined length to diameter ratio of> 5 / l.
  • So-called long fibers with a length> 1 m can consist of a single fiber or of several twisted shorter fibers.
  • the external shape of the particles can be cube-shaped, cuboid, prismatic, pyramidal, polyhedral, cylindrical, conical, spherical, elliptical, dendritic, irregular or be bulbous. Examples of powder morphologies are given in "Concise Encyclopedia of Advanced Ceramic Materials", Pergamon Press, plc, 1991, paragraph 2, pages 362 and 363.
  • the particles can be single or multi-phase, amorphous and / or crystalline, single or polycrystalline, compact or porous.
  • Particles which are weather-resistant and chemical-resistant are particularly preferred.
  • Particles which have a thermal conductivity of ⁇ 2 W / mK are particularly preferred.
  • Porous particles such as hollow corundum, hollow glass spheres, expanded glass, perlite, vermiculite, expanded chamotte and diatomaceous earth are very particularly preferred.
  • Particles which have -OH groups on their surface are particularly preferred.
  • the average particle diameter of the particles a) is preferably between 400 nm and 10 mm. Common methods for determining average particle diameters are
  • mean particle diameter means that 50% of the particles within the particle size distribution have a diameter which is smaller or is equal to the specified value. It is also called the equivalent mean diameter.
  • Polyfunctional organosilanes and / or siloxanes b) are preferably linear, branched or cyclic monomers which have at least 2 silicon atoms with hydrolyzable and / or condensation-crosslinking groups, the silicon atoms in each case being connected to one another via at least one carbon atom via a linking unit are.
  • the organosilanes or -siloxanes b) preferably contain at least 3, particularly preferably at least 4, silicon atoms with hydrolyzable and / or condensation-crosslinking groups.
  • hydrolyzable groups are C ⁇ -C ⁇ ⁇ alkoxy or preferred, especially alkyloxy groups such as methyloxy, ethyloxy, propyloxy or butyloxy.
  • Condensation-crosslinking groups are preferably silanol groups (SiOH).
  • Preferred compounds are those which have a high reactivity and thus a high tendency to crosslink with particles. These connections have a high
  • Cyclic and cage-shaped siloxanes and branched carbosilanes may be mentioned as linking units, the following compounds being preferred as monomeric organosilanes or -siloxanes (I):
  • R 1 C r C 6 alkyl and / or C 6 -C 14 aryl
  • Polyfunctional organosilanes with condensation crosslinking groups e.g. Si-OH, form condensation products in the same way, but prior hydrolysis is not necessary.
  • the materials optionally additionally contain colloidal gel particles of an average particle diameter (determined analogously to the average particle diameter of the particles a)) ⁇ 300 nm c), and alkoxides d), such as Tetraethyl orthosilicate or boron or aluminum alkoxides, solvents e), shaping aids f) and / or a crosslinking catalyst g) and / or hydrophobizing agents h).
  • colloidal gel particles of an average particle diameter (determined analogously to the average particle diameter of the particles a)) ⁇ 300 nm c), and alkoxides d), such as Tetraethyl orthosilicate or boron or aluminum alkoxides, solvents e), shaping aids f) and / or a crosslinking catalyst g) and / or hydrophobizing agents h).
  • Colloidal gel particles c) are, for example, kieselguhr, silica sols, Al brine and / or B- and / or Al-modified silica sols.
  • dispersions of SiO 2 -containing gel particles in water are used, so-called aqueous silica sols.
  • Alcohols such as methanol, ethanol, propanol, butanol and / or acetone are suitable as solvents e).
  • the solvents e) mentioned are partially or completely replaced by water.
  • siloxanes that are not soluble in water can e.g. can be used as aqueous emulsions.
  • shaping aids f) e.g. Polyethylene glycols, polyvinyl alcohols, cellulose ethers or starch are suitable.
  • Suitable crosslinking catalysts g) are e.g. Acids, bases, organometallic compounds and metal or semimetal alkoxides, e.g. p-toluenesulfonic acid, HC1, acetic acid, formic acid, sodium hydroxide solution, ammonia, urea and / or tin compounds, such as e.g. Dibutyltin dilaurate.
  • Acids, bases, organometallic compounds and metal or semimetal alkoxides e.g. p-toluenesulfonic acid, HC1, acetic acid, formic acid, sodium hydroxide solution, ammonia, urea and / or tin compounds, such as e.g. Dibutyltin dilaurate.
  • Suitable water repellents h are commercially available water repellents such as e.g. Silicone oils, alkylated alkoxysiloxanes and / or alkylated alkoxysilanes.
  • the materials according to the invention preferably have the following composition:
  • the polyfunctional organosilane and / or siloxane b) is optionally up to 99% by volume due to colloidal gel particles c), Alkoxides d), solvents e), shaping aids f) the crosslinking catalyst g) and / or hydrophobizing agent h) are replaced.
  • component b) is partially replaced, the following proportions are preferred for c), d), e), f) and optionally g):
  • colloidal gel particles c) are crosslinked even by small additions of polyfunctional organosilanes and / or siloxanes b) and that these mixtures are suitable as binders for the preparation of the materials according to the invention.
  • the invention therefore furthermore relates to binders for materials containing at least one polyfunctional organosilane and / or siloxane b) and colloidal gel particles c).
  • Preferred polyfunctional organosilanes and / or siloxanes are:
  • the colloidal gel particles c) preferably have an average particle diameter of ⁇ 300 nm, determined analogously to the average particle diameter of the particles a).
  • the binders preferably additionally contain alkoxides d), such as Tetraethyl orthosilicate or boron or Al alkoxides, solvents e), shaping aids f), a crosslinking catalyst g) and / or a hydrophobizing agent h).
  • alkoxides d such as Tetraethyl orthosilicate or boron or Al alkoxides, solvents e
  • shaping aids f a crosslinking catalyst g) and / or a hydrophobizing agent h.
  • Mixtures containing polyfunctional organosilanes and / or siloxanes are known in principle, e.g. in DE-A 19 603 242, DE-A 19 603 241 and WO 94/06 807.
  • Colloidal gel particles c) are e.g. Diatomaceous earth, silica sols, Al sols and / or B- and / or Al-modified silica sols, with aqueous silica sols being preferred.
  • low-sodium sols are preferred, in particular those with a Na content of ⁇ 0.5% by weight. These have the advantage that the melting point of the binder according to the invention is not reduced to approximately 800 ° C. by sodium impurities.
  • Alcohols such as e.g. Methanol, ethanol, propanol, butanol and / or acetone are suitable.
  • the solvents e) mentioned are partially or completely replaced by water.
  • Polyfunctional organosilanes and / or -siloxanes that are not soluble in water can be used, for example, as aqueous emulsions.
  • the amount of volatile volatile organic constituents released up to a maximum of 200 ° C. during drying and curing is ⁇ 5% by weight, based on that
  • shaping aids f) e.g. Polyethylene glycols, polyvinyl alcohols, cellulose ethers or starch are suitable.
  • Suitable crosslinking catalysts g) are e.g. Acids, bases, organometallic compounds and metal or semimetal alkoxides, e.g. p-toluenesulfonic acid, HC1, acetic acid, formic acid, sodium hydroxide solution, ammonia, urea and / or tin compounds, such as e.g. Dibutyltin dilaurate.
  • Acids, bases, organometallic compounds and metal or semimetal alkoxides e.g. p-toluenesulfonic acid, HC1, acetic acid, formic acid, sodium hydroxide solution, ammonia, urea and / or tin compounds, such as e.g. Dibutyltin dilaurate.
  • Suitable water repellents are commercially available water repellents such as e.g. Silicone oils, alkylated alkoxysiloxanes and / or alkylated alkoxysilanes.
  • the binders according to the invention for the production of materials preferably have the following composition:
  • the polyfunctional organosilane and / or siloxane b) up to 99% by volume is replaced by alkoxides d), solvent e), shaping aid f), the crosslinking catalyst g) and / or hydrophobizing agent h).
  • the binder according to the invention for materials is also suitable for producing the construction materials according to the invention with a compressive strength> 0.85 MPa and a density> 0.3 g / cm 3 .
  • the binder according to the invention for materials is also particularly suitable for producing the insulation materials according to the invention with a thermal conductivity ⁇ 0.3 W / mK, a density ⁇ 1.2 g / cm 3 and a porosity> 45%.
  • the binder according to the invention for materials is suitable for binding those particles with which materials of high strength, e.g. Casting molds, refractory materials, filters and ceramic components.
  • Another object of the invention is also a method for the production of materials.
  • the materials are produced by simply mixing particles a) and polyfunctional organosilane and / or siloxane b), it being possible to use any stirrer.
  • the polyfunctional organosilane and / or siloxane b) is preferably dissolved in the solvent e) during the preparation and then gel particles c) and alkoxides such as Si, B and or Al alkoxides are added.
  • the shaping aid f), crosslinking catalysts g) and hydrophobizing agent h) are then added. This solution is then mixed with the particles.
  • the mixture obtained can then be shaped, dried and hardened to produce the desired material.
  • the optional components c) to h) are preferably combined as follows: the shaping aids f) are added to the colloidal gel particles c) and then the alkoxides d), the crosslinking catalysts g) and the hydrophobizing agents h) are added.
  • the components are mixed with small amounts of liquid, based on the volume of the particles, in such a way that the solutions or emulsions are metered into the particles.
  • the surfaces of the particles are coated with the solution or emulsion.
  • the particles are preferably metered into the solution or emulsion.
  • Suitable mixing devices are Eirich mixers, ploughshare mixers, extruders and stirred tanks, but also devices in which the solution or emulsion is sprayed onto the particles. Long fibers can also be drawn through an immersion bath or coated with preparation rolls.
