WO2009109537A1 - Schaumstoffe mit hoher flammfestigkeit und geringer dichte - Google Patents

Schaumstoffe mit hoher flammfestigkeit und geringer dichte Download PDF

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WO2009109537A1
WO2009109537A1 PCT/EP2009/052428 EP2009052428W WO2009109537A1 WO 2009109537 A1 WO2009109537 A1 WO 2009109537A1 EP 2009052428 W EP2009052428 W EP 2009052428W WO 2009109537 A1 WO2009109537 A1 WO 2009109537A1
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foam
weight
parts
curing
particles
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PCT/EP2009/052428
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Klaus Hahn
Armin Alteheld
Benjamin Nehls
Bernhard Schmied
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Basf Se
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    • C04B38/10—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof by using foaming agents or by using mechanical means, e.g. adding preformed foam
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    • C04B2111/52—Sound-insulating materials

Definitions

  • the invention relates to a process for producing a foam by curing a blowing or blowing foam from an aqueous composition, wherein the aqueous composition
  • Inorganic foams based on aluminosilicates are known, for example, from EP-A 1 423 346 and WO 2007/048729.
  • WO 2007/023089 describes that expandable polystyrene (EPS) can be bonded to form a foam sheet by the use of a binder based on an aqueous silicate solution with the addition of a hydrophobic polymer dispersion. This is characterized by low flammability. Due to the high density of the water-containing binder system consisting essentially of inorganic constituents, the resulting sheets have significantly higher densities than standard EPS sheets without binders. As a result, the higher densities lead to a poorer handling of the resulting molding compositions and a poorer thermal insulation.
  • EPS expandable polystyrene
  • the object of the present invention was to find a foam with high flame resistance and low density, and a process for its preparation.
  • component A) 40 to 95 parts by weight, preferably 50 to 70 parts by weight of an alkali metal silicate solution, in particular water glass solution having a water content of 40 to 90, preferably 50 to 70 wt .-%, used.
  • component B) 0 to 60 parts by weight, preferably 30 to 50 parts by weight of a powdered alkali silicate, in particular water glass powder having a water content of 0 to 30, preferably 1 to 25 wt .-%.
  • the surfactant system should be compatible with the polymer dispersion.
  • Particularly advantageous surfactant systems are those which are suitable for the production and stabilization of aqueous foams in alkaline media and at high electrolyte concentrations.
  • surfactants anionic, cationic, nonionic or ambivalent surfactants or mixtures thereof can be used. Both low molecular weight and polymeric surfactants can be used.
  • Nonionic surfactants are, for example, addition products of alkylene oxides, in particular ethylene oxide, propylene oxide and / or butylene oxide with alcohols, amines, phenols, naphthols or carboxylic acids.
  • the surfactants used are advantageously addition products of ethylene oxide and / or propylene oxide with alcohols containing at least 10 carbon atoms, the addition products containing 3 to 200 moles of ethylene oxide and / or propylene oxide per mole of alcohol.
  • the addition products contain the alkylene oxide units in the form of blocks or in random distribution.
  • nonionic surfactants are the addition products of% mol of ethylene oxide with 1 mol of tallow fatty alcohol, reaction products of 9 mol of ethylene oxide with 1 mol of tallow fatty alcohol and addition products of 80 mol of ethylene oxide with 1 mol of tallow fatty alcohol.
  • nonionic surfactants consist of reaction products of oxo alcohols or Ziegler alcohols with 5 to 12 moles of ethylene oxide per mole of alcohol, in particular with 7 moles of ethylene oxide. Further commercially available nonionic surfactants are obtained by ethoxylation of castor oil. For example, 12 to 80 moles of ethylene oxide are added per mole of castor oil.
  • reaction products of 18 mol of ethylene oxide with 1 mol of tallow fatty alcohol the addition products of 10 mol of ethylene oxide with 1 mol of a C13 / C15 oxoalcohol, or the reaction products of 7 to 8 moles of ethylene oxide with 1 mol of a Ci 3 / Ci5 oxo alcohol.
  • suitable nonionic surfactants are phenol alkoxylates such as p-tert-butylphenol, which is reacted with 9 moles of ethylene oxide, or methyl ethers of reaction products of 1 mole of a Ci2 / Ci8 alcohol and 7.5 moles of ethylene oxide.
  • nonionic surfactants are alkoxylated, preferably ethoxylated silicones. Preference is given here to water-soluble silicone surfactants obtained by reacting short-chain silicones (diemthicones) with a high molar proportion of ethylene oxide.
  • the surfactants described above can be converted, for example, by esterification with sulfuric acid in the corresponding sulfuric acid half esters.
  • the sulfuric acid half esters are used in the form of the alkali metal or ammonium salts as anionic surfactants.
  • Suitable anionic surfactants are, for example, alkali metal or ammonium salts of sulfuric monoesters of addition products of ethylene oxide and / or propylene oxide with fatty alcohols, alkali metal or ammonium salts of alkylbenzenesulfonic acid or alkylphenol ether sulfates. Products of the type mentioned are commercially available.
  • cationic surfactants are suitable. Examples of these are the dimethylsulfate-quaternized reaction products of 6.5 mol of ethylene oxide with 1 mol of oleylamine, distearyldimethylammonium chloride, lauryltrimethylammonium chloride, cetylpyridinium bromide and quaternized stearic acid triethanolamine ester with dimethyl sulfate. Due to interactions with anionic silicates only cationic surfactants are often not suitable for foam stabilization. The combination of cationic surfactants with anionically stabilized polymer latex can lead to destabilization of the dispersion.
  • the surfactants are contained in the aqueous composition preferably in an amount in a range of 0.1 to 15 parts by weight, more preferably in a range of 1 to 10 parts by weight, each based on the weight of the aqueous composition.
  • Stabilizers, thickeners, fillers or cell nucleating agents or mixtures thereof can be used as adjuvants in the process according to the invention. It may be advantageous to use additional thixotropic agents which, for example, allow control of the viscosity of the binder to be foamed.
  • These additives can be organic or inorganic in nature. Frequently used additives are, for example, phyllosilicates, polyphosphates, polyvinyl alcohol, polyvinylpyrrolidone, etc. It is advantageous if these additives have no negative effects with regard to the fire properties.
  • Thickeners are used, for example, to optimize the foam structure and to improve foam stability. Suitable thickeners are all known natural and synthetic polymers which greatly increase the viscosity of an aqueous system. These may be water-swellable or water-soluble synthetic or natural polymers. As thickeners and powdery superabsorbent are suitable.
  • the fillers used are preferably chalks, concreteites, talc, gypsum, aluminum oxide, aluminum hydroxides, boric acid and borates, cement, silica gels or silicic acid, activated carbons, graphites, calcium oxide, zinc oxide, aluminophosphates, boron phosphates, pigments such as titanium dioxide and iron oxide or mixtures thereof become. It may consist of intumescent additives, e.g. Expanded graphite or carbohydrates, are used.
  • a clay mineral can be added as auxiliary to the aqueous composition.
  • Halloysite 8 ISi 4 Oi 0] ⁇ 2 H 2 O, montmorillonite (smectite) AUt (OH) (AI
  • kaolin is particularly preferably used in general, the solid-related weight ratio of clay mineral to alkali metal silicate in the aqueous composition ranges
  • dispersing aids for example Sokalan types from BASF SE
  • Sokalan types from BASF SE
  • the aqueous composition may contain hydrophobizing additives, for example paraffins, silicones, aluminum stearates or the like. Care must be taken in these additions that they do not lead to defoaming.
  • hydrophobizing additives for example paraffins, silicones, aluminum stearates or the like. Care must be taken in these additions that they do not lead to defoaming.
  • the auxiliary agents are preferably contained in the aqueous composition in an amount in a range of 0.01 to 80 parts by weight, more preferably in a range of 0.05 to 10 parts by weight, and more preferably in a range of 0.1 to 5 parts by weight, respectively based on the weight of the aqueous composition.
  • An increase in viscosity for better foamability can also be achieved by the addition of electrolytes, special surfactants or by a change in the pH, the temperature or the concentration.
  • component D) 5 to 40 parts by weight, preferably 10 to 30 parts by weight of a polymer dispersion having a solids content of 10 to 60 wt .-%, preferably 20 to 50 wt .-%.
