WO2022219096A2 - Verbundwerkstoff und verfahren zu dessen herstellung sowie zur herstellung von dessen komponenten - Google Patents

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WO2022219096A2 PCT/EP2022/059967 EP2022059967W WO2022219096A2 WO 2022219096 A2 WO2022219096 A2 WO 2022219096A2 EP 2022059967 W EP2022059967 W EP 2022059967W WO 2022219096 A2 WO2022219096 A2 WO 2022219096A2
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    • C04B2111/00181—Mixtures specially adapted for three-dimensional printing (3DP), stereo-lithography or prototyping

Definitions

  • the invention relates to a method for producing various composite materials, various composite materials and various uses of composite materials.
  • the invention also relates to methods of making some components of the composite.
  • Composite materials are materials formed from at least two materials and are described inter alia in WO 02/28796 and EP 1 330 420 B1.
  • EP 1 330420 B1 which comprises a cementitious matrix and shredded and fibrillated softwood cellulose fibers, which are accommodated in the cementitious matrix.
  • a composite material widely used in construction is concrete.
  • a problem with the use of concrete is the high energy requirement in the production of the cement required for concrete.
  • Composite materials used extensively in the chemical industry are based on polymers.
  • a problem with the use of polymers is the high energy requirement for the degradation and production of the mineral oils required for polymers.
  • the object of the invention is to provide an improved composite material and a method for producing this composite material.
  • An aspect of the invention that is also relevant independently of the respective composite material is a binding component for a composite material, which can be used, for example, as an adhesive or binder in different composite materials.
  • a method of making a bonding component for composites is also relevant independently of the respective composite material.
  • aspects of the invention relate to providing an improved adhesive as an alternative to cement, as well as to providing polymer-based composite adhesives and a method of making these composite adhesives.
  • a further aspect of the invention relates to the production of the water glass itself 200° C., preferably at a temperature between 80° C. and 100° C., and a pressure between 1.5 bar and 5 bar. This is preferably done under the action of ultrasound.
  • the mixture is preferably homogenized, preferably also under the action of ultrasound.
  • the mass ratio of the components potassium carbonate and quartz sand to water is preferably between 4:1 and 2:3.
  • 3 parts of quartz sand, 2 parts of potassium carbonate and 0.2 parts of carbon - all finely pulverized - are melted together with 4:1 or 2:3 parts of water, the proportion of water determining the crystallization time.
  • the water glass is preferably produced in a closed oven in which a pressure of between 1.5 bar and 5 bar can prevail and which contains mixing elements such as stirring elements.
  • the kiln is preferably a closed, heatable rotary kiln which has feed locks for feeding in potassium carbonate, quartz sand and water and an outlet for the water glass.
  • the outlet for the water glass can be connected to a second mixing tank for mixing the water glass with the resin. This second tank is provided with ultrasonic sources to improve homogenization of the mixture of water glass and resin.
  • a composite material which is formed from at least one resin composite system and contains other additives such as cellular glass gravel, gravel or cellulose.
  • the composite material is produced by first homogenizing water glass with resin to form an emulsion and then mixing it with additives to form the composite system.
  • a composite material which is formed from at least one resin composite system and contains other additives such as cellular glass gravel, gravel or cellulose.
  • the composite material is produced by first homogenizing water glass with resin to form an emulsion and then mixing it with additives to form the composite system.
  • An alternative solution consists of a composite material, which is formed at least from a fiber-resin composite system and cement and contains other additives such as cellular glass gravel or gravel.
  • the composite material is produced by first soaking vegetable fibers with resin and then treating them with water glass in order to form the fibre-resin composite system, and by subsequently mixing this fibre-resin composite system with water and cement and optionally other additives such as Gravel and/or cellular glass gravel is mixed.
  • the weight ratios are preferably such that the ratio of water glass to resin is between 10:1 and 7:1.
  • the weight ratio of plant fibers to resin is preferably between 1.5 and 2.5, in particular about 2, ie the weight proportion of the fibers is preferably twice the weight proportion of resin with which the fibers are impregnated.
  • the weight of the subsequently added water glass is slightly less than or exactly the same as the weight of the resin, ie the weight ratio of resin to water glass is between 0.8 and 1.1, for example.
  • Fibres, resin and water glass form the fibre-resin composite system, which is then mixed with approximately the same weight of water and two to three times the weight of cement and the aggregate, ie the weight ratios of fibre-resin composite system to water to cement are about 1/1/2.5.
  • x*5 kg of vegetable fibers are first mixed with y*2.5 liters of resin and then with z*2 liters of water glass in order to form the fibre-resin composite system, with x, y and z being rational numbers greater than zero and x, y and z are preferably of the same magnitude but at least no more than +/- 30%, preferably no more than +/- 10%, from the mean of the three numbers.
  • the fiber-resin composite system is then mixed with a*10 liters of water, b*25 kg of cement and c*70 liters of cellular glass gravel, where a, b and c stand for rational numbers greater than zero and a, b and c preferably the same amount but at least no more than +/- 30%, preferably no more than +/- 10%, from the mean of the three numbers.
  • the invention includes the finding that conventional fiber cements with natural fibers exhibit undesirable properties such as undesirable shrinkage behavior as a result of fiber shrinkage as a result of moisture absorption and subsequent drying out and thus a reduction in the thickness of the component.
  • the binding of the fibers to the cement is also typically unsatisfactory. Both disadvantages are avoided or at least reduced if the fiber is first mixed with resin and the mixture is then mixed with water glass in order to form a fiber-resin composite system in this way, which is mixed with water and cement to form a solid when set Obtain composite material in which the fibers have a good bond to the cement.
  • the fiber-resin composite system formed from natural fibers and water glass impregnated with resin offers good adhesion to cement and, when set, high strength and good resistance to external influences and also has good fire resistance.
  • the production of a composite material from the fiber-resin composite system, cement and other additives is much more energy-efficient than the production of conventional composite materials from cement.
  • the invention also includes the knowledge that materials are often subject to a number of requirements, for example with regard to their compressive strength, their thermal insulation properties and their material composition. However, materials usually only have a limited selection of the required material properties, so that materials with different material properties are combined in layers, for example, in order to actually meet all requirements.
  • a building wall for example, often has a reinforced concrete wall for the required mechanical stability, to which a thermal insulation composite system is attached to ensure a specific thermal insulation.
  • the wall thickness of such a building wall then results from the thicknesses of the reinforced concrete wall and the thermal insulation composite system.
  • the production of such a building wall is comparatively time-consuming, since the reinforced concrete wall must first be erected and then the thermal insulation composite system must be attached to it.
  • the complex construction of conventional walls usually leads to comparatively high material and production costs.
  • the composite material according to the invention already has material properties that make the use of other building materials to meet various requirements obsolete.
  • the composite material has comparatively good heat-insulating and stabilizing properties, in particular if cellular glass gravel is provided as the aggregate.
  • the composite material also has a number of advantages from an ecological point of view.
  • the composite material is formed from natural, harmless and sustainably producible components.
  • the proportion of cement in the composite material is reduced compared to normal concrete, for example, which is why the composite building material also has a better CO 2 balance than concrete.
  • a lower proportion of cement in the composite material compared to normal concrete is possible because the coated vegetable fibers take over the adhesive function of the cement to a large extent. Reducing the proportion of cement compared to normal concrete by using Layered plant fibers with an adhesive effect also results in a hardened composite with advantageous properties such as a reduction in weight and thermal conductivity compared to normal concrete.
  • the adhesive effect of the coated vegetable fibers is due in particular to the fact that the vegetable fibers are mixed with resin and then with water glass to form a fiber-resin composite system. Due to the adhesive effect of the coated vegetable fibers, the fiber-resin composite system acts in particular as a binder and is suitable for taking over the function of cement within a composite material. Due to the water glass in particular, the fiber-resin composite system also has good fire-retardant properties and is water-repellent.
  • the composite material thus already fulfills a number of requirements, such as mechanical stability, thermal insulation, fire retardancy and sealing, which are typically made of a building material suitable for the production of a building wall. If, for example, a building wall is formed from the composite material or has the composite material, this advantageously fulfills several functions that are otherwise fulfilled separately by different components of a conventionally constructed building wall, which typically has a reinforced concrete wall, structural waterproofing and thermal insulation. In comparison to a conventional wall construction of a building wall, steel reinforcements, structural sealing, fire retardants, fungicides and insulation can be omitted.
  • a building wall formed from the composite material according to the invention can then advantageously be produced with a smaller wall thickness and significantly fewer process steps. This achieves a considerable reduction in the costs incurred and the time required.
  • a building wall formed from the composite material according to the invention it is also possible to dispense with toxic materials that damage the building fabric, e.g. made from crude oil (bitumen, EPS (expanded polystyrene) insulation).
  • the composite material according to the invention thus combines a number of material properties that are central to building construction, such as good thermal insulation, high water impermeability, good load-bearing capacity and is based on sustainably recoverable resources.
  • a piece of composite material formed from the composite material generally has a more finely structured surface compared to normal concrete due to the coated fibers.
  • cement As an alternative or in addition to cement, other building materials can also be used as components and in particular as binders of the composite material.
  • a suitable alternative to cement is, for example, calcium carbonate.
  • a further aspect of the invention relates to a method for producing a composite material, in which plant fibers are mixed with resin and then with water glass to produce the fiber-resin composite system.
  • Yet another aspect of the invention which also represents an independent subject matter of the invention, relates to the production of an intermediate product from water glass, preferably potassium water glass, and resin. Yet another aspect, which also represents an independent subject matter of the invention, relates to the production of water glass, in particular potassium water glass.
  • the resin that is mixed with water glass and/or with which the plant fibers are mixed and coated is preferably a natural resin, in particular a natural plant resin.
  • the natural resin is preferably untreated.
  • a natural plant resin is, for example, the resin of a pine, larch, spruce or the sandarak tree.
  • a suitable resin can also be obtained from other conifers or deciduous trees. Balsam, gum lacquer, rosin, sandarak and mastic are also particularly suitable as natural resin for the fiber-resin composite system.
  • synthetic resin can also be used to produce the fiber-resin composite system.
  • Furan resins are also particularly suitable for mixing with water glass.
  • Constituents of suitable resins are slightly oxidizing acids. Resins which contain one or more of the following acids are particularly preferred: abietic acid, pimaric acid, levopimaric acid or protocatechuic acid. Other acidic components are saponifiable substances, especially esters such as lactones. Unsaponifiable substances such as terpenes can also be components of preferred resins.
  • petroleum ether-insoluble resin acids can be contained in the resin, in particular oxy acids or colophonic acids. Other components are bitter substances or ether.
  • suitable resins are listed below:
  • the water glass can be sodium water glass, potassium water glass or lithium water glass, with the use of potassium water glass being preferred.
  • the water glass is preferably present as an aqueous solution.