  • the consistency of the mixtures can vary from free-flowing powder to highly viscous
  • Masses range from low-viscosity suspensions.
  • Powders, viscous masses and low-viscosity suspensions can be used.
  • Examples of shaping in molds are jogging, tamping, axial, biaxial and isostatic pressing. Extruding is a continuous, plastic form exercise procedure. Slip casting is suitable for low-viscosity suspensions.
  • Another shaping process is the application of layers to supports that determine the shape. The layers can be applied, for example, by spraying or by immersing the support in a suspension. Spray application can also be used to coat or line any objects or equipment.
  • Layers and coatings in the sense of the invention differ from the layers and coatings known from DE-A 19 603 242, DE-A 19 603 241 and WO 94/06 807 in that they have a minimum thickness of 10 mm.
  • Fibers can also be processed into shaped articles using processes customary in the textile industry.
  • the method described is particularly preferred for producing the insulating materials according to the invention with a thermal conductivity ⁇ 0.3 W / mK, a density ⁇ 1.2 g / cm 3 and a porosity> 45%.
  • the described method is suitable for the production of high-strength materials, e.g. Casting molds, refractory materials, filters and ceramic components.
  • high-strength materials e.g. Casting molds, refractory materials, filters and ceramic components.
  • Drying and curing is preferably carried out at temperatures between 5 and 600 ° C after shaping or coating.
  • the treatment is preferably carried out at temperatures between 20 to 300 ° C., very particularly preferably between 100 to 190 ° C.
  • the molded parts and coatings are then dried in the
  • the decomposition of the polyfunctional organosilanes and / or siloxanes in the material begins at approximately 250 ° C. and is converted into SiO 2 (ceramization). The newly formed SiO 2 further increases the strength of the material and thus increases its fire resistance without an intermediate loss of strength.
  • Another object of the invention is the use of the materials according to the invention as insulation materials, refractory materials, as casting molds for the production of metal castings and / or filters and / or for the production of ceramic components.
  • products made of building materials are beams, supports, stones, plates, tiles, pipes, fittings, coatings and filters.
  • insulation products, so-called heat and sound insulation materials are stones, plates, tiles, molded pieces, mats and coatings, which can be used for the construction, manufacture and insulation of buildings, industrial plants, devices, containers and pipelines.
  • the building materials also include binders such as mortar and glue. These are used to connect or fasten the products mentioned above as examples.
  • the hydrosilylation catalyst Silopren® U catalytic converter Pt / S (68% solution of a Pt complex substituted with cyclo- [OSi (CH3) (C 2 H3)] 4 ligands in isopropanol) is commercially available from Bayer AG, D- 51368 Leverkusen, available.
  • the mixtures in the comparative examples were prepared in such a way that the solids content of the binders in the mixture was 19.4% by weight, that is to say 100% in total with the pearlite.
  • the dry residue of the water glass was determined after drying at 130 ° C. for 8 hours.
  • the dry residue (solids content) was 40%.
  • the water glass contained 26.9% SiO 2 and 8% Na 2 O.
  • Perlite EX-ZF® 0-1.5 mm from NKF Isotherm-Technik GmbH, Niederkrücht was sieved with a sieve with a mesh size of 1 mm. 85 g of the run were mixed in an Eirich mixer with 51.15 g of water glass for 90 seconds, the water glass being added in about 45 seconds. The mixture obtained was pressed into cylinders measuring 5.58 cm in diameter and 3.05 cm in height. The shaped cylinders were then dried at 130 ° C. in 5 hours and cured.
  • the densities of the dried and hardened samples varied between 0.142 and 0.155 g / cm 3 .
  • the compressive strength of the cylinders was determined based on DIN 5341 at 5% compression. The results are shown in Table 1. given. The compressive strength increases with increasing density. The test specimens were wetted by water and soaked up.
  • Perlit EX-ZF® 0-1.5 mm was sieved with a sieve with a mesh size of 1 mm.
  • 85 g of the run were mixed in an Eirich mixer with 68.2 g of an aqueous silica sol, available from Bayer AG under the name Levasil® 200 S, 30%, for 90 seconds, the addition of the silica sol in about 45 Seconds.
  • the mixture obtained became cylinders measuring 5.55 cm
  • Diameter and 3.09 cm height pressed.
  • the shaped cylinders were then dried at 130 ° C. in 5 hours and cured.
  • the densities of the dried and hardened samples varied between 0.141 and 0.143 g / cm 3 .
  • the compressive strength of the cylinders was based on DIN 5341
  • Perlit EX-ZF® 0-1.5 mm was sieved with a sieve with a mesh size of 1 mm.
  • 85 g of the run were mixed in an Eirich mixer with 68.2 g of an aqueous silica sol, available from Bayer AG under the name Levasil® 200, 30%, for 90 seconds, the addition of the silica sol in about 45 seconds took place.
  • the resulting mixture became 5.61 cm cylinders
  • Diameter and 3.08 cm height pressed.
  • the shaped cylinders were then dried at 130 ° C. in 5 hours and cured.
  • the densities of the dried and hardened samples varied between 0.136 and 0.142 g / cm 3 .
  • the compressive strength of the cylinders was based on DIN 5341
  • Perlit EX-ZF® 0-1.5 mm was sieved with a sieve with a mesh size of 1 mm.
  • 85 g of the passage were mixed in an Eirich mixer with 66.68 g of a mixture consisting of 4.53 g of water glass and 62.15 g of an aqueous silica sol, available from Bayer AG under the name Levasil® 200, 30% strength, Mixed for 90 seconds, the addition of the mixture taking place in about 45 seconds.
  • the mixture obtained was pressed into cylinders measuring 5.61 cm in diameter and 3.08 cm in height. The shaped cylinders were then dried at 130 ° C. in 5 hours and cured.
  • the densities of the dried and hardened samples varied between 0.144 and 0.147 g / cm 3 .
  • the compressive strength of the cylinders was determined based on DIN 5341 at 5% compression. The results are shown in Table 1. The compressive strength increases with increasing density. The test specimens were wetted by water and soaked up.
  • the mixtures in the examples were prepared in such a way that the solids content of the binders in the mixture totaled 100% with the pearlite.
  • Solids content of the binder in the mixture 19.4%.
  • Perlit EX-ZF® 0-1.5 mm was sieved with a sieve with a mesh size of 1 mm.
  • the compressive strength of the cylinders was determined based on DIN 5341 at 5% compression. The results are shown in Table 1 and Figure 1. The compressive strength increases with increasing density. The test specimens were significantly less wetted by water and did not absorb so much.
  • Solids content of the binder in the mixture 15%.
  • Perlit EX-ZF® 0-1.5 mm was sieved with a sieve with a mesh size of 1 mm.
  • 85 g of the run were mixed in an Eirich mixer with 50 g of a solution consisting of a 30% solution of D4-silanediol in isopropanol for 90 seconds, the addition of the mixture taking place in about 45 seconds.
  • the mixture obtained was pressed into cylinders measuring 5.62 cm in diameter and 3.17 cm in height.
  • the samples were then dried at 130 ° C. in 5 hours and cured.
  • the densities varied between 0.114 and 0.137 g / cm 3 .
  • the compressive strength of the cylinders was determined based on DIN 5341 at 5% compression. The results are shown in Table 1. The compressive strength increases with increasing density. The test specimens were significantly less wetted by water and did not absorb so much.
  • Solids content of the binder in the mixture 10%.
  • Perlit EX-ZF® 0-1.5 mm was sieved with a sieve with a mesh size of 1 mm.
  • the compressive strength of the cylinders was determined based on DIN 5341 at 5% compression. The results are shown in Table 1. The compressive strength increases with increasing density. The test specimens were significantly less wetted by water and did not absorb so much.
  • Solids content of the binder in the mixture 19.4%.
  • Perlit EX-ZF® 0-1.5 mm was sieved with a sieve with a mesh size of 1 mm.
  • 85 g of the run were mixed in an Eirich mixer with 67.12 g of a mixture consisting of a 4.97 g of a 36.5% solution of D4-silanediol in isopropa- nol and 62.15 g of a silica sol in isopropanol with an SiO 2 content of 30% and a water content ⁇ 0.1%, mixed for 90 seconds, the addition of the mixture taking place in about 45 seconds.
  • the mixture obtained was pressed into cylinders measuring 5.65 cm in diameter and 3.12 cm in height. The samples were then dried at 130 ° C. in 5 hours and cured.
  • the compressive strength of the cylinders was determined based on DIN 5341 at 5% compression. The results are shown in Table 1. The compressive strength increases with increasing density. The test specimens were wetted by water and did not soak up as much as the samples from Comparative Examples 2 and 3.
  • Solids content of the binder in the mixture 19.4%.
  • Perlit EX-ZF® 0-1.5 mm was sieved with a sieve with a mesh size of 1 mm.
  • 85 g of the passage were in an Eirich mixer with 65.78 g of a mixture consisting of a 3.63 g of a 50% solution of D4-silanediol in isopropanol and 62.15 g of a silica sol in isopropanol with an SiO 2 content of 30% and a water content ⁇ 0.1%, mixed for 90 seconds, the addition of the mixture taking place in about 45 seconds.
  • the mixture obtained was pressed into cylinders measuring 7 cm in diameter and 4.3 cm in height. The samples were then dried at 130 ° C. in 5 hours and cured.
  • Solids content of the binder in the mixture 19.4%.
  • Perlit EX-ZF® 0-1.5 mm was sieved with a sieve with a mesh size of 1 mm.
  • the thermal conductivity of the plates was determined using the Kemtherm QTM-D3 test device. The results are shown in Table 2. The thermal conductivity increases linearly with increasing density.