  • the aqueous composition comprises an aqueous polymer dispersion, which, after drying, to a dried polymer film having a glass transition temperature ranging from -60 to +100 0 C, preferably in the range from -30 ° to + 80 0 C, more preferably in the range of -10 ° to + 60 0 C .
  • the glass transition temperature can be determined by differential scanning calorimetry (DSC).
  • dispersions of block copolymers or mixtures of different polymer dispersions which have two or more glass transition temperatures.
  • a combination of low film formation temperature with increased mechanical stability, better compatibility or increased hydrophobicity may be possible.
  • component D) are, for example, polymers based on monomers such as vinyl aromatic monomers, such as ⁇ -methylstyrene, p-methylstyrene, ethylstyrene, tert-butylstyrene, vinylstyrene, vinyltoluene, 1, 2-diphenylethylene, 1, 1-diphenylethylene, alkenes, such as Ethylene or propylene, dienes, such as 1, 3-butadiene, 1, 3-pentadiene, 1, 3-hexadiene, 2,3-dimethylbutadiene, isoprene, piperylene or isoprene, ⁇ , ß-unsaturated carboxylic acids, such as acrylic acid and methacrylic acid, their Esters, in particular alkyl esters, such as Ci-io-alkyl esters of acrylic acid, in particular the butyl ester, preferably n-butyl acrylate, and the Ci-10-alkyl esters
  • the polymers may optionally contain from 1 to 5% by weight of comonomers, such as (meth) acrylonitrile, (meth) acrylamide, ureido (meth) acrylate, 2-hydroxyethyl (meth) acrylate, 3-hydroxypropyl (meth) acrylate, Acrylamidepropanesulfonic acid, methylolacrylamide or the sodium salt of vinylsulfonic acid.
  • comonomers such as (meth) acrylonitrile, (meth) acrylamide, ureido (meth) acrylate, 2-hydroxyethyl (meth) acrylate, 3-hydroxypropyl (meth) acrylate, Acrylamidepropanesulfonic acid, methylolacrylamide or the sodium salt of vinylsulfonic acid.
  • the polymers are preferably composed of one or more of the monomers styrene, butadiene, acrylic acid, methacrylic acid, C 1-4 -alkyl acrylates, C 1-4 -alkyl methacrylates, acrylamide, methacrylamide and methylolacrylamide.
  • Particularly suitable polymers are acrylate resins which are used according to the invention as aqueous polymer dispersions, if appropriate additionally with hydraulic binders based on cement, lime cement or gypsum.
  • Suitable polymer dispersions are, for example, by free-radical emulsion polymerization of ethyl- unsaturated monomers, such as styrene, acrylates or methacrylates, as described in WO 00/50480.
  • acrylates or styrene acrylates which are composed of the monomers styrene, n-butyl acrylate, methyl methacrylate (MMA), methacrylic acid, acrylamide or methylolacrylamide.
  • the polymer dispersion is prepared in a manner known per se, for example by emulsion, suspension or dispersion polymerization, preferably in the aqueous phase. It is also possible to prepare the polymer by solution or bulk polymerization, if appropriate to divide it and then to disperse the polymer particles in water in the customary manner. In the polymerization, the initiators, emulsifiers or suspension aids, regulators or other hydrogens customary for the particular polymerization process are used; and polymerization is carried out continuously or batchwise at the temperatures and pressures customary for the particular process in customary reactors.
  • the aqueous composition consists of the components A), B) and D) or A), C) and D) or A), B), C) and D), wherein the components A) and B) to 100 parts sum up.
  • the components A), B), C) and D) can be mixed in any order.
  • foam or blowing foam before curing foam particles can be added from a thermoplastic polymer.
  • the foam particles By adding the foam particles, the insulating performance of the inorganic foam can be improved.
  • the foam particles may be added to the aqueous composition before or after foaming.
  • the foam particles are preferably mixed last with the finished mixture of A), B), C) and D).
  • the blow-up foam is preferably first produced, which is then mixed with the foam particles.
  • the foam particles are preferably added to the aqueous composition of components A), B), C) and D) and the mixture is subsequently foamed.
  • Expanded polyolefin in particular expanded polypropylene (EPP), expanded polyethylene (EPE) or prefoamed particles of expandable styrene polymers (EPS) are preferably used as foam particles. It is also possible to use combinations of different foam particles. Preferably, they are thermoplastic materials. It is also possible to use crosslinked polymers, for example radiation-crosslinked polyolefin foam bodies.
  • the foamed particles based on styrene polymers can be obtained by prefetching EPS with hot air or steam in a prefoamer to the desired density. By prefoaming once or several times in a pressure or continuous prefoamer, final bulk densities of less than 10 g / l can be obtained.
  • athermal solids such as carbon black, aluminum, graphite or titanium dioxide
  • foam particles based on ⁇ -methylstyrene / acrylonitrile copolymer (AMSAN) with high solvent resistance or elastic foam particles based on multiphase blends of styrene polymers and polyolefins can be used.
  • the process can also be used crushed foam particles made of recycled foam moldings.
  • the comminuted foam recycled to 100% or z. B. in proportions of 2 to 90 wt .-%, in particular 5 to 25 wt .-% are used together with virgin material, without significantly affecting the strength and mechanical properties.
  • the foam particles may be equipped with a surface impregnation, for example to improve the connection to the hydrous system.
  • hybrid foams can be obtained from the substantially organic foam particles and the substantially inorganic foam matrix formed from the aqueous composition. Preference is given to hybrid foams which contain 50 to 99% by volume, preferably 60 to 80% by volume, of foamy particles of thermoplastic polymer and 1 to 50% by volume, preferably 20 to 40% by volume, of a foam on base. of silicates obtainable by curing a blowing or blowing foam from the above-described aqueous composition.
  • the density of the foam based on silicates is generally below 1000 kg / m 3 , preferably in the range of 100 to 500 kg / m 3 .
  • the hybrid foam has a density in the range of 10 to 1000 kg / m 3 , preferably in the range of 100 to 300 kg / m 3 .
  • the foaming of the aqueous composition is preferably carried out by mechanical action, in particular shearing, more preferably by vigorous stirring or mixing with mixing with air.
  • the introduction of gas bubbles into the aqueous composition takes place, for example, by means of impact, shaking, stirring or whipping devices.
  • Suitable inert gases are, for example, nitrogen, carbon dioxide, helium, neon and argon.
  • a gas preferably air
  • a gas is introduced into the aqueous composition, optionally with additives and before the introduction of polymer foam particles.
  • This can be done for example by a suitable mixer, dispenser or a porous membrane.
  • thermoplastic foam particles for example prefoamed EPS particles, can be introduced into the formed foaming foam and foamed freely in a mold or optionally compressed. Pressing is particularly recommended for higher proportions of foam particles.
  • the binder can also be supplied under pressure, a gaseous substance as a physical blowing agent, which leads to an increase in volume at a relaxation to atmospheric pressure. It is also possible to use a liquid which is converted into the gaseous state of matter by changes in pressure or temperature.
  • the substance can be present homogeneously dissolved in the essentially aqueous binder (for example, methanol, ethanol, isopropanol, CO 2, formic acid mixtures). ethyl ester or formic acid ethyl ester or form separate phases, for example pentane, etc. In the case of multiphase systems, the use of a dispersant is advantageous.
  • chemical blowing agents which are e.g. form a gas due to chemical decomposition processes; for example, carbonates, azides, hydrazides, hydroxides or peroxides.
  • the release of the gas may be by reaction of one, two or more components and by changing the environmental conditions, e.g. the temperature, to be initiated.
  • Further examples are acids or acid anhydrides in combination with carbonates or isocyanates in combination with water.
  • the solidification of the inorganic portion can be achieved by gelation and SiO 2 formation, which ideally causes solidification after the foam is formed.
  • the curing methods customary for water glass can be used, for example ester hardening by means of triacetin, diacetin or the like, aluminum-containing salts, CO 2 introduction or acid formation from anhydrides.
  • organic systems which may also be part of a hydrophobic acting system. It is advantageous if these systems are soluble or dispersible in aqueous media. Examples of such systems are self-crosslinking dispersions, e.g. by ester formation or water-dispersible isocyanates in combination with functional dispersions or dissolved reactants.
  • crosslinking isocyanates having a functionality of more than 1.