  • the vegetable fibers are preferably hemp fibers.
  • sisal fibers, jute fibers, seaweed fibers, bamboo fibers or grass fibers can also be used, which are preferably dried and roasted.
  • Bast fibers such as
  • nettle see also nettle hemp fiber (HA)
  • nettle see also nettle hemp fiber (HA)
  • Sisal (Sl) made from agave leaves
  • Abaca Manila hemp
  • hard fiber from the leaves of a fiber banana Henequen - New Zealand flax
  • seed/fruit fibres such as - cotton grass
  • the foam glass gravel preferably has a grain size between 1 mm and 40 mm, in particular between 1 mm and 20 mm.
  • Material properties for example the heat transfer coefficient, fire resistance or load-bearing capacity of the composite material are influenced in a particularly advantageous manner by the selection of the granulation.
  • gravel and/or other mineral aggregates can also be used as components of the composite material.
  • the object mentioned at the outset is also achieved by a method for producing a composite material, the composite material being formed at least from cement, sand, cellular glass gravel and a fiber-resin composite system.
  • the procedure has the steps:
  • the fibre-resin composite system can also be produced by dipping roasted and correspondingly dry plant fibers in resin.
  • the dipping step is preferably followed by a draining step in which part of the resin that wets the fibers is drained from the fibers.
  • the coated plant fibers are then sprayed with water glass.
  • the water glass then acts as a hardener.
  • the plant fibers are then mixed with water, cement and cellular glass gravel, preferably in a moist state, in order to produce the composite material.
  • Calcium carbonate can also be used as an alternative or in addition to cement, and gravel can also be used as an alternative or in addition to cellular glass gravel.
  • the method has the step:
  • Allow the composite material produced to dry in a formwork By allowing the composite material to dry in a mold, the composite material can be given a specific shape in the hardened state. It is therefore possible to specifically influence the shape of the finished component after drying. If the composite material produced is to be used in the hardened state as a specific component, the composite material produced can be allowed to dry in a mold which gives the composite material produced the shape of that component.
  • a component can be, for example, a part of a building such as a building wall or a foundation for constructing a building.
  • a further aspect of the invention which also represents an independent subject matter of the invention, relates to using the composite material in an additive manufacturing process. It is not absolutely necessary that the composite material is used as the only material in the additive manufacturing process. It is possible that the composite material will be used in an additive manufacturing process together with other materials.
  • the composite material is typically applied layer by layer in order to create a three-dimensional object, for example a component or part of a building.
  • An additive manufacturing process is, for example, 3D printing or additive manufacturing.
  • the initially plastic, mixed composite material can, for example, be brought into a predetermined shape, for example modeled by a computer, using a 3D concrete modeler.
  • Using the composite material in an additive manufacturing process results in a number of advantages over traditional reinforced concrete construction processes.
  • the composite material with coated vegetable fibers it is possible to reduce material and material costs as well as an assembly time compared to a traditional reinforced concrete construction method. Planning effort and associated costs are also reduced since, for example, the construction of a building wall can be simplified by using the composite material. This is due to the fact that the composite material already has a number of material properties that are relevant for building construction, in particular with regard to thermal insulation and sealing.
  • Selective binding is also an additive manufacturing process or part of it.
  • the composite material produced (only resin and water glass) is poured into thin layers of a dry bed in a flowable state, whereby a local bond between respectively adjacent layers takes place.
  • a component previously modeled on a computer can be successively created by selective binding.
  • the first variant is referred to as paste intrusion and involves introducing the material to be processed into dry sand in layers.
  • the second variant is referred to as cement activation and involves introducing water into a dry mixture of a material to be processed in order to solidify it locally.
  • the composite material can be used in particular to produce a building or a part of a building, preferably a building or part of a building, by means of an additive manufacturing process.
  • the composite material can be used as an insulating screed, impact sound screed, foundation, floor slab, outer wall, inner wall, ceiling, roof, bridge or road.
  • the composite material can be used, for example, to produce an exterior or interior wall of a building.
  • the outer or inner wall of a building can then be formed entirely or only partially from the composite material.
  • an outer or inner wall of a building can be formed solely from the composite material described here, since this already ensures, among other things, comparatively good thermal insulation and building sealing.
  • the composite material for example for an outer or inner wall of a building, the application of further insulation or sealing layers on the building wall can become superfluous.
  • the composite material is used for an outer or inner wall of a building, such an outer or inner wall can be constructed comparatively simply and have a comparatively small wall thickness.
  • Such an outer or inner wall formed from the composite material described here can then, for example, replace a conventional building wall with steel reinforcements, building sealing, fire retardants, fungicides and insulation.
  • a further aspect of the invention which also represents an independent subject matter of the invention, relates to a structure or a part of a structure which is at least partially formed from a composite material according to at least one of the aforementioned embodiment variants.
  • a structure can be, for example, a traffic structure such as a road or a path or another engineering structure such as a bridge, a tunnel, a trough structure, a retaining structure, a noise barrier, a rainwater retention basin or a shaft structure. It is also possible for only parts of the aforementioned structures to be formed from the composite material described here.
  • a building part can in particular be a foundation, a floor slab, an outer wall, an inner wall, a ceiling, a roof, of a building or part of a building.
  • a further aspect of the invention which also represents an independent subject matter of the invention, relates to a natural material which was produced by mixing resin and water glass in a volume ratio of preferably 1:10 to 3:2.
  • the volume ratio can also be between 1:1 and 1.5:1, for example 2.5:2.
  • resin, in particular natural resin represents the basis of the natural material and is hardened by the addition of water glass.
  • the natural material is preferably a two-component natural resin system with the two components natural resin and water glass.
  • Another aspect of the invention relates to a method for producing a natural material in which resin and water glass are mixed in a volume ratio of preferably 1:10 to 3:2.
  • the volume ratio can also be between 1:1 and 1.5:1, for example 2.5:2.
  • a hardening time of the natural material is influenced by influencing the reaction speed between the resin and the water glass.
  • the reaction rate is influenced in particular by adding water.
  • the natural material preferably has a viscosity of between 10 mPa*s and 500 mPa*s.
  • the natural material can then be painted.
  • a further aspect relates to using a natural material produced according to the method described here for coating a surface, for connecting at least two surfaces, in particular for adhesive applications, or for sealing a surface.
  • the natural material is also suitable for other uses that are independent of the composite material described here.
  • the surface to be coated, the surface to be sealed or at least one of the two surfaces to be connected can be, for example, a material surface, e.g. a building material surface, a plastic surface, or a natural building material surface.
  • Examples of a surface coating are a coating of concrete surfaces, e.g. as a moisture barrier, a coating of wooden surfaces, e.g. as a moisture barrier, and a coating of ceramic materials, e.g. as a moisture barrier.
  • the natural material can be used in many different ways and is suitable, for example, for use in connection with the composite materials described here and other ones, in particular for producing the fiber-resin composite system, as a coating or sealant or as an adhesive or binding component.
  • the natural material can be used, for example, as a coating or component of a piece of material which is formed from concrete or ceramic tiles or those described herein and/or other composite materials.
  • interesting areas of application for the natural material can be found in the automotive sector, in the sanitary sector, in watercraft such as sailing boats, kayaks or canoes, in sports equipment such as surfboards, kite boards or snowboards, but also in wind turbine blades, for example.
  • a use of the natural material is also conceivable in semiconductor technology.
  • a further aspect of the invention relates to a fibre-resin composite system which is formed and produced from plant fibres, resin and water glass by initially mixing x*0.5 kg of plant fibers with y*2.5 liters of resin and then with z*2 liters water glass are mixed, where x, y and z are rational numbers greater than zero and x, y and z preferably have the same amount, but at least do not deviate by more than +/- 30% from the mean of the three numbers.
  • the fiber-resin composite system described here represents an intermediate product that can also be used independently of the previously described composite material and can also be used independently of it.
  • the fiber-resin composite system can be used as an additive and in particular as a binder for an alternative composite material that is not described here.
  • a further aspect of the invention relates to a method for producing a fiber-resin composite system, which also represents an independent subject of the invention.
  • x*0.5 kg of vegetable fibers are first mixed with x*2.5 liters of resin and then with x*2 liters of water glass, where x, y and z are rational numbers greater than zero and x, y and z are preferably denominations have the same amount, but at least no more than +/- 30%, preferably no more than +/- 10%, from the mean of the three numbers.
  • This method can also be part of another method, for example part of the previously described method for producing a composite material.
  • a further aspect of the invention which also represents an independent subject matter of the invention, relates to using a fiber-resin composite system formed from plant fibers, resin and water glass for producing a composite material, in particular for producing the composite material described here.
  • the fiber-resin composite system was produced by first mixing x*0.5 kg of vegetable fibers with y*2.5 liters of resin and then with z*2 liters of water glass, where x, y and z are rational numbers greater than zero and x, y and z preferably have the same magnitude, but deviate at least by no more than +/- 30%, preferably by no more than +/- 10%, from the mean of the three numbers.
  • the fiber-resin composite system can also be used to produce a fiber-bonded insulation board that is attached to a building wall, for example, as an insulation board.
  • water glass which, according to one of the other aspects of the invention, is made with resin, in particular natural resin can be mixed.
  • the water glass is preferably potassium water glass made from quartz sand (S1O2) and potassium carbonate (K2CO3).
  • the soda water glass that can be used as an alternative is made of sodium carbonate (Na 2 C03) and quartz sand (S1O2).
  • an alternative method for producing water glass is proposed.
  • quartz sand and potassium carbonate in an aqueous environment i.e. in water
  • the ratio of the components potassium carbonate and quartz sand to water is preferably between 4:1 and 2:3.
  • the method according to the invention for producing water glass requires only a fraction of the energy that the method known from the prior art requires.
  • the water glass produced in this way, in particular potassium water glass can then be mixed with resin (especially natural resin) and water.
  • the ratio of resin to potassium water glass is preferably between 1:10 and 1:1.
  • Resin and water glass can be premixed and homogenized, the mixture of resin and water glass remaining liquid and not hardening as long as it is kept in the absence of air, in particular oxygen.
  • the mixture of resin and water glass can also be dried and processed into pellets or granules.
  • the dried pellets can then also be stored and transported in ambient air. It is then not necessary to exclude air to prevent curing. Before use, the pellets or granules can be dissolved in water.
  • Fibers and/or other substances for example sand and/or gravel, can then be added.
  • Cement can also be added but is not required.
  • Pumice can also be added instead of gravel or in addition to gravel.
  • compositions of preferred composite materials are, for example, the following (the information relates to the mass of the components, e.g. grams or kilograms): Sand 150 to 200, especially 180
  • the resin is, for example, pine resin with an addition of 2% ethanol.
  • An alternative composite material can be composed as follows (again, given in mass, e.g. grams or kilograms):
  • the resin is preferably a pine resin with an addition of 2% ethanol.