  • Solids content of the binder in the mixture 1.5%.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Werkstoffe, enthaltend Partikel mit einem mittleren Teilchendurchmesser von > 400 nm, mindestens ein Hydrolyse- und/oder Kondensationsprodukt eines polyfunktionellen Organosilans und/oder -siloxans, ein Verfahren zu deren Herstellung und deren Verwendung sowie ein neuartiges Bindemittel zur Herstellung von Werkstoffen.

Description

Werkstoffe zur Konstruktion und Isolation, ein Verfahren zur Herstellung und deren Verwendung sowie ein Bindemittel zur Herstellung von Werkstoffen
Die vorliegende Erfindung betrifft Werkstoffe, enthaltend Partikel mit einem mittleren Teilchendurchmesser von >400 nm, mindestens ein Hydrolyse- und/oder Kondensationsprodukt eines polyfunktionellen Organosilans und/oder -siloxans, ein Verfahren zu deren Herstellung und deren Verwendung sowie ein neuartiges Bindemittel zur Herstellung von Werkstoffen.
Werkstoffe dienen zur Herstellung von Gegenständen aller Art, wobei z.B. bei den Konstruktionswerkstoffen die mechanische Festigkeit im Vordergrund steht. Bei anderen Werkstoffen stehen z.B. Funktionen wie die thermische Isolation, ein Witterungsschutz, Chemikalienbeständigkeit oder eine Hydrophobierung im Vordergrund. Baustoffe sind Werkstoffe die im Bauwesen verwendet werden. Hierzu gehören auch die feuerfesten Werkstoffe.
Witterungsschutz, d. h. Beständigkeit gegen UV -Licht, Hitze, Frost und Niederschlag ist besonders im Bauwesen erforderlich, um dauerhafte, hochwertige Gebäude und Industrieanlagen erstellen zu können.
Chemikalienbeständigkeit gegen Lösemittel, Säuren, Laugen und andere aggressive Chemikalien ist ebenfalls im Bauwesen für Gebäude und Industrieanlagen gefordert, insbesondere für stark belastete Bereiche von Gebäuden und Industrieanlagen, wie z.B. Wände und Böden oder für Teile von Industrieanlagen, wie z.B. Behälter und
Rohrleitungen.
Hydrophobierung ist besonders im Bauwesen erforderlich, um das Benetzen von Oberflächen durch wässerige Systeme, bzw. deren Eindringen in Bauteile zu verhin- dem. Isolationswerkstoffe sind Werkstoffe, die z.B. zur Isolierung und Dämmung von Wärmequellen und Schallquellen eingesetzt werden. Dämmstoffe zur Wärmeisolation weisen bei Raumtemperatur geringe Wärmeleitfähigkeiten von < 0,3 W/mK auf. Dämmstoffe, die überwiegend zur Wärmeisolierung verwendet werden, nutzen in der Regel in Poren eingeschlossene Luft als Isolationsmedium. Dämmstoffe können in geschäumte und nicht geschäumte Produkte unterteilt werden, wobei die nicht geschäumten Dämmstoffe aus verfestigten Fasern oder Partikeln bestehen. Die Porositäten in nicht geschäumten Dämmstoffen werden erhalten durch Verwendung poröser Partikel, Faserhaufwerk oder -vlies. Porositäten können auch durch die Zugabe von flüchtigen oder brennbaren Stoffen, die im Zuge der Herstellung des Dämmstoffes entweichen und auf diese Weise Hohlräume hinterlassen, erzeugt werden. Übliche Porositäten liegen im Bereich von 45 bis 90 Vol.-%. Mit steigender Porosität des Dämmstoffes sinken erwartungsgemäß dessen Wärmeleitfähigkeit und Festigkeit. Dämmstoffe hoher Festigkeit können unter Verwendung massiver Partikel hergestellt werden, wenn diese sehr geringe Wärmeleitfähigkeiten (< 2 W/mK) aufweisen.
Zur Verfestigung von Werkstoffen, die aus Partikeln oder Fasern bestehen werden Bindemittel organischer oder anorganischer Natur verwendet. Die physikalischen Eigenschaften der Bindemittel beeinflussen die physikalischen Eigenschaften der Werkstoffe. Anorganische Bindemittel zeichnen sich z.B. durch hohe Härte, Wärmebeständigkeit und Hydrophilie aus und sind nicht entflammbar. Werkstoffe, die aus einem anorganischen Bindemittel und anorganischen Partikeln oder Fasern bestehen sind daher hart, wärmebeständig, hydrophil und nicht brennbar. Werden organische Partikel oder Fasern verwendet, dann reduziert das anorganische Bindemittel die Ent- flammbarkeit und die Brennbarkeit des Werkstoffes. Organische Bindemittel weisen beispielsweise Eigenschaften wie z.B. Elastizität, niedrigen Schmelzpunkt, hydro- phobierende Wirkung, Löslichkeit, leichte Entflammbarkeit und Brennbarkeit auf. Organische Bindemittel in aus anorganischen Partikeln oder Fasern bestehenden Werkstoffen führen dazu, daß diese elastisch und hydrophob bedauerlicherweise aber auch entflammbar und brennbar sind. Leicht entflammbare und brennbare Werkstoffe sind für viele Anwendungen aus Sicherheitsgründen nicht geeignet. Anorganische Bindemittel weisen im Gegensatz zu organischen Bindemitteln den Nachteil auf, daß ihre Fähigkeit zur Bindung der Partikel oder Fasern die den Werkstoff aufbauen erst bei hohen Temperaturen auftritt, wenn man von hydraulisch aus- härtenden Bindemitteln auf Kalk-, Calciumaluminat- oder Zementbasis oder Aluminiumphosphaten absieht. Um schon bei der Formgebung bei Raumtemperatur eine ausreichende Festigkeit zu erzielen sind Hilfsstoffe notwendig. Gängige Hilfsstoffe sind z.B. Stärke, Latex oder Tetraethylorthosilikat. Um die eigentlich gewünschte anorganische Bindung der Partikel zu erhalten, werden die Dämmstoffe in einem zweiten Schritt gebrannt. Dabei zersetzen sich die Hilfsstoffe weit unterhalb der
Ausbildung der anorganischen Bindung, so daß der Werkstoff zwischenzeitlich mechanisch sehr empfindlich ist und beschädigt werden kann bzw. unter seinem Eigengewicht zerfällt.
Bei Raumtemperatur aushärtende hydraulische Bindemittel haben eine hohe Dichte und Wärmeleitfähigkeit und sind daher für viele Werkstoffanwendungen nicht geeignet.
Ein weiterer Nachteil hydraulisch aushärtender Calziumsilicathydrate ist, daß diese oftmals in Wasserdampf bei Temperaturen bis zu 200°C im Autoklaven ausgehärtet werden müssen, was mit hohem technischen Aufwand verbunden ist.
Bindemittel auf Wasserglasbasis haben den Nachteil, daß sie aufgrund des hohen Alkaligehaltes erstens nicht dauerhaft hydrolysebeständig sind und zweitens einen niedrigen Schmelzpunkt von ca. 800°C aufweisen und daher nicht für hohe Temperaturen geeignet sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war daher die Bereitstellung von Werkstoffen, die die Nachteile des Standes der Technik nicht aufweisen und hydrophob, witte- rungsbeständig, chemikalienbeständig, feuerbeständig und elastisch sind und eines Bindemittels für Werkstoffe, das bereits ab Raumtemperatur aushärtet und zur Herstellung der erfmdungsgemäßen Werkstoffe benutzt werden kann.
Überraschenderweise wurde nun gefunden, daß Werkstoffe, enthaltend Partikel mit einem mittleren Teilchendurchmesser von >400 nm und mindestens einem Hydrolyse- und/oder Kondensationsprodukt eines polyfunktionellen Organosilans und/oder -siloxans dieses Anforderungsprofil erfüllen. Die erfindungsgemäßen Werkstoffe sind hydrophob, witterungsbeständig, chemikalienbeständig, feuerbeständig und elastisch und die erfindungsgemäßen Bindemittel für Werkstoffe härten bereits ab Raumtemperatur aus.
Gegenstand der Erfindung sind daher Werkstoffe zur Konstruktion und Isolation, enthaltend
a) Partikel mit einem mittleren Teilchendurchmesser von >400 nm und
b) mindestens ein Hydrolyse- und/oder Kondensationsprodukt mindestens eines polyfunktionellen Organosilans und/oder -siloxans.
Werkstoffe im Sinne der Erfindung sind Werkstoffe bei denen die mechanische
Festigkeit, sogenannte Konstruktionswerkstoffe und/oder bei denen eine Isolierung, sogenannte Isolationswerkstoffe im Vordergrund steht. Konstruktionswerkstoffe weisen eine Druckfestigkeit > 0,85 MPa und eine Dichte > 0,3 g/cm3 auf. Unter Isolierung wird verstanden Witterungsschutz, Chemikalienbeständigkeit, Hydropho- bierung, thermische und Schallisolation. Werkstoffe zur thermischen und Schallisolierung werden als Wärme- und Schalldämmstoffe bezeichnet. Wärmedämmstoffe weisen eine Wärmeleitfähigkeit < 0,3 W/mK, eine Dichte < 1,2 g/cm3 und eine Porosität > 45 % auf. Derartige Konstruktions- und Isolationswerkstoffe finden Verwendung als Baustoffe, d. h. als Werkstoffe die im Bauwesen genutzt werden, als feuerfeste Werkstoffe aber auch als Gießformen zur Herstellung von Metallgußteilen.
Beispiele für Produkte aus Baustoffen sind Balken, Stützen, Steine, Platten, Fliesen,
Rohre, Formstücke, Beschichtungen und Filter. Beispiele für Dämmstoffprodukte, sogenannte Wärme- und Schalldämmstoffe, sind Steine, Platten, Fliesen, Formstücke, Matten und Beschichtungen. Zu den Baustoffen gehören auch Bindemittel, wie Mörtel und Kleber um die oben beispielhaft genannten Produkte miteinander zu verbinden oder zu befestigen.