  • the reaction can be controlled. Due to the simultaneous elimination of CO 2 , the isocyanates can be used simultaneously as a blowing agent and hardener for the water glass-containing inorganic foam. In this way one obtains particularly temperature-stable foams.
  • the crosslinking takes place below the softening temperature of the particle foam.
  • An adjustment of the reaction can be made via the choice of reactants, their concentration and catalysts.
  • water-dispersible isocyanates can be reacted with amino-functionalized polymers, the reaction rate being significantly higher with primary amines than with secondary amines. Both reactions are faster than a reaction with water.
  • the heating of the foamed composition is preferably carried out in an oven, a drying oven, with a hot gas stream, by infrared radiation or by microwave radiation.
  • the microwave radiation is not only suitable for curing the foam, but can also foaming or NachWebumen the dried or still wet aqueous composition of components A, B and C, which is optionally mixed with foam particles.
  • the foamed composition is first converted into a shaped body before it is heated.
  • the aqueous composition is converted before foaming into a shaped body and then foamed in this shaped body.
  • foam-like structures with a defined spatial structure can then be obtained.
  • the thickness, length and width of the foam sheets can vary within wide limits and is limited by the size and closing force of the tool.
  • the thickness of the foam sheets is usually 1 to 500 mm, preferably 10 to 300 mm.
  • the density of the foam moldings according to DIN 53420 is generally 10 to 500 kg / m 3 , preferably 30 to 300 kg / m 3
  • the curing and drying of the foamed binder may optionally be continuous or batch by means of a furnace or in hot air stream.
  • the curing of the foam is preferably carried out with air or nitrogen at a temperature in the range of 0 to 80 0 C.
  • the curing and / or foaming can be carried out by irradiation with microwaves.
  • the sintering and / or foaming can take place continuously or discontinuously under the action of microwave energy.
  • microwaves are used in the frequency range between 0.85 and 100 GHz, preferably 0.9 to 10 GHz and irradiation times between 0.1 and 15 minutes. It is also possible to produce foam boards with a thickness of more than 5 cm.
  • the irradiation of the mixture to be hardened can be carried out in a treatment room.
  • a discontinuous embodiment of the treatment room is closed on all sides.
  • the mixture would be carried past the radiation source on a continuously moving belt. Leg- If the prefoamed foam particles still contain propellant, which boils below the evaporation temperature of water, the resulting steam can be used to foam the EPS spheres.
  • foam-particle-containing foams by means of microwave radiation is particularly preferred in the production of foam sheets having a thickness of more than 5 cm. Due to the material density and the insulating effect of optionally added foam particles is a solely thermal curing of the material (crosslinking of the matrix material) significantly delayed.
  • a preferred method (A1) using a blown foam comprises the steps:
  • prefoaming of expandable styrene polymers into foam particles ii) preparation of a blowing foam from an aqueous composition of components A), B), C) and D), iii) adding the foam particles prefoamed in stage i) to that in stage ii iv) curing of the resulting foam with air or nitrogen at a temperature in the range of 80 ° C. or by means of microwaves.
  • the inorganic foam obtainable by the process according to the invention is distinguished by high flame resistance and low density. Pressing under high pressure in the mold is not necessary.
  • Another method (A2) for producing the hybrid foam according to the invention using microwave radiation comprises the steps:
  • thermoplastic foam particles The purely inorganic foams obtainable without the addition of thermoplastic foam particles generally have better flame resistance, mechanical properties and abrasiveness.
  • the thermoplastic foam particles are extracted.
  • the thermal decomposition or extraction of the particle foams can also take place from a silicate matrix having a high density.
  • Suitable particle foam-containing plates are described, for example, in WO 2007/023089 or PCT / EP2007 / 060541.
  • the organic component is removed, leaving behind a substantially inorganic foam structure whose cavities are predetermined by the particle size of the previously used organic foam particles. If one uses foam particles of EPS cavities of 0.4 to 10 mm, preferably 1-6 mm can be produced.
  • the foam moldings obtained in this way (“lost foam”) are preferably postcured, for example by acid catalysis or thermal sintering.
  • foam bodies described above can also be used as "sieves" for high-temperature applications in addition to the construction applications described here, because the use of different foam particle sizes makes it possible to set the sieve size very precisely.
  • Suitable solvents are e.g. Dichloromethane or toluene, in particular to dissolve the preferably used foam particles of expandable polystyrene from the inorganic matrix. Due to the usually weight moderately low levels of foam particles in the inorganic foam, small amounts of solvents are sufficient.
  • the solvents can be recycled in a cycle, for example by extraction in a Soxhlet apparatus.
  • the inventive method is suitable for the production of simple or complex foam moldings, such as plates, blocks, tubes, rods, profiles, etc.
  • plates or blocks which can be subsequently sawed or cut into sheets, produced.
  • they can be used in construction for the insulation of exterior walls or flat roofs.
  • They are particularly preferred as the core layer for producing sandwich elements, for example used so-called structural insulation panels (SIP), which are used for the construction of cold stores or warehouses.
  • SIP structural insulation panels
  • pallets of foam as a substitute for wooden pallets, cover panels, refrigerated containers, caravans. Due to their excellent fire resistance, they are also suitable for airfreight.
  • the foam obtained according to Example 1 was in the sequence about 1 min. irradiated in the microwave (600 W), the foam continued to foam and the density dropped to about 200 g / L.
  • Examples 1 and 2 were also performed with Lutensol® GD70 additions of 2-10 parts and with EPS additions of 2-8 parts.
  • Example 5 Impact foam of the aqueous waterglass solution

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Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung eines Schaumstoffes durch Härtung eines Schlag- oder Treibschaums aus einer wässrigen Zusammensetzung, wobei die wässrige Zusammensetzung A) 40 bis 95 Gewichtsteilen einer Alkalisilikatlösung mit einem Wassergehalt von 40 bis 90 Gew.-%, B) 0 bis 60 Gewichtsteilen eines pulverförmigen Alkalisilikats mit einem Wassergehalt von 0 bis 30 Gew.-%, C) 0 bis 15 Gewichtsteilen eines Tensides, D) 5 bis 40 Gewichtsteilen einer wässrigen Polymerdispersion mit einem Feststoffgehalt von 10 bis 60 Gew.-%, enthält, sowie die nach dem Verfahren erhältlichen Schaumstoffe und deren Verwendung als Dämmplatte.

Description

Schaumstoffe mit hoher Flammfestigkeit und geringer Dichte
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Schaumstoffes durch Härtung eines Schlag- oder Treibschaums aus einer wässrigen Zusammensetzung, wobei die wässrige Zusammensetzung
A) 40 bis 95 Gewichtsteilen einer Alkalisilikatlösung mit einem Wassergehalt von 40 bis 90 Gew.-%,
B) 0 bis 60 Gewichtteilen eines pulverförmiges Alkalisilikat mit einem Wassergehalt von 0 bis 30 Gew.-%
C) 0 bis 15 Gewichtsteilen eines Tensides,
D) 5 bis 40 Gewichtsteilen einer wässrigen Polymerdispersion mit einem Feststoff- gehalt von 10 bis 60 Gew.-% ,
enthält, sowie die nach dem Verfahren erhältlichen Schaumstoffe und deren Verwendung als Dämmplatte.
Anorganische Schaumstoffe auf Basis von Alumosilikaten sind beispielsweise aus EP- A 1 423 346 und WO 2007/048729 bekannt.
In WO 2007/023089 wird beschrieben, dass expandierbares Polstyrol (EPS) durch den Einsatz eines Bindemittels auf Basis einer wässrigen Silikatlösung unter Zusatz einer hydrophob wirkenden Polymerdispersion zu einer Schaumstoffplatte verklebt werden kann. Diese zeichnet sich durch Schwerentflammbarkeit aus. Aufgrund der hohen Dichte des im Wesentlichen auf anorganischen Bestandteilen bestehenden wasserhaltigen Bindersystems, weisen die erhaltenen Platten deutlich höhere Dichten als Standard EPS-Platten ohne Bindemittel auf. In der Folge führen die höheren Dichten zu einer schlechteren Handhabung der resultierenden Formmassen und einer schlechteren Wärmedämmung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, einen Schaumstoff mit hoher Flammfestigkeit und geringer Dichte, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung zu finden.
Demgemäß wurde das oben beschriebene Verfahren und die nach dem Verfahren erhältlichen Schaumstoffe gefunden.