  • the biomass is preferably formed from grass fibers.
  • the fibers, in particular natural fibers, in the composite material counteract the formation of cracks. There is also no risk of a potash aggregate reaction with the composite material, as can occur with conventional concrete (concrete cancer).
  • the viscosity and the curing time of the composite material can be affected by the Water content can be adjusted favorably - that is, by the amount of water that is added to the mixture. More water results in higher viscosity and longer curing time.
  • the fact that the viscosity of the material can be adjusted has the advantage that the material can be adjusted by appropriate mixing, for example to the delivery properties of pumps that deliver the material, for example in 3D printing. The curing times remain so favorable that construction without formwork - and thus 3D printing - is possible.
  • the mineral components of the composite material are preferably formed from sand, gravel and/or pumice.
  • particularly suitable additives are also sylvin or carnallite.
  • FIG. 1 shows a schematically illustrated flow chart of a method for producing a composite material
  • FIG. 2 shows a schematically illustrated flow chart of a method for producing a fiber-resin composite system
  • FIG. 1 shows a diagrammatic flow chart of a method for producing a composite material.
  • the composite material is formed at least from cement, cellular glass gravel and a fiber-resin composite system.
  • a fiber-resin composite system is produced by x*0.5 kg of vegetable fibers being coated with x*2.5 liters of resin. Coating of the fibers is performed, for example, by dipping the fibers in the resin.
  • the fibers coated with resin are mixed with x*2 liters of water glass or sprayed with water glass in order to form the fiber-resin composite system.
  • FIG. 2 shows a diagrammatic flow chart of a method for producing a fiber-resin composite system.
  • x*0.5 kg of vegetable fibers are first mixed with x*2.5 liters of resin (step s1), for example by immersing the fibers in the resin.
  • the coated fibers are then mixed or sprayed with x*2 liters of water glass (step s2), where x is a rational number greater than zero.
  • FIG. 3 A method, the steps of which can be carried out at different times and at different locations, is shown schematically in FIG. 3 and includes, for example
  • the production of the water glass as a component for a composite material represents an independent inventive concept.
  • a mixture of water glass and resin and the production of the same represent a further independent inventive concept.
  • process steps (1) to (5) can be carried out at one location and the process steps (6) to (10) independently of this at another location.
  • the production of the water glass can also be carried out completely independently of the other process steps, since water glass can also be used for other purposes than for the production of the composite materials presented here.
  • water glass can also be used for other purposes than for the production of the composite materials presented here.
  • potassium water glass soda water glass or lithium water glass can also be produced and used as water glass. Accordingly, sodium carbonate or lithium carbonate is used instead of potassium carbonate to produce soda water glass or lithium water glass.
  • the homogenized mixture of water glass and resin hardens under the influence of oxygen and can therefore form a binding component of a composite material and e.g. replace cement in whole or in part.
  • the homogenized mixture of water glass and resin transportable In order to make the homogenized mixture of water glass and resin transportable, so that it can be mixed with other additives at the place where a composite material is produced, for example, its gel-like aggregate state can be maintained in a gel-like state under nitrogen supply in order to store the GeoGel (homogenized mixture of water glass). - and to make it transportable.
  • the homogenized mixture of water glass can also be dried.
  • the dried mixture of water glass and resin can then be processed into granules or pellets. Pellets or granules can be easily stored and/or transported. At the point of use, the granules or pellets can then be redissolved in water to recover a gel-like mixture of waterglass and resin, which can then be mixed with other aggregates to form a composite as previously mentioned.
  • the mixture of the aggregates and the mixture of water glass and resin that has not yet hardened can finally be brought into the desired shape and left to harden.
  • the mixture of water glass and resin and fibers and/or mineral additives can be brought into shape in particular using the 3D printing process.
  • buildings or other structures can be produced using the 3D printing process.
  • the viscosity of the composite material can be adjusted accordingly through the proportion of water and the gel-like mixture of water glass and resin.
  • a composite material according to the invention has the following composition with the following properties (the data relate to 1m 3 of the composite material):
  • PENRT non-renewable primary energy used (primary energy non-renewable)
  • GWP Global Warming Potential
  • RI abio abiotic resources (non-renewable) Solutions to the aspect of creating a composite, the use of that composite, and the process of making that composite are as follows:
  • Composite material which is formed and manufactured at least from a fiber-resin composite system, cement and cellular glass gravel by first mixing vegetable fibers with resin and then with water glass, so as to form the fiber-resin composite system, and by the fibre-resin composite system was then mixed with water and cement and optionally other additives.
  • a method for producing a composite material wherein the composite material is formed at least from cement and a fiber-resin composite system and the method has the steps: Production of the fiber-resin composite system by first mixing vegetable fibers with resin and then with water glass, and
  • a composite material according to at least one of points 1 to 4 as insulating screed, impact sound screed, foundation, floor slab, outer wall, inner wall, ceiling, roof, bridge, paving stones or road.
  • Structure or part of a structure which is formed at least in part from a composite material according to at least one of the above items 1 to 4.
  • Method according to 13 wherein a curing time of the natural material is influenced by influencing a reaction speed between the resin and the water glass.
  • the method according to 13 or 14 wherein the natural material has a viscosity of between 10 and 500 at room temperature.
  • Fibre-resin composite system which is formed from plant fibres, resin and water glass and was produced by first soaking plant fibers with resin and then mixing them with water glass.
  • Process for producing a fiber-resin composite system by first soaking plant fibers with resin and then mixing the soaked fibers with water glass.
  • Use of a fiber-resin composite system which is formed from plant fibers and water glass soaked in resin, to produce a composite material.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff, der aus einer Mischung von Wasserglas und Harz als bindender Komponente und weiteren, mineralischen oder pflanzlichen Zuschlagstoffen gebildet ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Verbundwerkstoffs sowie ein Verfahren zum Herstellen von Wasserglas.

Description

Verbundwerkstoff und Verfahren zu dessen Herstellung sowie zur Herstellung von dessen Komponenten
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen verschiedener Verbundwerkstoffe, verschiedene Verbundwerkstoffe und verschiedene Verwendungen von Verbundwerkstoffen. Außerdem betrifft die Erfindung Verfahren zum Herstellen einiger Komponenten des Verbundwerkstoffs. Verbundwerkstoffe sind von wenigstens zwei Materialien gebildete Werkstoffe und werden inter alia in WO 02/28796 und EP 1 330 420 B1 beschrieben. Beispielsweise ist in EP 1 330420 B1 ein Verbundbaustoff beschrieben, der eine zementartige Matrix und zerfaserte und fibrillierte Weichholz-Cellulosefasern umfasst, die in der zementartigen Matrix aufgenommen sind. Ein im Bau im großen Umfang eingesetzter Verbundwerkstoff ist Beton. Ein Problem bei der Verwendung von Beton ist der hohe Energiebedarf bei der Herstellung des für Beton benötigten Zements.
In der Chemieindustrie im großen Umfang eingesetzte Verbundwerkstoffe basieren auf Polymeren. Ein Problem bei der Verwendung von Polymeren ist der hohe Energiebedarf beim Abbau und der Herstellung der für Polymere benötigten Mineralöle.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Verbundwerkstoff, und ein Verfahren zum Herstellen dieses Verbundwerkstoffs bereitzustellen. Ein auch unabhängig vom jeweiligen Verbundwerkstoff relevanter Aspekt der Erfindung ist eine bindende Komponente für einen Verbundwerkstoff, die beispielsweise als Klebstoff oder Bindemittel in unterschiedlichen Verbundwerkstoffen eingesetzt werden kann. Mit diesem Aspekt verknüpft ist ein Verfahren zum Herstellen einer bindenden Komponente für Verbundwerkstoffe.
Aspekte der Erfindung betreffen einen verbesserten Klebstoff als Alternative für Zement, sowie für polymerbasierte Klebstoffe für Verbundwerkstoffe und ein Verfahren zum Herstellen dieser Klebstoffe für Verbundwerkstoffe bereitzustellen.
Diesbezüglich wird ein Herstellungsverfahren für eine bindende Komponente eines Ver- bundwerkstoffs vorgeschlagen, welches die folgenden Schritte umfasst:
Herstellen von Wasserglas aus Kaliumcarbonat und Quarzsand, indem Kaliumcarbonat und Quarzsand mit Wasser gemischt und bei einer Temperatur zwischen 80°C und 200°C, vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 80°C und 100°C, und einem Druck zwischen 1 ,5 bar und 5 bar geschmolzen werden - Mischen des Wasserglases mit Harz, und
Homogenisieren der Mischung im flüssigen Zustand.
Da alle hier vorgestellten Erfindungsaspekte auf dem Einsatz von Wasserglas und Harz, insbesondere Naturharz, basieren, betrifft ein weiterer Erfindungsaspekt das Herstellen des Wasserglases selbst. Hierzu wird folgendes Verfahren vorgeschlagen: Kaliumcarbonat und Quarzsand werden mit Wasser gemischt und bei einer Temperatur zwischen 80°C und 200°C, vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 80°C und 100°C, und einem Druck zwischen 1 ,5 bar und 5 bar geschmolzen. Dies geschieht vorzugsweise unter Einwirkung von Ultraschall. Die Mischung wird vorzugsweise homogenisiert, und zwar vorzugsweise ebenfalls unter Einwirkung von Ultraschall. Das Masse-Verhältnis der Komponenten Kaliumkarbonat und Quarzsand zu Wasser beträgt dabei vorzugsweise zwischen 4:1 und 2:3. Vorzugsweise erfolgt das Zusammenschmelzen von 3 Teilen Quarzsand, 2 Teilen Kaliumcarbonat und 0,2 Teilen Kohle - alles fein pulverisiert - mit 4:1 oder 2:3 Teilen Wasser, wobei der Wasseranteil die Kristallisationsdauer bestimmt.
Das Herstellen des Wasserglases erfolgt vorzugsweise in einem geschlossen Offen, in dem ein Druck zwischen 1 ,5 bar und 5 bar herrschen kann und der Mischelemente wie beispielsweise Rührelemente enthält. Der Ofen ist vorzugsweise ein geschlossener, beheizbarer Drehofen, der Zuführschleusen zum Zuführen von Kaliumcarbonat, Quarzsand und Wasser sowie einen Auslass für das Wasserglas aufweist. Der Auslass für das Wasserglas kann mit einem zweiten Mischbehälter zum Mischen des Wasserglases mit dem Harz verbunden sein. Dieser zweite Behälter ist mit Ultraschallquellen versehen, um ein Homogenisieren der Mischung aus Wasserglas und Harz zu verbessern.