Die erfindungsgemäßen Werkstoffe sind hydrophob, witterungsbeständig, chemikalienbeständig, feuerbeständig und elastisch.
Partikel a), die im Sinne der Erfindung eingesetzt werden, können sowohl anorganischer als auch organischer Natur sein. Bevorzugt sind anorganische Partikel.
Die anorganischen Partikel bestehen vorzugsweise aus Metall-, Halbmetall- oder Nichtmetalloxiden wie Fe2θ3, AI2O3, SiÜ2, B2O3, ZrO2 und/oder Alumosilikaten, und/oder MgO. CaO, Calziumsilikaten, Magnesiumsilikaten, Zirconsilikaten, Mullit, und/oder Metall-, Halbmetall- oder Nichtmetallnitriden, -carbiden und/oder -carbo- nitriden, wie z.B. TiC, SiC, B C, TiN, Si3N , BN und/oder Glas und/oder Glaskeramik und/oder Carbonaten, wie CaCÜ3, MgCOß und Dolomit.
Bei den Partikeln, die im Sinne der Erfindung eingesetzt werden, lassen sich bezüglich der Form in Fasern und Teilchen einteilen. Fasern unterscheiden sich von Teilchen durch ihr mikroskopisch ermitteltes Längen- zu Durchmesserverhältnis von >5/l. Sogenannte Langfasern mit einer Länge >1 m können sowohl aus einer einzigen Faser als auch aus mehreren verzwirnten kürzeren Fasern bestehen. Die äußere Form der Teilchen kann würfelförmig, quaderförmig, prismatisch, pyramidal, polyedrisch, zylindrisch, kegelförmig, kugelförmig, eliptisch, dendritisch, unregelmäßig oder knollenförmig sein. Beispiele für Pulvermorphologien werden in "Concise Encyclo- pedia of Advanced Ceramic Materials", Pergamon Press, plc, 1991, Absatz 2, Seiten 362 und 363 gegeben. Die Partikel können ein- oder mehrphasig, amorph und/oder kristallin, ein- oder polykristallin, kompakt oder porös sein.
Besonders bevorzugt sind Partikel die witterungsbeständig und chemikalienbeständig sind.
Besonders bevorzugt sind Partikel, die eine Wärmeleitfähigkeit < 2 W/mK aufwei- sen.
Ganz besonders bevorzugt sind poröse Partikel wie Hohlkugelkorund, Hohlglaskü- gelchen, Blähglas, Perlit, Vermiculit, Blähschamotte und Kieselgur.
Besonders bevorzugt sind Partikel, die -OH-Gruppen auf ihrer Oberfläche aufweisen.
Vorzugsweise liegt der mittlere Teilchendurchmesser der Partikel a) zwischen 400 nm und 10 mm. Gebräuchliche Methoden zur Bestimmung von mittleren Teilchendurchmessern werden
bei Teilchengrößen von > 40μm gemäß ASTM ANSI El 1, B124, bei Teilchengrößen von 2 nm bis 5μm mittels Elektronenmikroskopie und bei Teilchengrößen von 5 bis 45μm gemäß ASTM ANSI B330
bestimmt.
Weitere Verfahren zur Bestimmung der Teilchengrößen im Bereich von 100 nm bis 100 μm werden in der Europäischen Norm EN-725-5 : 1996 beschrieben.
Der Begriff mittlerer Teilchendurchmesser bedeutet, daß 50 % der Teilchen innerhalb der Teilchengrößenverteilung einen Durchmesser aufweisen, der kleiner oder gleich dem angegebenen Wert ist. Er wird auch als äquivalenter mittlerer Durchmesser bezeichnet.
Polyfunktionelle Organosilane und/oder -siloxane b) sind vorzugsweise lineare, ver- zweigte oder cyclische Monomere, die über mindestens 2 Siliciumatome mit hydro- lysierbaren und/oder kondensationsvernetzenden Gruppen verfügen, wobei die Siliciumatome jeweils über mindestens ein Kohlenstoffatom über eine verknüpfende Einheit miteinander verbunden sind.
Bevorzugt enthalten die Organosilane oder -siloxane b) mindestens 3, besonders bevorzugt mindestens 4 Siliciumatome mit hydrolysierbaren und/oder kondensationsvernetzenden Gruppen.
Als hydrolysierbare Gruppen sind Cι-Cιυ-Alkoxy- oder
Figure imgf000009_0001
bevorzugt, insbesondere Alkyloxygruppen wie Methyloxy-, Ethyloxy-, Propyloxy- oder Butyloxy. Kondensationsvernetzende Gruppen sind vorzugsweise Silanolgrup- pen (SiOH).
Bevorzugte Verbindungen sind solche, die eine hohe Reaktivität und damit eine hohe Vernetzungsneigung mit Partikeln haben. Diese Verbindungen weisen eine hohe
Anzahl hydrolysierbarer und kondensationsvernetzender Gruppen pro Mol der Verbindung auf. Daher sind überwiegend monomere und/oder oligomere Verbindungen polymeren Silanen oder Siloxanen vorzuziehen.
Als verknüpfende Einheiten seien insbesondere cyclische und käfigförmige Siloxane, sowie verzweigte Carbosilane genannt, wobei als monomere Organosilane bzw. -siloxane (I) folgender Verbindungen bevorzugt sind:
Rl4.iSi[(CH2)nSi(OR2)aR33.a]i (I) mit i = 2 bis 4, bevorzugt i = 4,
n = 1 bis 10, bevorzugt n = 2 bis 4, besonders bevorzugt n = 2 und
R1 = CrC6-Alkyl und/oder C6-C14-Aryl,
a = 1 bis 3
R2 = CrC6-Alkyl und/oder C6-C14-Aryl, bevorzugt R2 = Methyl, Ethyl, Isopropyl,
R3 = Ci-Cg-Alkyl und/oder Cg-C^-Aryl, bevorzugt R3 = Methyl, wobei für den Fall a = 1 R2 auch Wasserstoff bedeuten kann.
Weitere Beispiele sind cyclische Verbindungen der allgemeinen Formel (II)
Figure imgf000010_0001
mit
m = 3 bis 6, bevorzugt m = 3 oder 4,
o = 2 bis 10, bevorzugt 0 = 2,
c = 1 bis 3,
R4 = CrC6-Alkyl und/oder C6-C14-Aryl, bevorzugt R4 = Methyl, Ethyl, Isopropyl; für den Fall c = 1 kann R4 auch Wasserstoff bedeuten, R5 = CrC6-Alkyl und oder C6-C14-Aryl, bevorzugt R5 = Methyl, R6 = C,-C6 Alkyl und/oder C6-C14-Aryl, bevorzugt R6 = Methyl, Ethyl, besonders bevorzugt R6= Methyl, und/oder der allgemeinen Formel (III)
Rl04.1Si[OSiR9 2(CH2)pSi(OR7)dR8 3J1 (III),
i = 2 bis 4, bevorzugt i = 4, R10 = CrC6-Alkyl und/oder C6-C14-Aryl, p = 1 bis 10. bevorzugt p = 2 bis 4, besonders bevorzugt p = 2,
R8 = CrC6- Alkyl und oder C6-C14-Aryl, bevorzugt R8= Methyl, d = l bis 3.
R7 = Cj-Cg-Alkyl und/oder C6-Cι -Aryl, bevorzugt R7 = Methyl, Ethyl, Isopropyl; für den Fall d = 1 kann R7 auch H sein und R9= CrC6-Alkyl und/oder C6-C14-Aryl, bevorzugt R8 = Methyl. Besonders bevorzugt sind Verbindungen der Formeln
Si[(CH2)2Si(OH)(CH3)2]4,
H3C-Si[(CH2)2Si(OH)(CH3)2]3,
C6H5-Si[(CH2)2Si(OH)(CH3)2]3,
Si[(CH2)3Si(OH)(CH3)2]4, cyclo-{OSiCH3[(CH2)2Si(OH)(CH3)2]}4, cyclo-{OSiCH3[(CH2)2Si(OCH3)(CH3)2]}4, . cyclo- { OSiCH3 [(CH2)2Si(OCH3)2CH3] }4, cyclo- { OSiCH3 [(CH2)2Si(OC2H5)2CH3] }4 und/oder cyclo-{OSiCH3[(CH2)2Si(OC2H5)3]}4,
Si[(CH2)2Si(OH)(CH3)2]4 und/oder cyclo-{OSiCH3[(CH2)2Si(OH)(CH3)2]}4 (D4-Silanol) und/oder cyclo-{OSiCH3[(CH2)2Si(OC2H5)2CH3]}4 (D4-Diethoxid) und/oder cyclo-{OSiCH3[(CH2)2Si(OC2H5)3]}4, ganz besonders bevorzugt sind cyclo-{OSiCH3[(CH2)2Si(OH)2CH3]}4 (D4-Silandiol) und oder cyclo-{OSiCH3[(CH2)2Si(OH)3]}4 (D4-Silantriol).
Die Herstellung dieser Verbindungen erfolgt vorzugsweise gemäß DE-A 19 603 242, DE-A 19 603 241 und WO 94/06 807.
Durch Hydrolyse der polyfunktionellen Organosilane und/oder -siloxane mit hydro- lysierbaren Gruppen, wie z.B. Si-OR-Gruppen, erhält man Intermediate mit Si-OH- Funktionalität. Diese können, gegebenenfalls in Gegenwart von Katalysatoren, mit sich selbst, aber auch z.B. mit den Partikeln a) sowie den gegebenenfalls vorhandenen kolloidalen Gelteilchen c) und/oder den Alkoxiden d) unter Bildung der genannten Kondensationsprodukte reagieren.