Als Komponente A) werden 40 bis 95 Gewichtsteile, bevorzugt 50 bis 70 Gew. -Teile einer Alkalisilikatlösung, insbesondere Wasserglaslösung mit einem Wassergehalt von 40 bis 90, bevorzugt 50 bis 70 Gew.-%, eingesetzt. Als Komponente B) werden 0 bis 60 Gewichtteile, bevorzugt 30 bis 50 Gew.-Teile eines pulverförm iges Alkalisilikat, insbesondere Wasserglaspulver mit einem Wassergehalt von 0 bis 30, bevorzugt 1 bis 25 Gew.-% .
Als Alkali-Silikat wird vorzugsweise ein wasserlösliches Alkalisilikate mit der Zusammensetzung M2θ(Siθ2)n mit M = Natrium oder Kalium und n = 1 bis 4 oder Mischungen davon eingesetzt.
Es ist vorteilhaft zur Erzeugung und Stabilisierung des aus dem Bindemittel generierten Schaums als Komponente C) 0 bis 15 Gewichtsteile, vorzugsweise 1 bis 10 Gewichtsteile eines Tensides oder Kombinationen mehrerer Tenside zu verwenden.
Das Tensidsystem sollte mit der Polymerdispersion verträglich sein. Besonders vorteilhaft sind Tensidsysteme, die zur Erzeugung und Stabilisierung von wässrigen Schäu- men in alkalischen Medien und bei hohen Elektrolytkonzentrationen geeignet sind.
Als Tenside können anionische, kationische, nichtionische oder ambivalente Tenside oder deren Mischungen verwendet werden. Es können sowohl niedermolekulare als auch polymere Tenside eingesetzt werden.
Nichtionische Tenside sind beispielsweise Additionsprodukte von Alkylenoxiden, insbesondere Ethylenoxid, Propylenoxid und /oder Butylenoxid an Alkohole, Amine, Phenole, Naphthole oder Carbonsäuren. Vorteilhaft setzt man als Tenside Additionsprodukte von Ethylenoxid und/oder Propylenoxid an mindestens 10 Kohlenstoffatome ent- haltende Alkohole ein, wobei die Additionsprodukte pro Mol Alkohol 3 bis 200 Mol Ethylenoxid und/oder Propylenoxid angelagert enthalten. Die Additionsprodukte enthalten die Alkylenoxid-Einheiten in Form von Blöcken oder in statistischer Verteilung. Beispiele für nichtionische Tenside sind die Additionsprodukte von % Mol Ethylenoxid an 1 Mol Taigfettalkohol, Umsetzungsprodukte von 9 Mol Ethylenoxid mit 1 Mol Taigfettalkohol und Additionsprodukte von 80 Mol Ethylenoxid mit 1 Mol Taigfettalkohol.
Weitere handelsübliche nichtionische Tenside bestehen aus Umsetzungsprodukten von Oxoalkoholen oder Ziegler-Alkoholen mit 5 bis 12 Mol Ethylenoxid pro Mol Alkohol, insbesondere mit 7 Mol Ethylenoxid. Weitere handelsübliche nichtionische Tenside werden durch Ethoxylierung von Rizinusöl erhalten. Pro Mol Rizinusöl werden beispielsweise 12 bis 80 Mol Ethylenoxid angelagert. Weitere handelsübliche Produkte sind beispielsweise die Umsetzungsprodukte von 18 Mol Ethylenoxid mit 1 Mol TaIg- fettalkohol, die Additionsprodukte von 10 Mol Ethylenoxid an 1 Mol eines C13/C15- Oxoalkohols, oder die Umsetzungsprodukte von 7 bis 8 Mol Ethylenoxid an 1 Mol eines Ci3/Ci5-Oxoalkohols. Weitere geeignete nichtionische Tenside sind Phenolalkoxylate wie beispielsweise p- tert.-Butylphenol, das mit 9 Mol Ethylenoxid umgesetzt ist, oder Methylether von Umsetzungsprodukten aus 1 Mol eines Ci2/Ci8-Alkohols und 7,5 Mol Ethylenoxid.
Weitere geeignete nichtionische Tenside sind alkoxylierte, vozugsweise ethoxylierte Silikone. Bevorzugt sind hier wasserlösliche Silikontenside, die durch Umsetzung von kurzkettigen Silikonen (Diemthicone) mit einem hohen Molanteil Ethylenoxid erhalten werden.
Die oben beschriebenen Tenside können beispielsweise durch Veresterung mit Schwefelsäure in die entsprechenden Schwefelsäurehalbester überführt werden. Die Schwefelsäurehalbester werden in Form der Alkalimetall- oder Ammoniumsalze als anionische Tenside eingesetzt. Als anionische Tenside eignen sich beispielsweise Al- kalimetall- oder Ammoniumsalze von Schwefelsäurehalbestern von Additionsprodukten von Ethylenoxid und/oder Propylenoxid an Fettalkohole, Alkalimetall- oder Ammoniumsalze von Alkylbenzolsulfonsäure oder Alkylphenolethersulfaten. Produkte der genannten Art sind im Handel erhältlich.
Auch kationische Tenside sind geeignet. Beispiele hierfür sind die mit Dimethylsufat quarternierten Umsetzungsprodukte von 6,5 Mol Ethylenoxid mit 1 Mol Oleylamin, Distearyldimetyhlammoniumchlorid, Lauryltrimethylammoniumchlorid, Cetylpyridini- umbromid und mit Dimethylsulfat quarternierter Stearinsäuretriethanolaminester. Aufgrund von Wechselwirkungen mit anionischen Silikaten sind ausschließlich kationische Tenside häufig nicht zur Schaumstabilisierung geeignet. Die Kombination von kationischen Tensiden mit anionisch stabilisierter Polymerlatex kann zur Destabilisierung der Dispersion führen.
Die Tenside sind in der wässrigen Zusammensetzung vorzugsweise in einer Menge in einem Bereich von 0,1 bis 15 Gewichtsteilen, besonders bevorzugt in einem Bereich von 1 bis 10 Gewichtsteilen, jeweils bezogen auf das Gewicht der wässrigen Zusammensetzung, enthalten.
Als Hilfsstoffe können in dem erfindungsgemäßen Verfahren Stabilisatoren, Verdicker, Füllstoffe oder Zellkeimbildner oder Mischungen hiervon eingesetzt werden. Es kann vorteilhaft sein, zusätzliche Thixotropierungsmittel zu verwenden, die z.B. eine Kontrolle der Viskosität des zu schäumenden Bindemittels ermöglichen. Diese Zusätze können organischer oder anorganischer Natur sein. Häufig verwendete Zusätze sind z.B. Schichtsilikate, Polyphosphate, Polyvinylalkohol, Polyvinylpyrrolidon, etc. Es ist von Vorteil, wenn diese Zusätze keine negativen Effekte im Hinblick auf die Brandeigenschaften aufweisen. Verdicker werden beispielsweise zur Optimierung der Schaumstruktur und zur Verbesserung der Schaumstabilität eingesetzt. Als Verdickungsmittel kommen alle hierfür bekannten natürlichen und synthetischen Polymere in Betracht, die die Viskosität eines wässrigen Systems stark erhöhen. Hierbei kann es sich um wasserquellbare oder was- serlösliche synthetische oder natürliche Polymere handeln. Als Verdicker sind auch pulverförmige Superabsorber geeignet.
Als Füllstoffe werden vorzugsweise Kreiden, Betonite, Talkum, Gips, Aluminiumoxid, Aluminiumhydroxide, Borsäure und Borate, Zement, Kieselgele oder Kieselsäure, Ak- tivkohlen, Graphite, Calciumoxid, Zinkoxid, Alumophosphate, Borphosphate, Pigmente, wie Titandioxid und Eisenoxid oder deren Mischungen eingesetzt werden. Es können aus intumeszierend wirkende Additive, z.B. Blähgraphit oder Kohlenhydrate, eingesetzt werden.