Ein Aspekt wird durch einen Verbundwerkstoff gelöst, welcher wenigstens von einem Harz- Verbundsystem gebildet ist und weitere Zuschlagstoffe wie z.B. Schaumglasschotter, Kies oder Cellulose enthält. Der Verbundwerkstoff ist hergestellt, indem zunächst Wasserglas mit Harz zu einer Emulsion homogenisiert und anschließend mit Zuschlagsstoffen vermischt wird, um so das Verbundsystem zu bilden.
Ein weiterer Aspekt wird durch einen Verbundwerkstoff gelöst, welcher wenigstens von einem Harz-Verbundsystem gebildet ist und weitere Zuschlagstoffe wie z.B. Schaumglasschotter, Kies oder Cellulose enthält. Der Verbundwerkstoff ist hergestellt, indem zunächst Wasserglas mit Harz zu einer Emulsion homogenisiert und anschließend mit Zuschlagsstoffen vermischt wird, um so das Verbundsystem zu bilden.
Eine alternative Lösung besteht in einem Verbundwerkstoff, welcher wenigstens von einem Faser-Harz-Verbundsystem und Zement gebildet ist und weitere Zuschlagstoffe wie z.B. Schaumglasschotter oder Kies enthält. Der Verbundwerkstoff ist hergestellt, indem zu- nächst pflanzliche Fasern mit Harz getränkt und anschließend mit Wasserglas behandelt werden, um so das Faser-Harz-Verbundsystem zu bilden, und indem dieses Faser-Harz- Verbundsystem anschließend mit Wasser und Zement sowie optional weiteren Zuschlagstoffen wie Kies und/oder Schaumglasschotter vermischt wird.
Die Gewichtsverhältnisse sind dabei vorzugsweise derart, dass das Verhältnis Wasserglas zu Harz zwischen 10 zu 1 und 7 zu 1 beträgt. Bei einem der erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffe beträgt das Gewichtsverhältnis pflanzlicher Fasern zu Harz vorzugsweise zwischen 1 ,5 und 2,5, insbesondere etwa 2, d.h. der Gewichtsanteil der Fasern ist vorzugsweise doppelt so groß wie der Gewichtsanteil an Harz, mit dem die Fasern getränkt werden. Das Gewicht des anschießend hinzuzufügen- den Wasserglases beträgt etwas weniger oder genauso viel wie das Gewicht des Harzes, d.h. das Gewichtsverhältnis von Harz zu Wasserglas beträgt beispielsweise zwischen 0,8 und 1 ,1. Fasern, Harz und Wasserglas bilden das Faser-Harz-Verbundsystem, das anschließend mit annähernd der gleichen Gewichtsmenge Wasser und der zwei- bis dreifachen Gewichtsmenge Zement sowie den Zugschlagstoffen vermischt wird, d.h. die Ge- Wichtsverhältnisse von Faser-Harz-Verbundsystem zu Wasser zu Zement sind etwa 1/1/2, 5.
In einem Beispielsfall werden zunächst x*5 kg pflanzliche Fasern mit y*2,5 Liter Harz und anschließend mit z*2 Liter Wasserglas vermischt, um so das Faser-Harz-Verbundsystem zu bilden, wobei x, y und z rationale Zahlen größer Null sind und x, y und z vorzugsweise den gleichen Betrag haben, aber zumindest nicht mehr als +/- 30%, vorzugsweise um nicht mehr als +/- 10% vom Mittelwert der drei Zahlen abweichen. Anschließend wird das Faser- Harz-Verbundsystem mit a*10 Liter Wasser, b*25 kg Zement und c*70 Liter Schaumglasschotter vermischt, wobei a, b und c für rationale Zahlen größer Null stehen und a, b und c vorzugsweise den gleichen Betrag haben, aber zumindest nicht mehr als +/- 30%, vor- zugsweise um nicht mehr als +/- 10% vom Mittelwert der drei Zahlen abweichen.
Die Erfindung schließt die Erkenntnis ein, dass herkömmliche Faserzemente mit Naturfasern unerwünschte Eigenschaften wie ein unerwünschtes Schwindverhalten in Folge von Faserschrumpfung als Folge der Feuchtigkeitsaufnahme und des anschließenden Austrocknens und damit einen Dickenschwund des Bauteiles zeigen. Auch ist die Anbindung der Fasern an den Zement typischer Weise unbefriedigend. Beide Nachteile werden vermieden oder zumindest vermindert, wenn die Faser zunächst mit Harz gemischt und das Gemisch anschließend mit Wasserglas gemischt wird, um auf diese Weise ein Faser-Harz- Verbundsystem zu bilden, das mit Wasser und Zement vermischt wird um im abgebundenen Zustand einen festen Verbundwerkstoff zu erhalten, bei dem die Fasern eine gute Bindung zu dem Zement haben.
Es hat sich gezeigt, dass das von mit Harz getränkten Naturfasern und Wasserglas gebildete Faser-Harz-Verbundsystem eine gute Adhäsion zu Zement bietet und im abgebundenen Zustand eine hohe Festigkeit, eine gute Beständigkeit gegenüber äußeren Einflüssen und auch eine gute Feuerbeständigkeit aufweist. Außerdem ist die Herstellung eines Verbundwerkstoffs aus dem Faser-Harz-Verbundsystem, Zement und weiteren Zuschlagstoffen wesentlich energieeffizienter als die Herstellung herkömmlicher Verbundwerkstoffe aus Zement. Die Erfindung schließt weiterhin die Erkenntnis ein, dass an Werkstoffe oftmals eine Reihe von Anforderungen gestellt werden, beispielweise bezüglich ihrer Druckfestigkeit, ihren Wärmedämmungseigenschaften und ihrer Materialzusammensetzung. Werkstoffe weisen in der Regel jedoch nur eine begrenzte Auswahl der geforderten Materialeigenschaften auf, sodass Werkstoffe mit verschiedenen Materialeigenschaften beispielweise in Schich- ten kombiniert werden, um tatsächlich alle Anforderungen zu erfüllen. Eine Gebäudewand weist zum Beispiel oftmals eine Stahlbetonwand für die benötigte mechanische Stabilität auf, an der ein Wärmedämmverbundsystem zum Gewährleisten einer bestimmten Wärmedämmung befestigt ist. Die Wanddicke einer solchen Gebäudewand ergibt sich dann aus den Dicken der Stahlbetonwand und des Wärmedämmverbundsystems. Die Herstellung einer solchen Gebäudewand ist vergleichsweise zeitaufwendig, da zunächst die Stahlbetonwand errichtet und anschließend das Wärmedämmverbundsystem an dieser befestigt werden muss. Die aufwendige Bauweise herkömmlicher Wände führt in der Regel auch zu vergleichsweise hohen Material- und Herstellungskosten.
Durch Vermischen von Zement und Schaumglasschotter und/oder andern Zuschlagstoffen mit dem Faser-Harz-Verbundsystem weist der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff bereits Materialeigenschaften auf, die eine Verwendung von weiteren Baustoffen zum Erfüllen von verschiedenen Anforderungen obsolet machen. Insbesondere wenn als Zuschlagstoff Schaumglasschotter vorgesehen ist, hat der Verbundwerkstoff vergleichsweise gute wärmedämmende und stabilisierende Eigenschaften. Auch unter ökologischen Gesichtspunkten weist der Verbundwerkstoff eine Reihe von Vorteilen auf. So ist der Verbundwerkstoff von natürlichen, unschädlichen und nachhaltig produzierbaren Komponenten gebildet. Insbesondere ist der Zementanteil des Verbundwerkstoffes im Vergleich zu beispielsweise Normalbeton reduziert, weshalb der Verbundbaustoff auch eine bessere C02-Bilanz als Beton hat. Ein im Vergleich zu Normalbeton gerin- gerer Zementanteil des Verbundwerkstoffes ist deshalb möglich, weil die beschichten pflanzlichen Faser zu einem großen Teil die adhäsive Funktion des Zements übernehmen. Ein Reduzieren des Zementanteils im Vergleich zu Normalbeton durch Verwenden be- schichteter pflanzlicher Fasern mit adhäsiver Wirkung führt auch zu einem erhärteten Verbundstoff mit vorteilhaften Eigenschaften, wie etwa einer Verringerung des Gewichts und der Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu Normalbeton.
Die adhäsive Wirkung der beschichteten pflanzlichen Fasern hat ihre Ursache insbeson- dere in dem Vermischen der pflanzlichen Fasern mit Harz und anschließend mit Wasserglas zu einem Faser-Harz-Verbundsystem. Aufgrund der adhäsiven Wirkung der beschichteten pflanzlichen Faser wirkt das Faser-Harz-Verbundsystem insbesondere als Bindemittel und ist geeignet die Funktion von Zement innerhalb eines Verbundwerkstoffes zu übernehmen. Insbesondere aufgrund des Wasserglases hat das Faser-Harz-Verbundsystem auch gute feuerhemmende Eigenschaften und wirkt wasserabweisend.
Somit erfüllt der Verbundwerkstoff bereits eine Reihe von Anforderungen, wie beispielsweise mechanische Stabilität, Wärmedämmung, Feuerhemmung und Abdichtung, die typischerweise an einen für die Herstellung einer Gebäudewand geeigneten Baustoff gestellt werden. Wenn beispielsweise eine Gebäudewand von dem Verbundwerkstoff gebildet ist oder den Verbundwerkstoff aufweist, erfüllt dieser vorteilhafterweise mehrere Funktionen, die sonst unterschiedliche Bestandteile einer herkömmlich aufgebauten Gebäudewand separat erfüllen, die typischerweise eine Stahlbetonwand, eine Bauwerksabdichtung und eine Wärmedämmung aufweist. Im Vergleich zu einem konventionellen Wandaufbau einer Gebäudewand können also Stahlarmierungen, Bauwerksabdichtung, Brandhemmer, Fungi- zide und Dämmungen entfallen.
Eine von dem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff gebildete Gebäudewand kann dann vorteilhafterweise mit einer geringeren Wanddicke und deutlich weniger Prozessschritten hergestellt werden. Dadurch wird eine erhebliche Reduktion anfallender Kosten und benötigter Zeit erzielt. Auch kann bei einer von dem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff ge- bildeten Gebäudewand auf toxische und Bausubstanz schädigende Materialien, z.B. aus Rohöl (Bitumen, EPS (Expandiertes Polystyrol)-Dämmungen), verzichtet werden. Der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff verbindet also eine Reihe von für den Gebäudebau zentralen Materialeigenschaften, wie eine gute Wärmedämmung, eine hohe Wasserundurchlässigkeit, eine gute Tragfähigkeit und basiert auf nachhaltig gewinnbaren Ressour- cen.
Aufgrund der höheren Bruchdehnung der beschichteten pflanzlichen Fasern im Vergleich zu mineralischen Bestandteilen wie Zement werden Risse in den mineralischen Bestandteilen des Verbundwerkstoffes durch die beschichteten Fasern überbrückt und somit bleibt eine gewisse mechanische Stabilität des Verbundwerkstoffs über die Bruchdehnung z.B. des Zements hinaus erhalten.