Polyfunktionelle Organosilane mit kondensationsvernetzenden Gruppen, wie z.B. Si- OH, bilden in gleicher Weise Kondensationsprodukte, wobei jedoch eine vorhergehende Hydrolyse nicht notwendig ist.
Mischungen enthaltend Hydrolyse- und/oder Kondensationsprodukte polyfunktionel- ler Organosilane oder -siloxane sind prinzipiell bekannt, z.B. in DE-A 19 603 242, DE-A 19 603 241 und WO 94/06 807. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthalten die Werkstoffe gegebenenfalls zusätzlich kolloidale Gelteilchen eines mittleren Teilchendurchmessers (bestimmt analog zu dem mittleren Teilchendurchmesser der Partikel a)) <300 nm c), sowie Alkoxide d), wie z.B. Tetraethyl- orthosilicat oder Bor- oder Al-Alkoxide, Lösemittel e), Formgebungshilfsmittel f) und/oder einen Vernetzungskatalysator g) und/oder Hydrophobierungsmittel h).
Kolloidale Gelteilchen c) sind z.B. Kieselgur, Kieselsole, AI-Sole und/oder B- und/oder Al-modifizierte Kieselsole. Insbesondere werden Dispersionen von SiO2- haltigen Gelteilchen in Wasser eingesetzt, sogenannte wäßrige Kieselsole. Als Lösemittel e) sind Alkohole wie z.B. Methanol, Ethanol, Propanol, Butanol und/oder Aceton geeignet.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die genannten Lösemittel e) teilweise oder vollständig durch Wasser ersetzt. Polyfunktionelle Organosilane und/oder
-siloxane, die nicht mit Wasser löslich sind, können z.B. als wäßrige Emulsionen eingesetzt werden.
Als Formgebungshilfsmittel f) sind z.B. Polyethylenglycole, Polyvinylalkohole, Celluloseether oder Stärke geeignet.
Geeignete Vernetzungskatalysatoren g) sind z.B. Säuren, Basen, metallorganische Verbindungen sowie Metall- oder Halbmetallalkoxide, wie z.B. p-Toluolsulfonsäure, HC1, Essigsäure, Ameisensäure, Natronlauge, Ammoniak, Harnstoff und/oder Zinn- Verbindungen, wie z.B. Dibutylzinndilaurat.
Geeignete Hydrophobierungsmittel h) sind handelsübliche Hydrophobierungsmittel wie z.B. Siliconöle, alkylierte Alkoxysiloxane und/oder alkylierte Alkoxysilane. Besonders bevorzugt sind die Produkte Baysilone®-Imprägnieremulsion LD und Baysilone®-Imprägnieremulsion WA, erhältlich bei GE Bayer Silicones.
Die erfindungsgemäßen Werkstoffe weisen vorzugsweise folgende Zusammensetzung auf:
30 bis 97 Vol.-% Partikel a)
3 bis 70 Vol.-% polyfunktionelles Organosilan und/oder -siloxan b), wobei die Summe aus a) und b) 100 % ergibt.
In einer Ausfuhrungsform der Erfindung ist das polyfunktionelle Organosilan und/oder -siloxan b) gegebenenfalls bis zu 99 Vol.-% durch kolloidale Gelteilchen c), Alkoxide d), Lösemittel e), Formgebungshilfsmittel f) den Vernetzungskatalysator g) und/oder Hydrophobierungsmittel h) ersetzt.
Ist die Komponente b) teilweise ersetzt, so sind für c), d), e), f) und gegebenenfalls g) folgende Anteile bevorzugt:
0,1 bis 99 Vol.-% c), 0 bis 99 Vol.-% d), 0 bis 99 Vol.-% e), 0 bis 99 Vol.-% f),
0 bis l0 Vol.-% g), 0 bis l0 Vol.-% h).
Darüber hinaus wurde überraschend gefunden, daß kolloidale Gelteilchen c) bereits von kleinen Zusätzen an polyfunktionellen Organosilanen und/oder -siloxanen b) vernetzt werden und daß diese Mischungen als Bindemittel für die Herstellung der erfindungsgemäßen Werkstoffe geeignet sind.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung sind daher Bindemittel für Werkstoffe ent- haltend mindestens ein polyfunktionelles Organosilan und/oder -siloxan b) sowie kolloidale Gelteilchen c).
Bevorzugt sind als polyfunktionelle Organosilane und/oder -siloxane:
Si[(CH2)2Si(OH)(CH3)2]4 und/oder
cyclo- { OSiCH3 [(CH2)2Si(OH)(CH3)2] } 4 und/oder
cyclo- {OSiCH3[(CH2)2Si(OC2H5)2CH3]} 4 und/oder
cyclo-{OSiCH3[(CH2)2Si(OC2H5)3]}4, ganz besonders bevorzugt sind
cyclo- {OSiCH3[(CH2)2Si(OH)2CH3]}4 (D4-Silandiol) und/oder
cyclo-{OSiCH3[(CH2)2Si(OH)3]}4 (D4-Silantriol).
Die kolloidalen Gelteilchen c) haben vorzugsweise einen mittleren Teilchendurchmessers von < 300 nm, bestimmt analog zu dem mittleren Teilchendurchmesser der Partikel a).
Bevorzugt enthalten die Bindemittel zusätzlich Alkoxide d) wie z.B. Tetraethylortho- silicat oder Bor- oder Al-Alkoxide, Lösemittel e), Formgebungshilfsmittel f), einen Vernetzungskatalysator g) und/oder ein Hydrophobierungsmittel h). Mischungen enthaltend polyfunktionelle Organosilane und/oder -siloxane sind prinzipiell bekannt, z.B. in DE-A 19 603 242, DE-A 19 603 241 und WO 94/06 807.
Kolloidale Gelteilchen c) sind z.B. Kieselgur, Kieselsole, AI-Sole und/oder B- und/oder Al-modifizierte Kieselsole, wobei wäßrige Kieselsole bevorzugt ist.
Bei den wäßrigen Kieselsolen werden natriumarme Sole bevorzugt, insbesondere solche mit einem Na-Gehalt < 0,5 Gew%. Diese haben den Vorteil, daß der Schmelzpunkt des erfindungsgemäßen Bindemittels durch Natriumverunreinigungen nicht auf ca. 800°C erniedrigt wird.
Als Lösemittel e) sind Alkohole wie z.B. Methanol, Ethanol, Propanol, Butanol und/oder Aceton geeignet.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die genannten Lösemittel e) teilweise oder vollständig durch Wasser ersetzt. Polyfunktionelle Organosilane und/oder -siloxane, die nicht mit Wasser löslich sind, können z.B. als wäßrige Emulsionen eingesetzt werden.
Die bei der Trocknung und Aushärtung abgegebene Menge verdampfbarer flüchtiger organischer Bestandteile bis maximal 200°C liegt bei < 5 Gew.% bezogen auf das
Bindemittel ohne Formgebungshilfsmittel f) und Hydrophobierungsmittel h).
Als Formgebungshilfsmittel f) sind z.B. Polyethylenglycole, Polyvinylalkohole, Celluloseether oder Stärke geeignet.
Geeignete Vernetzungskatalysatoren g) sind z.B. Säuren, Basen, metallorganische Verbindungen sowie Metall- oder Halbmetallalkoxide, wie z.B. p-Toluolsulfonsäure, HC1, Essigsäure, Ameisensäure, Natronlauge, Ammoniak, Harnstoff und/oder Zinnverbindungen, wie z.B. Dibutylzinndilaurat.
Geeignete Hydrophobierungsmittel sind handelsübliche Hydrophobierungsmittel wie z.B. Siliconöle, alkylierte Alkoxysiloxane und/oder alkylierte Alkoxysilane. Besonders bevorzugt sind die Produkte Baysilone®-Imprägnieremulsion LD und Baysi- lone®-Imprägnieremulsion WA, erhältlich bei GE Bayer Silicones.
Die erfindungsgemäßen Bindemittel für die Herstellung von Werkstoffen weisen vorzugsweise folgende Zusammensetzung auf:
3 bis 33 Vol % der polyfunktionellen Organosilane und/oder -siloxane b) 66 bis 97 Vol % der kolloidalen Gelteilchen c),
und ganz besonders bevorzugt 5 bis 20 Vol % der polyfunktionellen Organosilane und/oder -siloxane b)
80 bis 95 Vol % der kolloidalen Gelteilchen c),
wobei die Summe aus b) und c) 100 % ergibt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das polyfunktionelle Organosilan und/oder -siloxan b) bis zu 99 Vol.-% durch Alkoxide d), Lösemittel e), Formgebungshilfsmittel f), den Vernetzungskatalysator g) und/oder Hydrophobierungsmittel h) ersetzt.
In diesem Falle werden folgende Mengenverhältnisse bevorzugt:
0 bis 99 Vol.-% d), 0,l bis 99 Vol.-% e), 0 bis 99 Vol.-% f),
0 bis l0 Vol.-% g), 0 bis l0 Vol.-% h).
Das erfindungsgemäße Bindemittel für Werkstoffe ist darüber hinaus geeignet zur Herstellung der erfindungsgemäßen Konstruktionswerkstoffe mit einer Druckfestigkeit > 0,85 MPa und eine Dichte > 0,3 g/cm3.
Das erfindungsgemäße Bindemittel für Werkstoffe ist darüber hinaus besonders geeignet zur Herstellung der erfindungsgemäßen Dämmstoffe mit einer Wärmeleitfä- higkeit < 0,3 W/mK, einer Dichte < 1,2 g/cm3 und einer Porosität >45 %.
Außerdem ist das erfindungsgemäße Bindemittel für Werkstoffe dafür geeignet solche Partikel zu binden, mit denen man Werkstoffe hoher Festigkeit, wie z.B. Gießformen, feuerfeste Werkstoffe, Filter und keramische Bauteile erhält.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist zudem ein Verfahren zur Herstellung von Werkstoffen.