Zur Erhöhung der Temperaturbeständigkeit und Flammfestigkeit des Schaumstoffes kann der wässrigen Zusammensetzung als Hilfsstoff ein Tonmineral zugesetzt werden. Als Tonminerale eignen sich insbesondere Allophan Ab[SiOs]SOs ■ n H2O, Kaolinit AI4[(OH)β|Si4θio], Halloysit AUt(OH)8ISi4Oi0] ■ 2 H2O, Montmorillonit (Smectit) (AI,Mg,Fe)2[(OH2|(Si,AI)4Oi0] ■ Nao,33(H20)4, Vermiculit Mg2(AI, Fe,Mg)[(OH2|(Si,AI)4Oi0] ■ Mgo,35(H20)4 enthaltende Mineralien oder Mischungen davon. Besonders bevorzugt wird Kaolin eingesetzt. In der Regel liegt das feststoffbezogenen Gewichtsverhältnis Tonmineral zu Alkali-Silikat in der wässrigen Zusammensetzung im Bereich von 1 : 2 bis 2 : 1 , wenn Tonmineralien eingesetzt werden.
Zur Verbesserung der Verteilung der Füllstoffe und zur Steigerung der Fließfähigkeit können Dispergierhilfsmittel (z.B. Sokalan-Typen der BASF SE) zugesetzt werden.
Die wässrige Zusammensetzung kann hydrophobierend wirkende Additive, beispielsweise Paraffine, Silikone, Aluminiumstearate oder ähnliches erhalten. Bei diesen Zu- sätzen ist darauf zu achten, dass sie nicht zu einer Entschäumung führen.
Die Hilfsstoffe sind in der wässrigen Zusammensetzung vorzugsweise in einer Menge in einem Bereich von 0,01 bis 80 Gewichtsteilen, besonders bevorzugt in einem Bereich von 0,05 bis 10 Gewichtsteilen und darüber hinaus bevorzugt in einem Bereich von 0,1 bis 5 Gewichtsteilen, jeweils bezogen auf das Gewicht der wässrigen Zusammensetzung, enthalten.
Eine Viskositätssteigerung zur besseren Verschäumbarkeit kann auch durch den Zusatz von Elektrolyten, spezieller Tenside oder durch eine Änderung des pH-Wertes, der Temperatur oder der Konzentration erfolgen. Als Komponente D) werden 5 bis 40 Gewichtsteile, bevorzugt 10 bis 30 Gew.-Teile einer Polymerdispersion mit einem Feststoffgehalt von 10 bis 60 Gew.-%, bevorzugt 20 bis 50 Gew.-% eingesetzt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wir als Komponente D) der wässrigen Zusammensetzung bevorzugt eine wässrige Polymerdispersion eingesetzt, welche nach Trocknung zu einem getrockneten Polymerfilm mit einer Glasübergangstemperatur im Bereich von -60 bis +1000C, bevorzugt im Bereich von -30° bis + 800C, besonders bevorzugt im Bereich von -10° bis + 600C führt.. Die Glasübergangstemperatur kann mittels Differential Scanning Calorimetrie (DSC) bestimmt werden.
Es können auch Dispersionen von Blockcopolymeren oder Mischungen unterschiedlicher Polymerdispersionen eingesetzt werden, die zwei oder mehrere Glasübergangstemperaturen aufweisen. Hierdurch kann beispielsweise eine Kombination von niedri- ger Filmbildungstemperatur bei erhöhter mechanischer Stabilität, besserer Kompatibilität oder erhöhter Hydrophobie möglich sein.
Als Komponente D) eigenen sich beispielsweise Polymere auf Basis von Monomeren wie vinylaromatischen Monomeren, wie α-Methylstyrol, p-Methylstyrol, Ethylstyrol, tert- Butylstyrol, Vinylstyrol, Vinyltoluol, 1 ,2-Diphenylethylen, 1 ,1-Diphenylethylen, Alkenen, wie Ethylen oder Propylen, Dienen, wie 1 ,3-Butadien, 1 ,3-Pentadien, 1 ,3-Hexadien, 2,3-Dimethylbutadien, Isopren, Piperylen oder Isopren, α,ß-ungesättigten Carbonsäuren, wie Acrylsäure und Methacrylsäure, deren Estern, insbesondere Alkylester, wie Ci-io-Alkylester der Acrylsäure, insbesondere die Butylester, vorzugsweise n-Butyl- acrylat, und die Ci-10-Alkylester der Methacrylsäure, insbesondere Methylmethacrylat (MMA), oder Carbonsäureamide, beispielsweise Acrylsäureamid und Methacrylsäure- amid.
Die Polymeren können gegebenenfalls 1 bis 5 Gew.-% Comonomere, wie (Meth)acryl- nitril, (Meth)acrylamid, Ureido(meth)acrylat, 2-Hydroxyethyl(meth)acrylat, 3-Hydroxy- propyl(meth)acrylat, Acrylamidpropansulfonsäure, Methylolacrylamid oder das Natriumsalz der Vinylsulfonsäure enthalten.
Bevorzugt sind die Polymeren aus ein oder mehreren der Monomeren Styrol, Butadien, Acrylsäure, Methacrylsäure, Ci-4-Alkylacrylaten, Ci-4-Alkylmeth-acrylaten, Acrylsäureamid, Methacrylsäureamid und Methylolacrylsäureamid aufgebaut.
Als Polymere eignen sich insbesondere Acrylatharze, die erfindungsgemäß als wässrige Polymerdispersionen, gegebenenfalls zusätzlich mit hydraulischen Bindemitteln auf Basis von Zement, Kalkzement oder Gips eingesetzt werden. Geeignete Polymerdispersionen sind beispielsweise durch radikalische Emulsionspolymerisation von ethyle- nisch ungesättigten Monomeren, wie Styrol, Acrylate oder Methacrylate, wie in WO 00/50480 beschrieben, erhältlich.
Besonders bevorzugt sind reine Acrylate oder Styrol-Acrylate, welche aus den Mono- meren Styrol, n-Butylacrylat, Methylmetharcylat (MMA), Methacrylsäure, Acrylamid oder Methylolacrylamid, aufgebaut sind.
Die Herstellung der Polymerdispersion erfolgt in an sich bekannter Weise, etwa durch Emulsions-, Suspensions-, oder Dispersionspolymerisation, bevorzugt in wässriger Phase. Man kann das Polymer auch durch Lösungs- oder Massepolymerisation herstellen, ggf. zerteilen und die Polymerpartikel anschließend in Wasser in üblicher Weise dispergieren. Bei der Polymerisation werden die für das jeweilige Polymerisationsverfahren üblichen Initiatoren, Emulgatoren bzw. Suspensionshilfsmittel, Regler bzw. sonstigen H i If sstoff e mit verwendet; und man polymerisiert kontinuierlich oder diskonti- nuierlich bei den für das jeweilige Verfahren üblichen Temperaturen und Drucken in gebräuchlichen Reaktoren.
Bevorzugt besteht die wässrige Zusammensetzung aus den Komponenten A), B) und D) oder A), C) und D) oder A), B), C) und D), wobei sich die Komponenten A) und B) zu 100 Teilen summieren.
Zur Herstellung der in dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten wässrige Zusammensetzung können die Komponenten A), B) , C) und D) in beliebiger Reihenfolge gemischt werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens können dem Schlag- oder Treibschaum vor der Härtung Schaumstoffpartikel aus einem thermoplastischen Polymer zugegeben werden. Durch den Zusatz der Schaumstoffpartikel kann die Dämmleistung des anorganischen Schaumstoffs verbessert werden.
Die Schaumstoffpartikel können vor oder nach der Schaumbildung der wässrigen Zusammensetzung zugegeben werden. Bevorzugt werden die Schaumstoffpartikel als letztes mit der fertigen Mischung aus A), B), C) und D) vermengt.
Bei der Variante unter Herstellung eines Schlagschaums aus den Komponenten A), B), C) und D) wird bevorzugt zunächst der Schlagschaum erzeugt, der anschließend mit den Schaumstoffpartikeln vermengt wird.
Bei der Variante eines Treibschaums aus den Komponenten A), B) C) und D) werden die Schaumstoffpartikel bevorzugt in die wässrige Zusammensetzung der Komponenten A), B), C) und D) gegeben und die Mischung anschließen aufgeschäumt. Als Schaumstoffpartikel werden bevorzugt expandiertes Polyolefin, insbesondere expandiertes Polypropylen (EPP), expandiertes Polyethylen (EPE) oder vorgeschäumte Partikel aus expandierbaren Styrolpolymeren (EPS) eingesetzt. Es können auch Kombinationen verschiedener Schaumstoffpartikel eingesetzt werden. Vorzugsweise han- delt es sich um thermoplastische Materialien. Es können auch vernetzte Polymere, beispielsweise strahlenvernetzte Polyolefinschaumstoffkörper verwendet werden.