Ein von dem Verbundwerkstoff gebildetes Verbundwerkstoffstück weist aufgrund der beschichteten Fasern in der Regel eine im Vergleich zu Normalbeton feinstrukturiertere Ober- fläche auf.
Alternativ oder zusätzlich zu Zement können auch andere Baustoffe als Komponente und insbesondere als Bindemittel des Verbundwerkstoffes verwendet werden. Eine geeignete Alternative zu Zement ist beispielsweise Calciumcarbonat.
Ein weiterer Erfindungsaspekt betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundwerk- Stoffs, bei dem zum Herstellen des Faser-Harz- Verbundsystems pflanzliche Fasern mit Harz und anschließend mit Wasserglas vermischt werden.
Wieder ein weiterer Erfindungsaspekt, der auch einen eigenständigen Erfindungsgegenstand darstellt, betrifft das Herstellen eines Zwischenprodukts aus Wasserglas, vorzugsweise Kaliwasserglas und Harz. Noch ein weiterer Aspekt, der auch einen eigenständigen Erfindungsgegenstand darstellt, betrifft das Herstellen von Wasserglas, insbesondere von Kaliwasserglas.
Bevorzugt ist das Harz, das mit Wasserglas gemischt und/oder mit dem die pflanzlichen Fasern vermischt und beschichtet werden, ein Naturharz, insbesondere ein pflanzliches Naturharz. Das Naturharz ist vorzugsweise unbehandelt. Ein solches pflanzliches Natur- harz ist beispielsweise das Harz einer Kiefer, Lärche, Fichte oder dem Sandarakbaum. Ein geeignetes Harz kann aber auch von anderen Nadelbäumen oder auch Laubbäumen gewonnen werden. Als Naturharz für das Faser-Harz-Verbundsystem geeignet sind insbesondere auch Balsam, Gummilack, Kolophonium, Sandarak und Mastix. Durch Vermischen der pflanzlichen Fasern mit Harz werden diese mit dem Harz beschichtet und die beschichteten pflanzlichen Fasern werden als adhäsiv wirkendes Bindemittel verwendet.
Alternativ oder zusätzlich zu Naturharz kann auch Kunstharz verwendet werden, um das Faser-Harz-Verbundsystem herzustellen.
Für das Mischen mit Wasserglas eignen sich insbesondere auch Furanharze. Bestandteile geeigneter Harze sind leicht oxydierende Säuren. Dabei sind Harze, die eine oder mehrere der folgenden Säuren enthalten, besonders bevorzugt: Abietinsäure, Pimar- säufe, Levopimarsäure oder Protocatechusäure. Weitere säureartige Bestandteile sind verseifbare Stoffe, insbesondere Ester wie beispielsweise Lactone. Auch unverseifbare Stoffe wie Terpene können Bestandteile bevorzugter Harze sein. Weiterhin können petroletherunlösliche Harzsäuren in dem Harz enthalten sein, insbesondere Oxysäuren oder Kolophonsäuren. Weitere Bestandteile sind Bitterstoffe oder Ether. Nachfolgend sind die Bestandteile geeigneter Harze aufgelistet:
Leicht oxidierende Säuren Abietinsäure
Pimarsäure Levopimarsäure verseifbare Stoffe Ester unverseifbare Stoffe
Terpene
Petroletherunlösliche Harzsäuren Oxysäuren Kolophonsäuren Weitere Säuren
Protocatechusäure
Bitterstoffe
Ether
Lactone Das Wasserglas kann Natronwasserglas, Kaliwasserglas oder Lithiumwasserglas sein, wobei die Verwendung von Kaliwasserglas bevorzugt ist. Das Wasserglas liegt vorzugsweise als wässrige Lösung vor. Die pflanzlichen Fasern sind vorzugsweise Hanffasern. Es können aber auch Sisalfasern, Jutefasern, Seegrasfasern, Bambusfasern oder Grasfasern verwendet werden, die vorzugsweise getrocknet und geröstet sind. Nachfolgend findet sich eine Übersicht über grundsätzlich geeignete Naturfasern: Bastfasern, wie
Bambusfaser
Brennnessel, siehe auch Fasernessel Hanffaser (HA)
Jute (JU) - Rhabarberfasern
Leinen (LI) aus dem Gemeinen Lein Ramie (RA)
Sunn-Hanf
Distel - Hopfen
Brennnessel, siehe auch Fasernessel Hanffaser (HA)
Lupine u. a. Hülsenfrüchtler (Erbsen; Bohnen; Steinklee)
Leinen (LI) aus dem Gemeinen Lein - Malven oder Stockrosen
Besenginster Korbweide Maulbeerbaum Linde - Stroh
Wasserhanf
Seidelbast Blattfasern, wie
Sisal (Sl) aus Agaven-Blättern
Abaca (Manilahanf), Hartfaser aus den Blättern einer Faserbanane Henequen - Neuseeländer Flachs
Ananas Curaua Caroa
Ichu-Gras (Jarava ichu) - Macambira
Kokos Bananen Eukalyptus
Samen-/Fruchtfasern, wie - Wollgras
Weide
Pappel oder Pappelflaum Rohrkolben oder anderen Fasern wie - Torffaser
Seegras
Waldwolle; speziell gekochte Nadeln (meist von Kiefern).
Der Schaumglasschotter hat vorzugsweise eine Körnung, die zwischen 1 mm und 40 mm, insbesondere zwischen 1 mm und 20 mm beträgt. Durch die Wahl der Körnung werden besonders vorteilhaft Materialeigenschaften, beispielweise der Wärmedurchgangskoeffizient, eine Feuerfestigkeit oder Tragfähigkeit des Verbundwerkstoffes beeinflusst. Alternativ oder zusätzlich zu Schaumglasschotter können auch Kies und/oder andere mineralische Zuschlagstoffe als Komponenten des Verbundwerkstoffes verwendet werden.
Die eingangs genannte Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundwerkstoffs gelöst, wobei der Verbundwerkstoff wenigstens von Zement, Sand, Schaumglasschotter und einem Faser-Harz-Verbundsystem gebildet ist. Das Verfahren weist die Schritte auf:
Herstellen des Faser-Harz- Verbundsystems indem pflanzliche Fasern mit Harz und anschließend mit Wasserglas vermischt werden, insbesondere indem x*5 kg pflanzliche Fasern mit y*2,5 Liter Harz und anschließend mit z*2 Liter Wasserglas ver- mischt werden, wobei x, y und z rationale Zahlen größer Null sind und x, y und z vorzugsweise den gleichen Betrag haben, aber zumindest nicht mehr als +/- 30%, vorzugsweise um nicht mehr als +/- 10% vom Mittelwert der drei Zahlen abweichen, und
Vermischen des Faser-Harz-Verbundsystems mit Wasser und Zement, insbeson- dere mit a*10 Liter Wasser, b*25 kg Zement und c*70 Liter Schaumglasschotter und/ oder Sand, wobei a, b und c rationale Zahlen größer Null sind und a, b und c vorzugsweise den gleichen Betrag haben, aber zumindest nicht mehr als +/- 30%, vorzugsweise um nicht mehr als +/- 10% vom Mittelwert der drei Zahlen abweichen.
Das Faser-Harz-Verbundsystem kann auch hergestellt werden, indem geröstete und ent- sprechend trockene pflanzliche Fasern in Harz getaucht werden. Auf den Schritt des Tauchens folgt vorzugsweise ein Schritt des Abtropfenlassens, in dem ein Teil des Harzes, das die Fasern benetzt, von den Fasern abtropft. Anschließend werden die beschichteten pflanzlichen Fasern mit Wasserglas besprüht. Das Wasserglas wirkt dann als Härter. Die pflanzlichen Fasern werden danach, vorzugsweise im feuchten Zustand, mit Wasser, Ze- ment und Schaumglasschotter vermischt, um den Verbundwerkstoff herzustellen.
Alternativ oder zusätzlich zu Zement kann beispielsweise auch Calciumcarbonat und alternativ oder zusätzlich zu Schaumglasschotter kann auch Kies verwendet werden.
In einer Ausführungsvariante weist das Verfahren den Schritt auf:
Trocknen lassen des hergestellten Verbundwerkstoffes in einer Schalung. Durch Trocknen lassen des Verbundwerkstoffes in einer Schalung kann dem Verbundwerkstoff im gehärteten Zustand eine bestimmte Form vorgegeben werden. Es kann also gezielt beeinflusst werden, welche Form das fertige Bauteil nach dem Trocknen hat. Wenn der hergestellte Verbundwerkstoff im gehärteten Zustand als ein bestimmtes Bauteil ver- wendet werden soll, kann der hergestellte Verbundwerkstoff in einer Schalung trocknen gelassen werden, die dem hergestellten Verbundwerkstoff die Form dieses Bauteils vorgibt. Ein solches Bauteil kann zum Beispiel ein Gebäudeteil wie eine Gebäudewand oder ein Fundament zum Errichten eines Gebäudes sein.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung, der auch einen eigenständigen Erfindungsgegenstand darstellt, betrifft ein Verwenden des Verbundwerkstoffes in einem additiven Fertigungsverfahren. Dabei ist es nicht zwingend notwendig, dass der Verbundwerkstoff als einziger Werkstoff in dem additiven Fertigungsverfahren verwendet wird. Es ist möglich, dass der Verbundwerkstoff in einem additiven Fertigungsverfahren zusammen mit weiteren Werkstoffen verwendet wird. In einem additiven Fertigungsverfahren wird der Verbundwerkstoff typischerweise Schicht für Schicht aufgetragen, um so ein dreidimensionales Objekt, beispielweise ein Bauteil o- der ein Teil eines Bauwerks, zu erzeugen. Ein additives Fertigungsverfahren ist beispielsweise ein 3D-Druck oder eine generative Fertigung. Der zunächst plastische, angemischte Verbundwerkstoff kann beispielsweise unter Einsatz eines 3D-Betonmodellierers in eine vorgegebene, beispielsweise durch einen Computer modellierte Form, gebracht werden.
Durch das Verwenden des Verbundwerkstoffes in einem additiven Fertigungsverfahren ergeben sich eine Reihe von Vorteilen gegenüber traditionellen Stahlbetonbauverfahren. Insbesondere ist es durch die Verwendung des Verbundwerkstoffes mit beschichteten pflanzlichen Fasern möglich Material und Materialkosten sowie eine Montagedauer im Vergleich zu einem traditionellen Stahlbetonbauverfahren zu reduzieren. Auch ein Planungsaufwand und damit im Zusammenhang stehende Kosten werden reduziert, da sich beispielweise der Aufbau einer Gebäudewand durch Verwenden des Verbundwerkstoffes vereinfachen lässt. Dies liegt daran, dass der Verbundwerkstoff bereits eine Reihe von für den Gebäudebau relevanten Materialeigenschaften insbesondere hinsichtlich Wärmedämmung und Abdichtung aufweist.