Die Herstellung der Werkstoffe erfolgt durch einfaches Mischen von Partikeln a) und polyfunktionellem Organosilan und/oder -siloxan b), wobei beliebige Rührer eingesetzt werden können. Sind die optionalen zusätzlichen Komponenten c) bis h) vor- handen, so wird bei der Herstellung vorzugsweise das polyfunktionelle Organosilan und/oder -siloxan b) im Lösemittel e) gelöst und anschließend Gelteilchen c) und Alkoxide wie z.B. Si-, B- und oder Al-Alkoxide zugesetzt. Gegebenenfalls erfolgt danach die Zugabe von Formgebungshilfsmittel f), Vernetzungskatalysatoren g) und Hydrophobierungsmittel h). Diese Lösung wird dann mit den Partikeln vermischt.
Die erhaltene Mischung kann anschließend in Form gebracht, getrocknet und gehärtet werden, so daß der gewünschte Werkstoff entsteht.
Bevorzugt werden die optionalen Komponenten c) bis h) wie folgt zusammengege- ben: zu den kolloidalen Gelteilchen c) werden die Formgebungshilfsmittel f) gegeben und danach die Alkoxide d), die Vernetzungskatalysatoren g) und die Hydrophobierungsmittel h) zugesetzt.
Die Mischung der Komponenten erfolgt bei kleinen Flüssigkeitsmengen bezogen auf das Volumen der Partikel so, daß die Lösungen bzw. Emulsionen zu den Partikeln zudosiert werden. Hierbei werden die Oberflächen der Partikel mit der Lösung bzw. Emulsion überzogen. Bei großen Flüssigkeitsmengen werden bevorzugt die Partikel in die Lösung bzw. Emulsion zudosiert.
Geeignete Mischgeräte sind Eirichmischer, Pflugscharmischer, Extruder und Rührkessel, aber auch Einrichtungen, bei denen die Lösung bzw. Emulsion auf die Partikel aufgesprüht wird. Langfasern können auch durch ein Tauchbad gezogen werden oder mit Präparationsrollen beschichtet werden.
Die Konsistenz der Mischungen kann vom frei fließenden Pulver über hochviskose
Massen bis zu niedrigviskosen Suspensionen reichen.
Zur Formgebung der Mischungen können alle gängigen Formgebungsverfahren für
Pulver, viskose Massen und niedrigviskose Suspensionen angewendet werden. Bei- spiele für die Formgebung in Formen sind Einrütteln, Stampfen, axiales, biaxiales und isostatisches Pressen. Extrudieren ist ein kontinuierliches, plastisches Formge- bungsverfahren. Für niedrigviskose Suspension ist der Schlickerguß geeignet. Ein weiteres Formgebungsverfahren ist das Auftragen von Schichten auf Trägern, die die Form bestimmen. Das Auftragen der Schichten kann z.B. durch Auftragsspritzen oder durch Tauchen des Trägers in eine Suspension erfolgen. Das Auftragsspritzen kann auch verwendet werden, um beliebige Gegenstände oder Anlagen zu beschichten oder auszukleiden.
Schichten und Beschichtungen im Sinne der Erfindung unterscheiden sich von den aus DE-A 19 603 242, DE-A 19 603 241 und WO 94/06 807 bekannten Schichten und Beschichtungen dadurch, daß sie eine Mindestdicke von 10 mm aufweisen.
Fasern können auch mit in der Textilbranche üblichen Verfahren zu geformten Artikeln verarbeitet werden.
Besonders bevorzugt ist das beschriebene Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Konstruktionswerkstoffe mit einer Druckfestigkeit > 0,85 MPa und eine Dichte > 0,3 g/cm3.
Besonders bevorzugt ist das beschriebene Verfahren zur Herstellung der erfindungs- gemäßen Dämmstoffe mit einer Wärmeleitfähigkeit < 0,3 W/mK, einer Dichte < 1,2 g/cm3 und einer Porosität > 45 %.
Außerdem ist das beschriebene Verfahren zur Herstellung von Werkstoffen hoher Festigkeit geeignet, wie z.B. Gießformen, feuerfeste Werkstoffe, Filter und kerami- sehe Bauteile.
Die Trocknung und Aushärtung erfolgt vorzugsweise bei Temperaturen zwischen 5 und 600°C nach Formgebung oder Beschichtung. Bevorzugt erfolgt die Behandlung bei Temperaturen zwischen 20 bis 300°C, ganz besonders bevorzugt zwischen 100 bis 190°C. Die Trocknung der Formteile und Beschichtungen erfolgt dann in der
Regel während der Aushärtung. Je höher die Temperatur der Aushärtung gewählt wird, desto fester und härter wird der Verbund der Partikel. Ab ca. 250°C beginnt die Zersetzung der polyfunktionellen Organosilane und/oder -siloxane in dem Werkstoff und wandeln sich in SiO2 um (Keramisierung). Das neu gebildete SiO2 steigert die Festigkeit des Werkstoffes weiter und erhöht so dessen Feuerbeständigkeit ohne daß ein intermediärer Festigkeitsverlust auftritt.
Besonders bevorzugt wird der Zusatz von ca. 0,1 Gew.-% Bor bezogen auf den SiO2-Gehalt von b). Ein solcher Zusatz fordert die Umwandlung des SiO2 in Tridymit, wodurch die typischen Kristallumwandlungen des SiO2 vermieden werden. Diese führen zu einer Zerrüttung der Werkstoffe bei hohen Temperaturen durch
Temperaturwechsel.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Werkstoffe als Dämmstoffe, feuerfeste Werkstoffe, als Gießformen zur Herstellung von Metallgußteilen und/oder Filter und/oder zur Herstellung von keramischen Bauteilen. Beispiele für Produkte aus Baustoffen sind Balken, Stützen, Steine, Platten, Fliesen, Rohre, Formstücke, Beschichtungen und Filter. Beispiele für Dämmstoffprodukte, sogenannte Wärme- und Schalldämmstoffe sind Steine, Platten, Fliesen, Formstücke, Matten und Beschichtungen, welche zur Errichtung, Herstellung und Isolation von Gebäuden, Industrieanlagen, Geräten, Behältern und Rohrleitungen verwendet werden können.
Zu den Baustoffen gehören auch Bindemittel, wie Mörtel und Kleber. Diese werden verwendet, um die oben beispielhaft genannten Produkte miteinander zu verbinden oder zu befestigen.
Die nachfolgenden Beispiele zeigen, daß die Werkstoffe, die hydrophobiert sind, keinen intermediären Festigkeitsverlust beim Aufheizen erfahren, eine Wärmeleitfähigkeit < 0.3 W/mK bei Raumtemperatur aufweisen und im Falle anorganischer Partikel nicht brennbar sind und bei Verwendung teilweise oder vollständig organischer Partikel in der Entflammbarkeit und Brennbarkeit verbessert wurden. Ausführungsbeispiele
Vorbemerkung:
Der Hydrosilylierungskatalysator Silopren® U Katatalysator Pt/S (68 %ige Lösung eines mit cyclo-[OSi(CH3)(C2H3)]4-Liganden substituierten Pt-Komplexes in Iso- propanol) ist kommerziell bei der Bayer AG, D-51368 Leverkusen, erhältlich.
Ausführungsbeispiel
Synthese von cyclo-{OSiCH3[(CH2)2Si(CH3)(OH)2]}4 (= D4-Silandiol)
Zu einer Mischung bestehend aus 172,3 g cyclo-{OSi(CH3)(C2H3)}4 (0,5 ml), 150 ml Toluol (p.A.) und 0, 1 ml Silopren U katalysator Pt/S, wurden unter Schutzgas
(Argon) bei 100°C schnell 30 ml (CH3)SiHCl2 zum Starten der Hydrosilylierungs- reaktion zugegeben. Die Reaktion setzte sofort ein und die Temperatur stieg auf 108°C. Anschließend wurde der Rest der insgesamt 210,2 ml (CH3)SiHCl2 (232,3 g, 2,02 mol) zugetropft, wobei die Temperatur auf 122°C anstieg. Nach der Zugabe wurde 2 Stunden unter Rückfluß gerührt, das Lösemittel im Vakuum abkondensiert und der Rückstand in 300 ml tert.-Butylmethylether (p.A.) gelöst.
100 ml dieser Lösung wurden unter Schutzgas (Argon) langsam zu einer intensiv gerührten Zweiphasenmischung, bestehend aus 750 ml Wasser, in dem 16 g NaOH (0,4 mol) und 10,6 g Na2CO3 (0,1 mol) gelöst wurden, und 750 ml tert.-Butylmethylether, getropft. Während der Reaktion wurde die Mischung stets auf 3 bis 5°C gekühlt.
Anschließend wurde noch 1 Stunde bei Raumtemperatur gerührt, die organische Phase abgetrennt, diese über Na SO getrocknet, filtriert und das Lösemittel im
Vakuum abkondensiert. Das Produkt blieb als hochviskoses, nahezu festes Öl zurück. Ausbeute: 46,9 g
*H-NMR: (DMSO-d6) δ = 0,02 ppm (m, 6H, SiCH3); 0,55 ppm (m, 4H, SiCH2); 5,95 ppm (m, 2H, SiOH)
Vergleichsbeispiele:
Vorbemerkung:
Die Mischungen in den Vergleichsbeispielen wurden so angesetzt, daß der Feststoffgehalt der Bindemittel in der Mischung 19,4 Gew.-% betrug, d.h., daß sich in Summe mit dem Perlit 100 % ergaben.