Die Schaumstoffpartikel auf Basis von Styrolpolymeren können durch Vorschäumen von EPS mit Heißluft oder Wasserdampf in einem Vorschäumer auf die gewünschte Dichte erhalten werden. Durch ein- oder mehrmaliges Vorschäumen in einem Druckoder kontinuierlichen Vorschäumer können hierbei Endschüttdichten unter 10 g/l erhalten werden.
Zur Herstellung von Dämmstoffplatten mit hoher Wärmedämmfähigkeit verwendet man besonders bevorzugt vorgeschäumte, expandierbare Styrolpolymerisate, die atherma- ne Festkörper, wie Ruß, Aluminium, Graphit oder Titandioxid, insbesondere Graphit einer mittleren Partikelgröße im Bereich von 1 bis 50 μm Partikeldurchmesser in Mengen von 0,1 bis 10 Gew.-%, insbesondere 2 bis 8 Gew.-%, bezogen auf EPS, enthalten und beispielsweise aus EP-B 981 574 und EP-B 981 575 bekannt sind.
Des weiteren können Schaumstoffpartikel auf Basis von α-Methylstyrol/Acrylnitril- Copolymer (AMSAN) mit hoher Lösungsmittelbeständigkeit oder elastische Schaumstoffpartikel auf Basis von mehrphasigen Blends aus Styrolpolymeren und Polyolefinen eingesetzt werden.
Bei dem Verfahren können auch zerkleinerte Schaumstoffpartikel aus recyclierten Schaumstoffformkörpern eingesetzt werden. Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Schaumstoffformkörper können die zerkleinerten Schaumstoffrecyclate zu 100 % oder z. B. in Anteilen von 2 bis 90 Gew.-% insbesondere 5 bis 25 Gew.-% zusammen mit Neuware eingesetzt werden, ohne wesentliche Beeinträchtigung der Festigkeit und der mechanischen Eigenschaften.
Die Schaumstoffpartikel können mit einer Oberflächenimprägnierung ausgerüstet sein, um beispielsweise die Anbindung an das wasserhaltige System zu verbessern.
Durch die Zugabe der Schaumpartikel zu der wässrigen Zusammensetzung können Hybridschaumstoffe aus den im Wesentlichen organischen Schaumstoffpartikeln und der im Wesentlichen anorganischen, aus der wässrigen Zusammensetzung gebildeten Schaumstoffmatrix erhalten werden. Bevorzugt werden Hybridschaumstoffe, welche 50 bis 99 Vol.-%, bevorzugt 60 bis 80 Vol.-% Schaumstoffpartikel aus thermoplastischen Polymer und 1 bis 50 Vol.-%, bevorzugt 20 bis 40 Vol.-% eines Schaumstoffes auf Ba- sis von Silikaten, welcher durch Härtung eines Schlag- oder Treibschaums aus der oben beschriebenen wässrigen Zusammensetzung erhältlich ist, enthalten.
Die Dichte des Schaumstoffes auf Basis von Silikaten liegt in der Regel unter 1000 kg/m3, bevorzugt im Bereich von 100 bis 500 kg/m3. Je nach Anteil der Schaumstoffpartikel in dem Hybridschaumstoff weist der Hybridschaumstoff eine Dichte im Bereich von 10 bis 1000 kg/m3, vorzugsweise im Bereich von 100 bis 300 kg/m3 auf.
Das Einbringen eines Zellgases in das zu schäumende Bindemittel bzw. den sich bil- denden Schaum kann auf unterschiedliche Weisen erfolgen
Das Aufschäumen der wässrigen Zusammensetzung erfolgt vorzugsweise durch mechanische Einwirkungen, insbesondere Scherung, besonders bevorzugt durch starkes Rühren oder Mixen unter Vermischung mit Luft. Es ist jedoch erfindungsgemäß auch möglich, die Zusammensetzung durch das Dispergieren eines inerten Gases in Form von feinen Gasblasen aufzuschäumen. Das Eintragen von Gasblasen in die wässrige Zusammensetzung erfolgt beispielsweise mit Hilfe von Schlag-, Schüttel-, Rühr- oder Peitschvorrichtungen.
Ferner ist es auch möglich, die Zusammensetzung dadurch aufzuschäumen, dass Gase aus einer flüssigkeitsbedeckten Öffnung ausströmen oder durch das Ausnutzen von Turbulenzerscheinungen in Strömungen. Des Weiteren kann auch die Ausbildung von Lamellen an Drähten oder Sieben für diesen Zweck genutzt werden. Diese unterschiedlichen Methoden können auch gegebenenfalls miteinander kombiniert werden. Als inerte Gase eignen sich beispielsweise Stickstoff, Kohlendioxid, Helium, Neon und Argon.
Zur Herstellung des Schlagschaums wird in die wässrige Zusammensetzung, gegebenenfalls mit Zusätzen und vor dem Einbringen von Polymerschaumpartikel, ein Gas, vorzugsweise Luft, eingetragen. Diese kann beispielsweise durch einen geeigneten Mischer, Dispenser oder eine poröse Membran erfolgen. In den gebildeten Schlagschaum können anschließend thermoplastische Schaumpartikel, beispielsweise vorgeschäumte EPS Partikel eingetragen und in einer Form frei geschäumt oder gegebenenfalls verpresst werden. Das Verpressen empfiehlt sich insbesondere bei höheren Antei- len an Schaumstoffpartikel.
Dem Bindemittel kann auch unter Druck eine gasförmige Substanz als physikalisches Treibmittel zugeführt werden, die bei einer Entspannung auf Normaldruck zu einer Volumenzunahme führt. Es kann auch eine Flüssigkeit eingesetzt werden, die durch Än- derungen des Druckes oder der Temperatur in den gasförmigen Aggregatzustand ü- berführt wird. Die Substanz kann in dem, im wesentlichen wässrigen Bindemittel, homogen gelöst vorliegen (z.B. Methanol, Ethanol, Isopropanol, CO2, Ameisensäureme- thylester oder Ameisensäureethylester oder eigene Phasen bilden, z.B. Pentan, etc. Bei mehrphasigen Systemen ist der Einsatz eines Dispergiermittels vorteilhaft.
Es können auch chemische Treibmittel eingesetzt werden, die z.B. aufgrund chemi- scher Zersetzungsprozesse ein Gas bilden; beispielsweise Carbonate, Azide, Hydrazi- de, Hydroxide oder Peroxide. Die Freisetzung des Gases kann durch Reaktion von ein, zwei oder mehr Komponenten erfolgen und durch Änderung der Umgebungsbedingungen, z.B. der Temperatur, initiiert werden. Weitere Beispiele sind Säuren oder Säureanhydride in Kombination mit Carbonaten oder Isocyanate in Kombination mit Was- ser.
Um ein Kollabieren des aus dem Bindemittel erhaltenen wässrigen Schaums zu verhindern, ist eine Aushärtung zur Fixierung der Schaumstruktur vorteilhaft. Diese kann auf unterschiedliche Weise erreicht werden.
Beispielsweise kann die Verfestigung des anorganischen Anteils durch eine Gelierung und SiO2-Bildung erreicht werden, die idealerweise nach dem Entstehen des Schaums die Verfestigung bewirkt. Hierzu können die für Wasserglas gängige Härtungsmethoden eingesetzt werden, beispielsweise Ester-Härtung mittels Triacetin, Diacetin o.a., aluminiumhaltige Salze, CO2 Einleitung oder Säurebildung aus Anhydriden.
Es kann auch vorteilhaft sein, die Verfestigung durch organische Systeme zu generieren, die auch Teil eines hydrophobierend wirkenden Systems sein können. Es ist vorteilhaft, wenn diese Systeme in wässrigem Medien löslich oder dispergierbar sind. Bei- spiele für solche Systeme sind selbstvernetztende Dispersionen, z.B. durch Esterbildung oder wasserdispergierbare Isocyanate in Kombination mit funktionellen Dispersionen oder gelösten Reaktanden.
Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von vernetzenden Isocyanaten mit einer Funktionalität von über 1. Über die Zugabe von geringen Mengen an Oligo-
/Polyalkoholen kann der Reaktionsbeginn gesteuert werden. Durch die gleichzeitige Abspaltung von CO2, können die Isocyanate gleichzeitig auch als Treibmittel und Härter für den Wasserglashaltigen anorganischen Schaum eingesetzt werden. Auf diese Weise erhält man besonders temperaturstabiles Schaumstoffe.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Vernetzung unterhalb der Erweichungstemperatur des Partikelschaums erfolgt. Eine Einstellung der Reaktion kann über Wahl der Reaktanden, deren Konzentration und Katalysatoren erfolgen. Beispielweise können wasserdispergierbare Isocyanate mit aminofunktionalisierten Polymeren umgesetzte werden, wobei die Reaktionsgeschwindigkeit mit primären Aminen deutlich höher ist, als mit sekundären Aminen. Beide Reaktionen laufen aber schneller ab, als eine Reaktion mit Wasser. Das Erhitzen der aufgeschäumten Zusammensetzung erfolgt vorzugsweise in einem Ofen, einem Trockenschrank, mit einem heißen Gasstrom, durch Infrarotbestrahlung oder durch Mikrowellenstrahlung.
Die Mikrowellenstrahlung eignet sich nicht nur zur Härtung des Schaumstoffes, sonder kann auch eine Schäumen oder Nachschäumen der getrockneten oder noch feuchten wässrigen Zusammensetzung der Komponenten A, B und C, die gegebenenfalls mit Schaumstoffpartikeln versetzt ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die geschäumte Zusammensetzung, bevor sie erhitzt wird, zunächst in einen Formkörper überführt. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die wässrige Zusammensetzung vor dem Aufschäumen in einen Formkörper überführt und anschließend in diesem Formkörper aufgeschäumt. Durch anschließendes Erhitzen der geschäumten Zusammensetzung in diesem Formkörper können dann schaumförmige Gebilde mit definierter Raumstruktur erhalten werden.
Die Dicke, Länge und Breite der Schaumstoffplatten kann in weiten Grenzen variieren und wird durch die Größe und Schließkraft des Werkzeugs begrenzt. Die Dicke der Schaumstoffplatten beträgt üblicherweise 1 bis 500 mm, bevorzugt 10 bis 300 mm.
Die Dichte der Schaumstoffformkörper gemäß DIN 53420 beträgt in der Regel 10 bis 500 kg/m3, bevorzugt 30 bis 300 kg/m3
Die Härtung und Trocknung des geschäumten Bindemittels kann wahlweise kontinuierliche oder diskontinuierliche mittels eines Ofens oder im Heißluftstrom. Die Härtung des Schaums erfolgt bevorzugt mit Luft oder Stickstoff bei einer Temperatur im Bereich von 0 bis 800C. Des Weiteren kann die Härtung und/oder Schäumung durch Bestrah- lung mit Mikrowellen erfolgen.
Alternativ oder zusätzlich kann das Versintern und/oder Aufschäumen kontinuierlich oder diskontinuierlich unter Einstrahlung von Mikrowellenenergie erfolgen. Hierbei werden in der Regel Mikrowellen im Frequenzenbereich zwischen 0,85 und 100 GHz, be- vorzugt 0,9 bis 10 GHz und Bestrahlungszeiten zwischen 0,1 bis 15 Minuten verwendet. Damit lassen sich auch Schaumstoffplatten mit einer Dicke von mehr als 5 cm herstellen.
Die Bestrahlung der zu härtenden Mischung kann in einem Behandlungsraum vorge- nommen werden. Bei einer diskontinuierlichen Ausführung ist der Behandlungsraum allseitig verschlossen. Bei einer kontinuierlichen Verfahrensweise würde die Mischung auf einem kontinuierlich laufenden Band an der Strahlungsquelle vorbeigeführt. Bein- halten die vorgeschäumten Schaumstoffpartikel noch Treibmittel, was unter der Verdampfungstemperatur von Wasser siedet, so kann der entstehende Wasserdampf zu einer Nachschäumung der EPS Kugeln genutzt werden.
Die Nachhärtung von Schaumstoffpartikel-haltigen Schäumen mittels Mikrowellenstrahlung ist besonders bevorzugt bei der Herstellung von Schaumstoffplatten mit einer Dicke von mehr als 5 cm. Aufgrund der Materialdichte und der isolierenden Wirkung von gegebenenfalls zugesetzten Schaumstoffpartikeln ist eine ausschließlich thermische Härtung des Materials (Vernetzung des Matrixmaterials) deutlich verzögert.
Die erfindungsgemäßen Hybridschaumstoffe können nach verschiedenen Verfahrensvarianten erhalten werden. Ein bevorzugtes Verfahren (A1 ) unter Anwendung eines Schlagschaumes umfasst die Stufen:
i) Vorschäumen von expandierbaren Styrolpolymeren zu Schaumstoffpartikeln, ii) Herstellung eines Schlag- oder Treibschaumes aus einer wässrigen Zusammensetzung der Komponenten A), B), C) und D), iii) Zugeben der in Stufe i) vorgeschäumten Schaumstoffpartikel zu dem in Stufe ii) hergestellten Schaum, iv) Härtung des erhalten Schaums mit Luft oder Stickstoff bei einer Temperatur im Bereich von 800C oder mittels Mikrowellen.
Der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältliche anorganische Schaumstoff zeichnet sich durch hohe Flammfestigkeit und geringe Dichte aus. Verpressen unter hohem Druck in der Form ist nicht notwendig.
Ein weiteres Verfahren (A2) zur Herstellung des erfindungsgemäßen Hybridschaumstoffes unter Verwendung von Mikrowellenstrahlung umfasst die Stufen:
i) Zugabe von Schaumpartikeln zu einer wässrigen Zusammensetzung der Komponenten A), B), C) und D) und gegebenenfalls weiteren Hilfsstoffen, ii) Bildung eines Formkörpers durch Trocknung der Mischung aus Stufe i) in einer
Form, iii) Aufschäumen des Formkörpers mittels Mikrowellenstrahlung, iv) gegebenenfalls Nachhärtung des Formkörpers.
Die ohne Zusatz von thermoplastischen Schaumstoffpartikeln erhältlichen, rein anorganischen Schaumstoffe weisen in der Regel eine bessere Flammfestigkeit, mechanische Eigenschaften und Abrasivität auf. Um diese Materialien zu erhalten, ist es nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung möglich, zunächst einen Schaumstoff nach den erfindungsgemäßen Verfahren unter Verwendung von Schaumstoffpartikeln herzustellen und diese nach der Härtung zu entfernen. Diese ist durch thermische Zer- setzung des Partikelschaumstoffs oder durch Extraktion mit einem geeigneten Lösungsmittel möglich. Bevorzugt werden die thermoplastischen Schaumstoffpartikel extrahiert.
Entsprechend den gewünschten Eigenschaften der anorganischen Schaumstoffe kann die thermische Zersetzung oder Extraktion der Partikelschaumstoffe auch aus einer Silikatmatrix mit höher Dichte erfolgen. Geeignete Partikelschaumstoff-haltige Platten sind beispielsweise in WO 2007/023089 oder PCT/EP2007/060541 beschrieben.
Dabei wird die organische Komponente entfernt und hinterlässt eine im wesentlichen anorganische Schaumstruktur, deren Hohlräume durch die Partikelgröße der zuvor eingesetzten organischen Schaumstoffpartikel vorgegeben ist. Verwendet man Schaumstoffpartikel aus EPS können dabei Hohlräume von 0,4 - 10 mm, bevorzugt 1- 6 mm erzeugt werden.
Durch thermische Zersetzung oder Extraktion der Schaumstoffpartikel aus dem erfindungsgemäßen Hybridschaumstoff aus gehärtetem Schlag- oder Treibschaum können anorganische Schaumstoffformkörper erzeugt werden, deren Stege eine geschäumte Unterstruktur (Substruktur) besitzen.
Die auf diese Weise erhaltenen Schaumstoffformkörper („lost foam" ) werden vorzugsweise nachgehärtet, bspw. durch Säurekatalyse oder thermische Sinterung.
Solche zuvor beschriebenen Schaumkörpern können neben den hier beschriebenen Bauanwendungen auch als „Siebe" für Hochtemperaturanwendungen zum Einsatz kommen. Durch den Einsatz unterschiedlicher Schaumstoffpartikelgrößen ist es nämlich möglich die Siebgröße sehr genau einzustellen.