Auch ein selektives Binden ist ein additives Fertigungsverfahren oder ein Teil davon. Beim selektiven Binden wird der hergestellte Verbundwerkstoff (Nur Harz und Wasserglas) im fließfähigen Zustand gezielt in dünne Schichten einer trockenen Schüttung eingebracht, wodurch eine lokale Bindung zwischen jeweils angrenzenden Schichten erfolgt. So kann zum Beispiel sukzessive ein zuvor an einem Computer modelliertes Bauteil durch selektives Binden erzeugt werden.
Bei dem selektiven Binden werden insbesondere zwei Varianten unterschieden. Die erste Variante wird als Paste Intrusion bezeichnet und umfasst ein schichtweises Einbringen des zu verarbeitenden Werkstoffes in trockenen Sand. Die zweite Variante wird als Cement Activation bezeichnet und umfasst ein Einbringen von Wasser in ein Trockengemisch eines zu verarbeitenden Werkstoffes, um diesen lokal zu verfestigen.
Mit diesen Verfahren lassen sich Festigkeiten erreichen, die im Bereich von herkömmlich gefertigtem Normalbeton liegen. Durch selektives Binden lassen sich Bauteile von hoher geometrischer Komplexität hersteilen.
Der Verbundwerkstoff kann insbesondere dazu verwendet werden mittels eines additiven Fertigungsverfahrens ein Bauwerk oder ein Bauwerkteil, vorzugsweise ein Gebäude oder Gebäudeteil herzustellen. Beispielsweise kann der Verbundwerkstoff als Dämm-Estrich, Trittschall-Estrich, Fundament, Bodenplatte, Außenwand, Innenwand, Geschossdecke, Dach, Brücke oder Straße verwendet werden. Der Verbundwerkstoff kann beispielsweise dazu verwendet werden eine Außen- oder Innenwand eines Gebäudes herzustellen. Die Außen- oder Innenwand eines Gebäudes kann dann vollständig oder auch nur teilweise von dem Verbundwerkstoff gebildet sein.
Aufgrund der Reihe von vorteilhaften Materialeigenschaften kann insbesondere eine Außen- oder Innenwand eines Gebäudes allein von dem hier beschriebenen Verbundwerkstoff gebildet sein, da dieser unter anderem bereits eine vergleichsweise gute Wärmedämmung und Bauwerksabdichtung gewährleistet. Durch ein Verwenden des Verbundwerk- Stoffes für beispielsweise eine Außen- oder Innenwand eines Gebäudes kann sich das Aufbringen weiterer Dämmungs- oder Abdichtungsschichten auf die Gebäudewand erübrigen. Wenn der Verbundwerkstoff für eine Außen- oder Innenwand eines Gebäudes verwendet wird, kann eine solche Außen- oder Innenwand vergleichsweise einfach aufgebaut sein und eine vergleichsweise kleine Wanddicke haben. Eine solche von dem hier be- schriebenen Verbundwerkstoff gebildete Außen- oder Innenwand kann dann beispielsweise eine herkömmliche Gebäudewand mit Stahlarmierungen, Bauwerksabdichtung, Brandhemmer, Fungizide und Dämmungen ersetzen. Ein weiterer Aspekt der Erfindung, der auch einen eigenständigen Erfindungsgegenstand darstellt, betrifft ein Bauwerk oder einen Teil eines Bauwerks, welches wenigstens teilweise von einem Verbundwerkstoff gemäß wenigstens einer der vorhergenannten Ausführungsvarianten gebildet ist. Ein Bauwerk kann beispielsweise ein Verkehrsbauwerk wie eine Straße oder ein Weg oder ein anderes Ingenieurbauwerk wie eine Brücke, ein Tunnel, ein Trogbauwerk, ein Stützbauwerk, eine Lärmschutzwand, ein Regenrückhaltebecken oder ein Schachtbauwerk sein. Es können auch lediglich Teile der vorhergenannten Bauwerke von dem hier beschriebenen Verbundwerkstoff gebildet sein. Ein Bauwerksteil kann insbesondere ein Fun- dament, eine Bodenplatte, eine Außenwand, eine Innenwand, eine Geschossdecke, ein Dach, eines Gebäudes oder Gebäudeteils sein.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung, der auch einen eigenständigen Erfindungsgegenstand darstellt, betrifft einen Naturwerkstoff, der durch Vermischen von Harz und Wasserglas in einem Volumenverhältnis von vorzugsweise 1 zu 10 bis 3 zu 2 hergestellt wurde. Insbe- sondere kann das Volumenverhältnis auch zwischen 1 zu 1 und 1 ,5 zu 1 , beispielsweise 2,5 zu 2, betragen. Hierbei stellt Harz, insbesondere Naturharz, die Grundlage des Naturwerkstoffes dar und wird durch die Zugabe von Wasserglas gehärtet.
Der Naturwerkstoff ist vorzugsweise ein Zweikomponenten-Naturharzsystem mit den beiden Komponenten Naturharz und Wasserglas Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Naturwerkstoffes, bei dem Harz und Wasserglas in einem Volumenverhältnis von vorzugsweise 1 zu 10 bis 3 zu 2 vermischt werden. Insbesondere kann das Volumenverhältnis auch zwischen 1 zu 1 und 1 ,5 zu 1 , z.B. 2,5 zu 2 betragen.
In einer Ausführungsvariante des Verfahrens wird eine Aushärtungszeit des Naturwerk- Stoffes beeinflusst, indem die Reaktionsgeschwindigkeit zwischen dem Harz und dem Wasserglas beeinflusst wird. Die Reaktionsgeschwindigkeit wird insbesondere durch eine Zugabe von Wasser beeinflusst.
Der Naturwerkstoff hat bei Raumtemperatur vorzugsweise eine Viskosität, die zwischen 10 mPa*s und 500 mPa*s beträgt. Vorteilhafterweise ist der Naturwerkstoff dann streichbar. Ein weiterer Aspekt betrifft ein Verwenden eines gemäß dem hier beschriebenen Verfahren hergestellten Naturwerkstoffes zum Beschichten einer Oberfläche, zum Verbinden von wenigstens zwei Oberflächen, insbesondere für Klebstoffanwendungen, oder zum Abdichten einer Oberfläche. Neben dem Vermischen mit pflanzlichen Fasern zum Herstellen des Faser-Harz-Verbund- systems eignet sich der Naturwerkstoff auch für weitere Verwendungen, die unabhängig von dem hier beschriebenen Verbundwerkstoff sind.
Die zu beschichtende Oberfläche, die abzudichtende Oberfläche oder wenigstens eine der zwei zu verbindenden Oberflächen kann beispielsweise eine Werkstoffoberfläche, z.B. eine Baustoffoberfläche, eine Kunststoffoberfläche, oder eine Naturbaustoffoberfläche sein.
Beispiele für eine Beschichtung einer Oberfläche sind eine Beschichtung von Betonoberflächen z.B. als Feuchtigkeitsabdichtung, eine Beschichtung von Holzoberflächen z.B. als Feuchtigkeitsabdichtung und eine Beschichtung von keramischen Werkstoffen z.B. als Feuchtigkeitsabdichtung.
Grundsätzlich ist der Naturwerkstoff vielseitig einsetzbar und eignet sich beispielsweise zur Verwendung im Zusammenhang mit dem hier beschriebenen und anderen Verbundwerkstoffen, insbesondere zum Herstellen des Faser-Harz-Verbundsystems, als Beschich- tungs- oder Dichtungsmittel oder auch als Klebstoff oder bindende Komponente. Der Naturwerkstoff kann beispielsweise als Beschichtung oder Bestandteil eines Werkstoffstückes verwendet werden, welches von Beton oder Keramikfliesen oder dem hier beschriebenen und/oder anderen Verbundwerkstoffen gebildet ist. Interessante Verwendungsbereiche des Naturwerkstoffes finden sich unter anderem im Automobilbereich, im Sanitärbereich, bei Wasserfahrzeugen, wie Segelbooten, Kajaks oder Kanus, bei Sportge- räten wie Surfbrettern, Kite-Boards oder Snowboards, aber beispielsweise auch bei Windturbinenklingen. Auch in der Halbeitertechnologie ist eine Verwendung des Naturwerkstoffes denkbar.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Faser-Harz-Verbundsystem welches von pflanzlichen Fasern, Harz und Wasserglas gebildet und hergestellt ist, indem zunächst x*0,5 kg pflanzliche Fasern mit y*2,5 Liter Harz und anschließend mit z*2 Liter Wasserglas vermischt werden, wobei x, y und z rationale Zahlen größer Null sind und x, y und z vorzugsweise den gleichen Betrag haben, aber zumindest nicht mehr als +/- 30% vom Mittelwert der drei Zahlen abweichen.
Das hier beschriebene Faser-Harz- Verbundsystem stellt ein auch selbstständig zu verwen- dendes Zwischenprodukt des vorher beschriebenen Verbundwerkstoffes dar und kann auch unabhängig von diesem verwendet werden. Beispielsweise kann das Faser-Harz- Verbundsystem als Zuschlagsstoff und insbesondere als Bindemittel eines alternativen hier nicht beschriebenen Verbundwerkstoffes verwendet werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Faser-Harz- Verbundsystems, welches auch einen eigenständigen Erfindungsgegenstand darstellt. In dem Verfahren werden zunächst x*0,5 kg pflanzliche Fasern mit x*2,5 Liter Harz und anschließend mit x*2 Liter Wasserglas vermischt, wobei x, y und z rationale Zahlen größer Null sind und x, y und z vorzugsweise den gleichen Betrag haben, aber zumindest nicht mehr als +/- 30%, vorzugsweise um nicht mehr als +/- 10% vom Mittelwert der drei Zahlen abweichen. Dieses Verfahren kann auch Teil eines anderen Verfahrens, beispielweise Teil des vorher beschriebenen Verfahrens zum Herstellen eines Verbundwerkstoffes sein.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung, der auch einen eigenständigen Erfindungsgegenstand darstellt, betrifft ein Verwenden eines Faser-Harz-Verbundsystems, welches von pflanzlichen Fasern, Harz und Wasserglas gebildet ist, zum Herstellen eines Verbundwerkstoffes, insbesondere zum Herstellen des hier beschriebenen Verbundwerkstoffes. Das Faser- Harz-Verbundsystem wurde hergestellt, indem zunächst x*0,5 kg pflanzliche Fasern mit y*2,5 Liter Harz und anschließend mit z*2 Liter Wasserglas vermischt wurden, wobei x, y und z rationale Zahlen größer Null sind und x, y und z vorzugsweise den gleichen Betrag haben, aber zumindest nicht mehr als +/- 30%, vorzugsweise um nicht mehr als +/- 10% vom Mittelwert der drei Zahlen abweichen.