Für das Vergleichsbeispiel mit Wasserglas wurde der Trockenrückenstand des Wasserglases nach 8 h Trocknung bei 130°C bestimmt. Der Trockenrückstand (Feststoffgehalt) betrug 40 %. Das Wasserglas enthielt 26,9 % SiO2 und 8 % Na2O.
Vergleichsbeispiel 1
Perlit EX-ZF®, 0-1,5 mm der Fa. NKF Isotherm-Technik GmbH, Niederkrüchten wurde mit einem Sieb der Maschenweite 1 mm gesiebt. 85 g des Durchgangs wurden in einem Eirich-Mischer mit 51,15 g Wasserglas 90 Sekunden lang vermischt, wobei die Zugabe des Wasserglases in ca. 45 Sekunden erfolgte. Die erhaltene Mischung wurde zu Zylindern mit den Abmessungen 5,58 cm Durchmesser und 3,05 cm Höhe verpreßt. Anschließend wurden die ausgeformten Zylinder bei 130°C in 5 Stunden getrocknet und ausgehärtet.
Die Dichten der getrockneten und ausgehärteten Proben variierten zwischen 0,142 und 0,155 g/cm3. Die Druckfestigkeit der Zylinder wurden in Anlehnung an DIN 5341 bei 5 % Stauchung bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 wieder- gegeben. Mit zunehmender Dichte steigt die Druckfestigkeit an. Die Probenkörper wurden durch Wasser benetzt und saugten sich voll.
Vergleichsbeispiel 2
Perlit EX-ZF®, 0-1,5 mm wurde mit einem Sieb der Maschenweite 1 mm gesiebt. 85 g des Durchgangs wurden in einem Eirich-Mischer mit 68,2 g eines wäßrigen Kieselsols, erhältlich bei der Bayer AG unter dem Namen Levasil® 200 S, 30 %ig, 90 Sekunden lang vermischt, wobei die Zugabe des Kieselsols in ca. 45 Sekunden erfolgte. Die erhaltene Mischung wurde zu Zylindern mit den Abmessungen 5,55 cm
Durchmesser und 3,09 cm Höhe verpreßt. Anschließend wurden die ausgeformten Zylinder bei 130°C in 5 Stunden getrocknet und ausgehärtet.
Die Dichten der getrockneten und ausgehärten Proben variierten zwischen 0,141 und 0,143 g/cm3. Die Druckfestigkeit der Zylinder wurde in Anlehnung an DIN 5341 bei
5 % Stauchung bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 wiedergegeben. Die Probenkörper wurden durch Wasser benetzt und saugten sich voll.
Vergleichsbeispiel 3
Perlit EX-ZF®, 0-1,5 mm wurde mit einem Sieb der Maschenweite 1 mm gesiebt. 85 g des Durchgangs wurden in einem Eirich-Mischer mit 68,2 g eines wäßrigen Kieselsols, erhältlich bei der Bayer AG unter dem Namen Levasil® 200, 30 %ig, 90 Sekunden lang vermischt, wobei die Zugabe des Kieselsols in ca. 45 Sekunden erfolgte. Die erhaltene Mischung wurde zu Zylindern mit den Abmessungen 5,61 cm
Durchmesser und 3,08 cm Höhe verpreßt. Anschließend wurden die ausgeformten Zylinder bei 130°C in 5 Stunden getrocknet und ausgehärtet.
Die Dichten der getrockneten und ausgehärten Proben variierten zwischen 0,136 und 0,142 g/cm3. Die Druckfestigkeit der Zylinder wurde in Anlehnung an DIN 5341 bei
5 % Stauchung bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 wiedergegeben. Mit zunehmender Dichte steigt die Druckfestigkeit an. Die Druckfestigkeiten sind, bezogen auf die Dichte, etwas besser als bei Verwendung von Levasil® 200 S (VB2). Die Probenkörper wurden durch Wasser benetzt und saugten sich voll.
Vergleichsbeispiel 4
Perlit EX-ZF®, 0-1,5 mm wurde mit einem Sieb der Maschenweite 1 mm gesiebt. 85 g des Durchgangs wurden in einem Eirich-Mischer mit 66,68 g eines Gemisches, bestehend aus 4,53 g Wasserglas und 62,15 g eines wäßrigen Kieselsols, erhältlich bei der Bayer AG unter dem Namen Levasil® 200, 30 %ig, 90 Sekunden lang vermischt, wobei die Zugabe des Gemisches in ca. 45 Sekunden erfolgte. Die erhaltene Mischung wurde zu Zylindern mit den Abmessungen 5,61 cm Durchmesser und 3,08 cm Höhe verpreßt. Anschließend wurden die ausgeformten Zylinder bei 130°C in 5 Stunden getrocknet und ausgehärtet.
Die Dichten der getrockneten und ausgehärten Proben variierten zwischen 0,144 und 0,147 g/cm3. Die Druckfestigkeit der Zylinder wurde in Anlehnung an DIN 5341 bei 5 % Stauchung bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 wiedergegeben. Mit zunehmender Dichte steigt die Druckfestigkeit an. Die Probenkörper wurden durch Wasser benetzt und saugten sich voll.
Beispiele
Vorbemerkung:
Die Mischungen in den Beispielen wurden so angesetzt, daß der Feststoffgehalt der Bindemittel in der Mischung in Summe mit dem Perlit 100 % ergab.
Zur Berechnung des Feststoffgehaltes wurde die D4-Silandiol-Konzentration in der Lösung verwendet. Beispiel 1
Feststoffgehalt des Bindemittels in der Mischung: 19,4 %.
Perlit EX-ZF®, 0-1,5 mm wurde mit einem Sieb der Maschenweite 1 mm gesiebt.
92 g des Durchgangs wurden in einem Eirich-Mischer mit 73,82 g einer Lösung, bestehend aus einer 30 %igen Lösung von D4-Silandiol in Isopropanol, 90 Sekunden lang vermischt, wobei die Zugabe des Gemisches in ca. 45 Sekunden erfolgte. Die erhaltene Mischung wurde zu Zylindern mit den Abmessungen 5,61 cm Durchmesser und 3,08 cm Höhe verpreßt. Anschließend wurden die Proben bei 130°C in
5 Stunden getrocknet und ausgehärtet.
Die Dichten variierten zwischen 0,093 und 0,146 g/cm3. Die Druckfestigkeit der Zylinder wurde in Anlehnung an DIN 5341 bei 5 % Stauchung bestimmt. Die Ergeb- nisse sind in Tabelle 1 und Abbildung 1 aufgetragen. Mit zunehmender Dichte steigt die Druckfestigkeit an. Die Probenkörper wurden durch Wasser deutlich weniger benetzt und saugten sich nicht so voll.
Beispiel 2
Feststoffgehalt des Bindemittels in der Mischung: 15 %.
Perlit EX-ZF®, 0-1,5 mm wurde mit einem Sieb der Maschenweite 1 mm gesiebt. 85 g des Durchgangs wurden in einem Eirich-Mischer mit 50 g einer Lösung, beste- hend aus einer 30 %igen Lösung von D4-Silandiol in Isopropanol, 90 Sekunden lang vermischt, wobei die Zugabe des Gemisches in ca. 45 Sekunden erfolgte. Die erhaltene Mischung wurde zu Zylindern mit den Abmessungen 5,62 cm Durchmesser und 3,17 cm Höhe verpreßt. Anschließend wurden die Proben bei 130°C in 5 Stunden getrocknet und ausgehärtet. Die Dichten variierten zwischen 0,114 und 0,137 g/cm3. Die Druckfestigkeit der Zylinder wurde in Anlehnung an DIN 5341 bei 5 % Stauchung bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 wiedergegeben. Mit zunehmender Dichte steigt die Druckfestigkeit an. Die Probenkörper wurden durch Wasser deutlich weniger benetzt und saugten sich nicht so voll.
Beispiel 3
Feststoffgehalt des Bindemittels in der Mischung: 10 %.
Perlit EX-ZF®, 0-1,5 mm wurde mit einem Sieb der Maschenweite 1 mm gesiebt.
85 g des Durchgangs wurden in einem Eirich-Mischer mit 33,33 g einer Lösung, bestehend aus einer 30 %igen Lösung von D4-Silandiol in Isopropanol, 90 Sekunden lang vermischt, wobei die Zugabe des Gemisches in ca. 45 Sekunden erfolgte. Die erhaltene Mischung wurde zu Zylindern mit den Abmessungen 5,61 cm Durchmesser und 3,08 cm Höhe verpreßt. Anschließend wurden die Proben bei 130°C in
5 Stunden getrocknet und ausgehärtet.
Die Dichten variierten zwischen 0,131 und 0,156 g/cm3. Die Druckfestigkeit der Zylinder wurde in Anlehnung an DIN 5341 bei 5 % Stauchung bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 wiedergegeben. Mit zunehmender Dichte steigt die Druckfestigkeit an. Die Probenkörper wurden durch Wasser deutlich weniger benetzt und saugten sich nicht so voll.
Beispiel 4
Feststoffgehalt des Bindemittels in der Mischung: 19,4 %.
Perlit EX-ZF®, 0-1,5 mm wurde mit einem Sieb der Maschenweite 1 mm gesiebt. 85 g des Durchgangs wurden in einem Eirich-Mischer mit 67,12 g eines Gemisches, bestehend aus einer 4,97 g einer 36,5 %-igen Lösung von D4-Silandiol in Isopropa- nol und 62,15 g eines Kieselsols in Isopropanol mit einem Siθ2-Gehalt von 30 % und einem Wassergehalt < 0,1 %, 90 Sekunden lang vermischt, wobei die Zugabe des Gemisches in ca. 45 Sekunden erfolgte. Die erhaltene Mischung wurde zu Zylindern mit den Abmessungen 5,65 cm Durchmesser und 3,12 cm Höhe verpreßt. Anschließend wurden die Proben bei 130°C in 5 Stunden getrocknet und ausgehärtet.