Als Lösungsmittel eignen sich z.B. Dichlormethan oder Toluol, insbesondere um die bevorzugt verwendeten Schaumstoffpartikeln aus expandierbarem Polystyrol aus der anorganischen Matrix herauszulösen. Aufgrund der üblicherweise Gewichts mäßig geringen Anteilen an Schaumstoffpartikeln in dem anorganischen Schaumstoff, reichen geringe Mengen an Lösungsmitteln aus. Die Lösungsmittel können dabei in einem Kreislauf zurückgeführt werden, beispielsweise durch Extraktion in einer Soxhlet- Apparatur.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zur Herstellung von einfachen oder komplexen Schaumstoffformteilen, wie Platten, Blöcken, Rohren, Stäben, Profilen, etc. Bevorzugt werden Platten oder Blöcke, welche anschließend zu Platten gesägt oder ge- schnitten werden können, hergestellt. Sie können beispielsweise im Bauwesen zur Dämmung von Außenwänden oder Flachdächern verwendet werden. Besonders bevorzugt werden sie als Kernschicht zur Herstellung von Sandwich-Element, beispiels- weise so genannten structural insulation panels (SIP) verwendet, welch für die Errichtung von Kühlhäuser oder Lagerhallen eingesetzt werden.
Weitere Anwendungsmöglichkeiten sind Paletten aus Schaumstoff als Ersatz für Holzpaletten, Deckensichtplatten, Kühlcontainer, Wohnwagen. Aufgrund der hervorragenden Feuerbeständigkeit eignen sich diese auch für die Luftfracht.
Beispiele:
Beispiel 1 : Schaum in Schaum (Schlagschaum mit Tensid)
Zu 60 Teilen einer Wasserglaslösung (37 %ig, Woellner Natriumsilikat) wurden portionsweise 40 Teile Wasserglaspulver (Portil® N) und 4 Teile Tensid (Lutensol® GD70) gegeben. Die Lösung wird mit einem Rührer (Ultraturax) zu einem Schaum geschlagen. Anschließend wurden 5 Teile Dispersion (Acronal® SD 705) bei geringer Drehzahl untergehoben. Auf 1 g EPS (Dichte 10 g/L) werden im Anschluss 50 g der obig beschriebenen Lösung gegeben. (Volumenverhältnis EPS:Beschichtung ca. 76:24) Über Nacht bei 400C entstand ein sehr homogener, gehärteter Schaum mit einer Dich- te von ca. 270 g/L.
Beispiel 2: Schaum in Schaum (Mikrowellenschaum mit Tensid)
Der nach Beispiel 1 erhaltene Schaum wurde in der Folge ca. 1 min. in der Mikrowelle (600 W) bestrahlt, wobei der Schaum weiter nachschäumte und die Dichte auf ca. 200 g/L absank.
Beispiele 1 und 2 wurden außerdem noch mit Lutensol® GD70 Zugaben von 2-10 Teilen sowie mit EPS Zugaben von 2-8 Teilen durchgeführt.
Beispiel 3: Schaum in Schaum (ohne Tensid)
Zu 60 Teilen einer Wasserglaslösung (37 %ig, Woellner Natriumsilikat) werden porti- onsweise 40 Teile Wasserglaspulver (Portil® N) und 5 Teile Dispersion (Acronal® SD 705) gegeben. Die Lösung wurde mit einem Rührer (Ultraturax) zu einem Schaum geschlagen. Auf 1 g EPS (Dichte 10 g/L) werden im Anschluss 50 g der obig beschriebenen Lösung gegeben. (Volumenverhältnis EPS:Beschichtung ca. 76:24). Über Nacht bei 400C entstand ein homogener, gehärteter Schaum mit einer Dichte von ca. 250 g/L. Beispiel 4: Schlagschaum ohne EPS
Zu 60 Teilen einer Wasserglaslösung (37 %ig, Woellner Natriumsilikat) werden portionsweise 40 Teile Wasserglaspulver (Portil® N) und 8 Teile Lutensol® GD70 gegeben. Die Lösung wurde mit einem Rührer (Ultraturax) zu einem Schaum geschlagen. Anschließend werden 5 Teile Dispersion (Acronal® SD 705) untergehoben. Nach kurzer Stabilisierung ergibt sich ein Schaum mit einer Rohdichte von ca. 300 g/L.
Beispiel 5: Schlagschaum der wässrigen Wasserglaslösung
Zu 60 Teilen einer Wasserglaslösung (37 %ig, Woellner Natriumsilikat) werden 8 Teile Lutensol® GD70 gegeben. Die Lösung wurde mit einem Rührer (Ultraturax) zu einem Schaum geschlagen. Nach kurzer Stabilisierung ergab sich ein Schaum mit einer Roh- dichte von ca. 40 g/L.
Beispiel 6: Mikrowellenschaum
Zu 60 Teilen einer Wasserglaslösung (37 %ig, Woellner Natriumsilikat) werden portionsweise 40 Teile Wasserglaspulver (Portil® N) und 5 Teile Dispersion (Acronal® SD 705) gegeben. Die Lösung wurde daraufhin in eine runde Form gegossen (ca. 5 cm Durchmesser, 4 mm Dicke) und getrocknet. Die festen Scheiben wurden nach ca. 2 Wochen Ablagerung 30 bis 60 Sekunden in der Mikrowelle bestrahlt. Je nach Dauer der Ablagerung, bzw. der Bestrahlungsdauer wurden hierbei Dichten zwischen 250 und 10Og/L erzeugt.
Beispiel 7: Anorganischer Schaumstoff mittels Lösungsmittelextraktion
Zu einer Mischung aus 120 g Wasserglaslösung (37 %ig, Woellner Natriumsilikat) und 80 g Wasserglaspulver (Portil® N) wurden 10 g einer Dispersion (Acronal® S 790) gegeben. Zu 184 g der Mischung wurden 46 g vorgeschäumtes EPS (Dichte 10 g/l) von Hand untergemischt. Die beschichteten Schaumstoffpartikel (Gewichtsverhältnis EPS:Beschichtung 1 :4) wurden in eine Aluform gegeben und bei 700C für 60 Minuten um 50% verpresst. Ein Probekörper von 5 x 5 cm Kantenlänge wurde ausgeschnitten und das darin enthaltene organische Material mit Dichlormethan vollständig extrahiert.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Schaumstoffes durch Härtung eines Schlagoder Treibschaums aus einer wässrigen Zusammensetzung, dadurch gekenn- zeichnet, dass die wässrige Zusammensetzung
A) 40 bis 95 Gewichtsteilen einer Alkalisilikatlösung mit einem Wassergehalt von 40 bis 90 Gew.-%,
B) 0 bis 60 Gewichtteilen eines pulverförmigen Alkalisilikates mit einem Was- sergehalt von 0 bis 30 Gew.-%,
C) 0 bis 15 Gewichtsteilen eines Tensides,
D) 5 bis 40 Gewichtsteilen einer wässrigen Polymerdispersion mit einem Feststoffgehalt von 10 bis 60 Gew.-%, enthält.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Härtung mit Luft oder Stickstoff bei einer Temperatur im Bereich von 0 bis 800C erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Härtung und/oder Schäumung durch Bestrahlung mit Mikrowellen erfolgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der getrocknete Polymerfilm eine Glasübergangstemperatur im Bereich von -60 bis +1000C aufweist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Schlag- oder Treibschaum vor der Härtung Schaumstoffpartikel aus thermoplastischen Polymeren zugegeben werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Schaumstoffpartikel expandierte Polyolefine oder vorgeschäumte Partikel aus expandierbaren Styrolpolymeren eingesetzt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die thermo- plastischen Schaumstoffpartikel nach der Härtung mit einem Lösungsmittel extrahiert werden.
8. Schaumstoff , erhältlich nach einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 7.
9. Hybridschaumstoff, enthaltend 50 bis 99 Vol.-% Schaumstoffpartikel aus thermoplastischen Polymer und 1 bis 50 Vol.-% eines Schaumstoffes auf Basis von Silikaten, dadurch gekennzeichnet, dass der Hybridschaumstoff eine Dichte im Bereich von 10 bis 1000 kg/m3 aufweist.
10. Verwendung der Schaumstoffe nach Anspruch 8 als Dämmplatte.
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