Das Faser-Harz-Verbundsystem kann auch dazu verwendet werden, eine fasergebundene Dämmplatte herzustellen, die beispielweise als Dämmplatte an eine Gebäudewand angebracht wird.
Ein weiterer, auch eigenständig schutzfähiger Aspekt betrifft das Herstellen von Wasser- glas, das gemäß einem der anderen Erfindungsaspekte mit Harz, insbesondere Naturharz gemischt werden kann. Das Wasserglas ist vorzugsweise Kaliwasserglas, das aus Quarzsand (S1O2) und Kaliumcarbonat (K2CO3) hergestellt ist. Das alternativ zu verwendende Natronwasserglas ist aus Natriumkarbonat (Na2C03) und Quarzsand (S1O2) hergestellt.
Zur Herstellung solcher Wassergläser werden gemäß dem Stand der Technik Gemenge aus Quarzsand und dem jeweiligen Karbonat bei 1100°C bis 1200°C verschmolzen.
Gemäß dem Erfindungsaspekt wird ein alternatives Verfahren zum Herstellen von Wasserglas vorgeschlagen. Gemäß diesem Verfahren werden Quarzsand und Kaliumkarbonat in wässriger Umgebung (also in Wasser) bei Temperaturen zwischen 80°C und 200°C - vorzugsweise zwischen 80°C und 100°C - und einem Druck von 2,5 bar bis 5 bar und unter gleichzeitigem Einwirken von Ultraschall miteinander verschmolzen. Das Verhältnis der Komponenten Kaliumkarbonat und Quarzsand zu Wasser beträgt dabei vorzugsweise zwischen 4:1 und 2:3. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen von Wasserglas benötigt nur einen Bruchteil der Energie, die das aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren benötigt. Das so hergestellte Wasserglas, insbesondere Kaliwasserglas, kann anschließend mit Harz (insb. Naturharz) und Wasser gemischt werden. Das Verhältnis von Harz zu Kaliwasserglas beträgt dabei vorzugsweise zwischen 1 :10 und 1 :1 . Harz und Wasserglas können vorgemischt und homogenisiert werden, wobei die Mischung aus Harz und Wasserglas flüssig bleibt und nicht aushärtet, solange sie unter Ausschluss von Luft, insbesondere Sauerstoff bewahrt wird.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt kann die Mischung aus Harz und Wasserglas auch getrocknet und zu Pellets oder Granulat verarbeitet werden. Die getrockneten Pellets können dann auch in Umgebungsluft gelagert und transportiert werden. Ein Ausschluss von Luft zum Verhindern eines Aushärtens ist dann nicht erforderlich. Vor der Anwendung können die Pellets bzw. das Granulat in Wasser gelöst werden.
Anschließend können Fasern und/oder andere Stoffe, beispielsweise Sand und/oder Kies hinzugegeben werden. Auch Zement kann hinzugegeben werden, ist aber nicht erforderlich. Anstelle von Kies oder zusätzlich zu Kies kann auch Bims hinzugegeben werden.
Zusammensetzungen bevorzugter Verbundwerkstoffe sind beispielsweise die Folgenden (die Angaben beziehen sich jeweils auf die Masse der Komponenten, z.B. Gramm oder Kilogramm): Sand 150 bis 200, insbesondere 180
Kies 500 bis 550, insbesondere 515 bis 520
Fasern 12 bis 16, insbesondere 14 bis 15
Wasserglas 50
Harz 10
Wasser 50
Hierbei ist das Harz beispielsweise Kiefernharz mit einem Zusatz von 2% Ethanol.
Ein alternativer Verbundwerkstoff kann wie folgt zusammengesetzt sein (Angaben wiederum in Masse, z.B. Gramm oder Kilogramm):
Sand 300 bis 350, insbesondere 330
Bims 35 bis 40, insbesondere 35,5
Fasern 4 bis 5, insbesondere 4,4
Biomasse 27 bis 31 , insbesondere 29,5
Wasserglas 50
Harz 10
Wasser 50
Auch hierbei ist das Harz vorzugsweise ein Kiefernharz mit einem Zusatz von 2% Ethanol. Die Biomasse ist vorzugsweise von Grasfasern gebildet.
Beim Aushärten der Mischung aus Harz und Wasserglas bilden sich Bläschen, die zu einer verbesserten Wärmeisolationsfähigkeit des Verbundwerkstoffs führen, also den Wärmedurchgangswert von Bauteilen aus dem Verbundwerkstoff senken.
Die Fasern, insbesondere Naturfasern, in dem Verbundwerkstoff wirken einer Rissbildung entgegen. Auch besteht bei dem Verbundwerkstoff nicht die Gefahr einer Kaliaggregatreaktion, wie sie bei herkömmlichen Beton auftreten kann (Betonkrebs). Für die Verarbeitung des Verbundwerkstoffs beispielsweise beim Gebäudebau mittels 3D- Druck kann die Viskosität und auch die Aushärtezeit des Verbundwerkstoffs durch den Wasseranteil günstig eingestellt werden - also durch die Menge an Wasser, die der Mischung zugegeben wird. Mehr Wasser führt zu einer höheren Viskosität und zu einer längeren Aushärtezeit. Dass die Viskosität des Werkstoffs einstellbar ist hat den Vorteil, dass der Werkstoff durch entsprechendes Mischen auf beispielsweise die Fördereigenschaften von Pumpen, die den Werkstoff beispielsweise beim 3D-Druck fördern, eingestellt werden kann. Die Aushärtezeiten bleiben dabei so günstig, dass ein Bauen ohne Verschalung - und damit ein 3D-Druck - möglich ist.
Die mineralischen Bestandteile des Verbundwerkstoffs sind vorzugsweise von Sand, Kies und/oder Bims gebildet. Besonders geeignete Zuschlagsstoffe sind aber auch Sylvin oder Carnallit.
Die Erfindung soll nun anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen in Bezug auf die Figuren näher beschrieben werden. Von den Figuren zeigt:
Fig. 1 : ein schematisch dargestelltes Ablaufdiagram eines Verfahrens zum Herstellen eines Verbundwerkstoffes; Fig. 2: ein schematisch dargestelltes Ablaufdiagram eines Verfahrens zum Herstellen eines Faser-Harz-Verbundsystems; und
Fig. 3: ein schematisch dargestelltes Ablaufdiagram aufeinander folgender Verfahrensabschnitte I., II. und III. mit den jeweiligen Schritten des Verfahrens
In Figur 1 ist ein schematisch dargestelltes Ablaufdiagram eines Verfahrens zum Herstellen eines Verbundwerkstoffes gezeigt. Der Verbundwerkstoff ist wenigstens von Zement, Schaumglasschotter und einem Faser-Harz-Verbundsystem gebildet. In einem ersten Verfahrensschritt S1 wird ein Faser-Harz-Verbundsystem hergestellt, indem x*0,5 kg pflanzliche Fasern mit x*2,5 Liter Harz beschichtet werden. Ein Beschichten der Fasern wird beispielsweise durch Tauchen der Fasern in das Harz durchgeführt. In einem weiteren Ver- fahrensschritt S2 werden die mit Harz beschichteten Fasern mit x*2 Liter Wasserglas vermischt oder mit Wasserglas besprüht, um das Faser-Harz-Verbundsystem zu bilden. Anschließend S3 wird das Faser-Harz-Verbundsystems mit x*10 Liter Wasser, x*25 kg Zement und x*70 Liter Schaumglasschotter vermischt, wobei x eine rationale Zahl größer Null ist. In Figur 2 ist ein schematisch dargestelltes Ablaufdiagram eines Verfahrens zum Herstellen eines Faser-Harz-Verbundsystems gezeigt. In dem Verfahren werden zunächst x*0,5 kg pflanzliche Fasern mit x*2,5 Liter Harz vermischt (Schritt s1), beispielweise durch Eintauchen der Fasern in das Harz. Anschließend werden die beschichteten Fasern mit x*2 Liter Wasserglas vermischt oder besprüht (Schritt s2), wobei x eine rationale Zahl größer Null ist.
Ein Verfahren, dessen Schritte zu unterschiedlichen Zeiten und an unterschiedlichen Ort durchgeführt werden können, ist in Figur 3 schematisch dargestellt und umfasst beispielsweise
I.
Herstellen von Wasserglas aus Kaliumcarbonat und Quarzsand, indem Kaliumcarbonat und Quarzsand mit Wasser gemischt und bei einer Temperatur zwischen 80°C und 100°C und einem Druck zwischen 1 ,5 bar und 5 bar unter Einwirkung von Ultraschall geschmolzen werden (1), - Mischen des Wasserglases mit Harz, vorzugsweise im Verhältnis bis 10 zu 1 (2),
Homogenisieren der Mischung im flüssigen Zustand (3),
Trocknen der Mischung aus Wasserglases und Harz (4),
Verarbeiten der getrockneten Mischung aus Wasserglases und Harz zu Granulat oder Pellets (5), II.
Lagern und/oder Transportieren des Granulats bzw. der Pellets (6),
Figure imgf000022_0001
Auflösen des Granulats bzw. der Pellets in Wasser (7), Mischen der nunmehr wieder flüssigen Mischung aus Wasserglases und Harz mit weiteren Zuschlagstoffe, insbesondere Fasern und/oder mineralischen Zuschlagstoffen (8),
In-Form-Bringen der Mischung aus Wasserglases und Harz und Fasern und/oder mineralischen Zuschlagstoffen (9), und
Aushärten-Lassen der Mischung aus Wasserglases und Harz und Fasern und/oder mineralischen Zuschlagstoffen (10).
Das Herstellen des Wasserglases als eine Komponente für einen Verbundwerkstoff stellt einen eigenständigen Erfindungsgedanken dar. Ein Gemisch aus Wasserglas und Harz und das Herstellen desselben stellen einen weiteren eigenständigen Erfindungsgedanken dar.
Die diesbezüglichen Verfahrensschritte (1) bis (5) können an einem Ort erfolgen und die Verfahrensschritte (6) bis (10) davon unabhängig an einem anderen Ort. Von den Verfahrensschritten (1) bis (5) kann das Herstellen des Wasserglases (Verfahrensschritt (1)) auch ganz unabhängig von den übrigen Verfahrensschritten erfolgen, da Wasserglas auch anderweitig als zum Herstellen der hier vorgestellten Verbundwerkstoffe verwendet werden kann. Als Wasserglas kann anstelle von Kaliwasserglas auch Natronwasserglas oder Lithiumwasserglas hergestellt und verwendet werden. Zum Herstellen von Natronwasserglas oder Lithiumwasserglas wird anstelle von Kaliumcarbonat dementsprechend Natri- umcarbonat bzw. Lithiumcarbonat verwendet.