Die Dichten variierten zwischen 0,126 und 0,143 g/cm3. Die Druckfestigkeit der Zylinder wurde in Anlehnung an DIN 5341 bei 5 % Stauchung bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 wiedergegeben. Mit zunehmender Dichte steigt die Druck- festigkeit an. Die Probenkörper wurden durch Wasser benetzt und saugten sich aber weniger voll als die Proben aus den Vergleichsbeispielen 2 und 3.
Beispiel 5
Feststoffgehalt des Bindemittels in der Mischung: 19,4 %.
Perlit EX-ZF®, 0-1,5 mm wurde mit einem Sieb der Maschenweite 1 mm gesiebt. 85 g des Durchgangs wurden in einem Eirich-Mischer mit 65,78 g eines Gemisches, bestehend aus einer 3,63 g einer 50 %igen Lösung von D4-Silandiol in Isopropanol und 62,15 g eines Kieselsols in Isopropanol mit einem Siθ2-Gehalt von 30 % und einem Wassergehalt < 0,1 %, 90 Sekunden lang vermischt, wobei die Zugabe des Gemisches in ca. 45 Sekunden erfolgte. Die erhaltene Mischung wurde zu Zylindern mit den Abmessungen 7 cm Durchmesser und 4,3 cm Höhe verpreßt. Anschließend wurden die Proben bei 130°C in 5 Stunden getrocknet und ausgehärtet.
Danach wurden aus den Zylindern Quader der Abmessungen 4 x 4 x 5 cm geschnitten. Die Dichten variierten zwischen 0,128 und 0,133 g/cm3. Das Brandverhalten der Quader wurde geprüft (Prüfung von Baustoffen im Ofen nach DIN 4102). Die geprüften Proben erfüllten die Anforderungen des Ofentest nach DIN 4102 für Bau- Stoffe der Klasse AI (nicht brennbar). Beispiel 6
Feststoffgehalt des Bindemittels in der Mischung: 19,4 %.
Perlit EX-ZF®, 0-1,5 mm wurde mit einem Sieb der Maschenweite 1 mm gesiebt.
92 g des Durchgangs wurden in einem Eirich-Mischer mit 73,82 g einer Lösung, bestehend aus einer 30 %igen Lösung von D4-Silandiol in Isopropanol, 90 Sekunden lang vermischt, wobei die Zugabe des Gemisches in ca. 45 Sekunden erfolgte. Die erhaltene Mischung wurde zu Platten mit den Abmessungen 10 x 5 x 2,16 cm3 ver- preßt. Anschließend wurden die Proben bei 130°C in 5 Stunden getrocknet und ausgehärtet.
Die Dichten variierten zwischen 0,129 und 0,237 g/cm3. Die Wärmeleitfähigkeit der Platten wurde mit dem Prüfgerät Kemtherm QTM-D3 bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 aufgetragen. Mit zunehmender Dichte steigt die Wärmeleitfähigkeit linear an.
Beispiel 7
Feststoffgehalt des Bindemittels in der Mischung: 1,5 %.
Zu 2 kg Sand der Körnung H32 (Quarzwerke, Frechen) wurden in einem Hobbart- Mischer 60 g einer Lösung bestehend aus 30 g D4-Silandiol und 30 g Isopropanol gegeben. Die Mischzeit betrug 2 Minuten. Danach wurde die Mischung durch Rammen zu Normprüfkörpern geformt (Querschnittsfläche 2,2 x 2,2 cm), die anschließend bei 130°C oder 200°C ausgehärtet wurden. Die Festigkeit der Normprüfkörper wurde im Dreipunktbiegeversuch bestimmt (Auflagerabstand 15 cm). Die Biegefestigkeiten betrugen bei 130°C Härtung 37-40 kg/cm2 und bei 200°C Härtung 35-40 kg/cm2. Tabelle 1: Druckfestigkeit der Probekörper
Figure imgf000030_0001
Figure imgf000031_0001
VB = Vergleichsbeispiel
B = Beispiel (erfindungsgemäß) Tabelle 2: Dichte und Leitfähigkeiten der gepreßten Platten
Figure imgf000032_0001

Claims

Patentansprüche
1. Werkstoffe zur Konstruktion und Isolation, enthaltend
a) Partikel mit einem mittleren Teilchendurchmesser von >400 nm und
b) mindestens ein Hydrolyse- und/oder Kondensationsprodukt mindestens eines polyfunktionellen Organosilans und/oder -siloxans.
2. Werkstoffe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel aus
Metall-, Halbmetall- oder Nichtmetalloxiden und/oder -nitriden, -carbiden und/oder -carbonitriden und/oder Alkali- und/oder Erdalkalicarbonaten bestehen.
3. Werkstoffe nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das polyfunktionelle Organosilan mindestens eine Verbindung der Formel
Rl 4.iSi[(CH2)nSi(OR2)aR33.a]i (I) ist,
mit
i = 2 bis 4,
n = 1 bis 10 und
R1 = CrC6-Alkyl und/oder C6-C14-Aryl,
a = 1 bis 3
R2 = CrC6-Alkyl und/oder C6-C14-Aryl, R3 = Cj-Cg- Alkyl und/oder Cß-C^-Aryl wobei für den Fall a = 1 R2 auch Wasserstoff bedeuten kann.
Werkstoffe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das polyfunktionelle Organosiloxan mindestens eine Verbindung der Formel
Figure imgf000034_0001
mit
m = 3 bis 6,
o = 2 bis 10,
I bis .
R4 = CrC6- Alkyl und/oder C6-C14-Aryl,
für den Fall c = 1 kann R4 auch Wasserstoff bedeuten,
R5 = CrC6-Alkyl und/oder C6-C14-Aryl,
R6 = C,-C6 Alkyl und/oder C6-C14-Aryl,
. Werkstoffe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das polyfunktionelle Organosiloxan eine Verbindung der allgemeinen Formel (III)
Rl04.iSi[OSiR9 2(CH2)pSi(OR7)dR8 3 i]i (III) ist,
mit
i = 2 bis 4,
R!0 = CrC6-Alkyl und/oder C6-C14-Aryl,
p = I bis 10,
R8= CrC6-Alkyl und/oder C6-C14-Aryl,
d = 1 bis 3,
R7 = CrC6-Alkyl und/oder C6-C14-Aryl,
für den Fall d = 1 kann R7 auch H sein,
R9= CrC6-Alkyl und/oder C6-C14-Aryl.
6. Werkstoffe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das polyfunktionelle Organosilan und/oder -siloxan mindestens eine Verbindung der Formeln
Si[(CH2)2Si(OH)(CH3)2]4 und/oder
cyclo- { OSiCH3 [(CH2)2Si(OH)(CH3)2] } 4 und/oder cyclo-{OSiCH3[(CH2)2Si(OC2H5)2CH3]}4 und/oder
cyclo-{OSiCH3[(CH2)2Si(OC2H5)3]}4 und/oder
cyclo-{OSiCH3[(CH2)2Si(OH)2CH3]}4 und/oder
cyclo-{OSiCH3[(CH2)2(OH)3]}4 ist.
7. Werkstoffe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß diese gegebenenfalls kolloidale Gelteilchen c), Alkoxide d), Lösemittel e), Formgebungshilfsmittel f), einem Vernetzungskatalysator g) und/oder Hydrophobierungsmittel h) enthalten.
8. Verfahren zur Herstellung von Werkstoffen nach einem oder mehreren der
Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß a), b) und gegebenenfalls c), d), e), f), g) und/oder h) vermischt, in Form gebracht und bei Temperaturen von 20 bis 260°C getrocknet und gehärtet werden.
9. Verwendung der Werkstoffe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 als Dämmstoffe zur Schall- oder thermischen Isolation, feuerfeste Werkstoffe, Gießform und/oder Filter und/oder zur Herstellung von keramischen Bauteilen.
10. Bindemittel zur Herstellung von Werkstoffen enthaltend mindestens ein polyfunktionelles Organosilan und/oder -siloxane b) sowie kolloidale Gelteilchen c).
11. Bindemittel zur Herstellung von Werkstoffen nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das polyfunktionelle Organosilan und/oder -siloxan mindestens eine Verbindung der Formeln Si[(CH2)2Si(OH)(CH3)2]4 und/oder
cyclo-{OSiCH3[(CH2)2Si(OH)(CH3)2]}4 und/oder
cyclo-{OSiCH3[(CH2)2Si(OC2H5)2CH3]}4 und/oder
cyclo- { OSiCH3 [(CH2)2Si(OC2H5)3] }4 und/oder
cyclo-{OSiCH3[(CH2)2Si(OH)2CH3]}4 und/oder
cyclo-{OSiCH3[(CH2)2(OH)3]}4 ist.
12. Bindemittel zur Herstellung von Werkstoffen nach Anspruch 1, dadurch ge- kennzeichnet, daß diese gegebenenfalls kolloidale Gelteilchen c), Alkoxide d), Lösemittel e), Formgebungshilfsmittel f), einem Vernetzungskatalysator g) und/oder Hydrophobierungsmittel h) enthalten.
13. Verfahren zur Herstellung von Werkstoffen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß a), b) und gegebenenfalls c), d), e), f), g) und/oder h) vermischt, in Form gebracht und bei Temperaturen von 20 bis 260°C getrocknet und gehärtet werden.
14. Verwendung der Werkstoffe nach Anspruch 1 als Dämmstoffe zur Schall- oder thermischen Isolation, feuerfeste Werkstoffe, Gießform und/oder Filter und/oder zur Herstellung von keramischen Bauteilen.
15. Bindemittel zur Herstellung von Werkstoffen enthaltend mindestens ein polyfunktionelles Organosilan und/oder -siloxane b) sowie kolloidale Gelteil- chen c).
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