Die homogenisierte Mischung aus Wasserglas und Harz härtet unter Sauerstoffeinfluss aus und kann deshalb eine bindende Komponente eines Verbundwerkstoffs bilden und z.B. Zement ganz oder teilweise ersetzen.
Um die homogenisierte Mischung aus Wasserglas und Harz transportfähig zu machen, so dass sie zum Beispiel am Ort des Herstellens eines Verbundwerkstoffs mit weiteren Zuschlagstoffen gemischt werden kann, kann ihr gelartiger Aggregatszustand unter Stickstoffzufuhr gelartig beibehalten werden, um das GeoGel (homogenisierte Mischung aus Wasserglas) lager- und transportfähig zu machen. Alternativ kann die homogenisierte Mischung aus Wasserglas auch getrocknet werden. Die getrocknete Mischung aus Wasserglases und Harz kann dann zu Granulat oder Pellets verarbeitet werden. Pellets oder Granulat können leicht gelagert und/oder transportiert werden. Am Einsatzort kann das Granulat oder können die Pellets in Wasser dann wieder aufgelöst werden, um wieder eine gelartige Mischung aus Wasserglas und Harz zu gewinnen, die anschließend wie zuvor erwähnt mit weiteren Zuschlagstoffen zum Bilden eines Verbundwerkstoffs gemischt werden kann.
Die noch nicht ausgehärte Mischung aus den Zuschlagstoffen und der Mischung aus Was- serglas und Harz kann schließlich in die gewünschte Form gebracht und aushärten gelassen werden.
Das In-Form-Bringen der Mischung aus Wasserglases und Harz und Fasern und/oder mineralischen Zuschlagstoffen kann insbesondere im 3D-Druckverfahren erfolgen. Auf diese Weise können beispielsweise Gebäude oder andere Bauwerke im 3 D- Druckverfahren her- gestellt werden.
Für ein 3 D- Druckverfahren kann die Viskosität des Verbundwerkstoffs durch den Anteil an Wasser und der gelartigen Mischung aus Wasserglas und Harz entsprechend eingestellt werden.
Ein erfindungsgemäßer Verbundwerkstoff hat die folgende Zusammensetzung mit den folgenden Eigenschaften (die Angaben beziehen sich jeweils auf 1m3 des Verbundwerkstoffs):
Figure imgf000025_0001
* Grasfaser ** Harz aus Kiefernharz + 2% Ethanol
Figure imgf000025_0002
* Grasfaser ** Harz aus Kiefernharz + 2% Ethanol
PENRT: eingesetzte nicht-erneuerbare Primärenergie (Primärenergie nicht-erneuer- bar)
GWP: Treibhauspotential (Global Warming Potential, GWP) Masse Werkstoff bezogen auf äquivalente Masse C02
RI abio: abiotische Ressourcen (nicht nachwachsend) Lösungen für den Aspekt des Schaffens eines Verbundwerkstoffs, der Verwendung dieses Verbundwerkstoffs und des Verfahrens zum Herstellen dieses Verbundwerkstoffs gestalten sich wie folgt:
1. Verbundwerkstoff, welcher wenigstens von einem Faser-Harz-Verbundsystem, Ze- ment und Schaumglasschotter gebildet und hergestellt ist, indem zunächst pflanzliche Fasern mit Harz und anschließend mit Wasserglas vermischt wurden, um so das Faser-Harz-Verbundsystem zu bilden, und indem das Faser-Harz-Verbundsystem anschließend mit Wasser und Zement sowie optional weiteren Zuschlagstoffen vermischt wurden. 2. Verbundwerkstoff nach 1 , der hergestellt ist, indem zunächst x*5 kg pflanzliche Fasern mit y*2,5 Liter Harz und anschließend mit z*2 Liter Wasserglas vermischt wurden, um so das Faser-Harz-Verbundsys- tem zu bilden, wobei x, y und z rationale Zahlen größer Null sind und x, y und z vorzugsweise den gleichen Betrag haben, aber zumindest nicht mehr als +/- 30%, vorzugsweise um nicht mehr als +/- 10% vom Mittelwert der drei Zahlen abweichen und indem das Faser-Harz-Verbundsystem anschließend mit a*10 Liter Wasser, b*25 kg Zement und c*70 Liter Schaumglasschotter vermischt wurden, wobei a, b und c rationale Zahlen größer Null sind und a, b und c vorzugsweise den gleichen Betrag haben, aber zumindest nicht mehr als +/- 30%, vorzugsweise um nicht mehr als +/- 10% vom Mittelwert der drei Zahlen abweichen.
3. Verbundwerkstoff nach 1 oder 2, wobei das Harz ein Naturharz ist.
4. Verbundwerkstoff nach einem der Punkte 1 bis 3, wobei ein Zuschlagstoff Schaumglasschotter ist, der eine Körnung hat, die zwischen 1 mm und 40 mm beträgt. 5. Verfahren zum Herstellen eines Verbundwerkstoffs, wobei der Verbundwerkstoff wenigstens von Zement und einem Faser-Harz-Verbundsystem gebildet ist und das Verfahren die Schritte aufweist: Herstellen des Faser-Harz-Verbundsystems indem zunächst pflanzliche Fasern mit Harz und anschließend mit Wasserglas vermischt werden, und
Vermischen des Faser-Harz-Verbundsystems mit Wasser und Zement sowie optional einem oder mehreren weiteren Zuschlagstoffen. 6. Verfahren nach 5, das die Schritte aufweist:
Herstellen des Faser-Harz-Verbundsystems indem x*5 kg pflanzliche Fasern mit y*2,5 Liter Harz und anschließend mit z*2 Liter Wasserglas vermischt werden, wobei x, y und z rationale Zahlen größer Null sind und x, y und z vorzugsweise den gleichen Betrag haben, aber zumindest nicht mehr als +/- 30%, vorzugsweise um nicht mehr als +/- 10% vom Mittelwert der drei Zahlen abweichen, und
Vermischen des Faser-Harz-Verbundsystems mit a*10 Liter Wasser, b*25 kg Zement und c*70 Liter Schaumglasschotter, wobei a, b und c rationale Zahlen größer Null sind und a, b und c vorzugsweise den gleichen Betrag haben, aber zumindest nicht mehr als +/- 30%, vorzugsweise um nicht mehr als +/- 10% vom Mittelwert der drei Zahlen abweichen.
7. Verfahren nach 5 oder 6, das den Schritt aufweist:
Trocknen des hergestellten Verbundwerkstoffs in einer Schalung.
8. Verwenden eines Verbundwerkstoffes gemäß wenigstens einem der Punkte 1 bis 4 in einem additiven Fertigungsverfahren.
9. Verwenden eines Verbundwerkstoffes nach 8, wobei mit dem additiven Fertigungsverfahren ein Bauwerk oder ein Bauwerkteil hergestellt werden.
10. Verwenden eines Verbundwerkstoffes gemäß wenigstens einem der Punkte 1 bis 4 als Dämm-Estrich, Trittschall-Estrich, Fundament, Bodenplatte, Außenwand, Innen- wand, Geschoßdecke, Dach, Brücke, Pflastersteine oder Straße. Bauwerk oder Teil eines Bauwerks, welches wenigstens teilweise von einem Verbundwerkstoff gemäß wenigstens einem der vorstehenden Punkte 1 bis 4 gebildet ist. Naturwerkstoff, der von Harz und Wasserglas gebildet ist und hergestellt wurde in- dem y*2,5 Liter Harz und z*2 Liter Wasserglas vermischt wurden, wobei y und z rationale Zahlen größer Null sind und y und z vorzugsweise den gleichen Betrag haben, aber zumindest nicht mehr als +/- 30%, vorzugsweise um nicht mehr als +/- 10% vom Mittelwert der beiden Zahlen abweichen. Verfahren zum Herstellen eines Naturwerkstoffes durch Vermischen von y*2,5 Liter Harz und z*2 Liter Wasserglas, wobei y und z rationale Zahlen größer Null sind und y und z vorzugsweise den gleichen Betrag haben, aber zumindest nicht mehr als +/- 30%, vorzugsweise um nicht mehr als +/- 10% vom Mittelwert der beiden Zahlen abweichen. Verfahren nach 13, wobei eine Aushärtungszeit des Naturwerkstoffes beeinflusst wird, indem eine Reaktionsgeschwindigkeit zwischen dem Harz und dem Wasserglas beeinflusst wird. Verfahren nach 13 oder 14, wobei der Naturwerkstoff bei Raumtemperatur eine Viskosität hat, die zwischen 10 und 500 beträgt. Verwenden eines Naturwerkstoffes gemäß 12 zum Beschichten einer Oberfläche, zum Verbinden von wenigstens zwei Oberflächen oder zum Abdichten einer Oberfläche. Verwendung gemäß 16, wobei die zu beschichtende Oberfläche, die abzudichtende Oberfläche oder wenigstens eine der zwei zu verbindenden Oberflächen eine Werkstoffoberfläche, z.B. eine Baustoffoberfläche, eine Kunststoffoberfläche oder eine Naturbaustoffoberfläche ist. Faser-Harz- Verbundsystem, welches von pflanzlichen Fasern, Harz und Wasserglas gebildet ist und hergestellt wurde indem zunächst pflanzliche Fasern mit Harz getränkt und anschließend mit Wasserglas vermischt wurden. Verfahren zum Herstellen eines Faser-Harz- Verbundsystems indem zunächst pflanzliche Fasern mit Harz getränkt und die getränkten Fasern anschließend mit Wasserglas vermischt werden. Verwenden eines Faser-Harz-Verbundsystems, welches von mit Harz getränkten pflanzlichen Fasern und Wasserglas gebildet ist, zum Herstellen eines Verbundwerkstoffes.

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zum Herstellen einer bindenden Komponente für einen Verbundwerkstoff, umfassen die Schritte:
Herstellen von Wasserglas aus Kaliumcarbonat und Quarzsand, indem Kali- umcarbonat und Quarzsand mit Wasser gemischt und bei einer Temperatur zwischen 80°C und 200°C, vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 80°C und 100°C, und einem Druck zwischen 1 ,5 bar und 5 bar geschmolzen werden
Mischen des Wasserglases mit Harz, und - Homogenisieren der Mischung im flüssigen Zustand.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem Wasserglas und Harz in einem Verhältnis zwischen 2 zu 1 und 10 zu 1 gemischt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, weiter umfassen ein Trocknen der Mischung aus Wasserglases und Harz und vorzugsweise ein Verarbeiten der getrockneten Mi- schung aus Wasserglases und Harz zu Granulat oder Pellets.
4. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Herstellen und/oder das Homogenisieren der Mischung aus Wasserglases und Harz unter Einwirkung von Ultraschall erfolgt.
5. Verfahren zum Herstellen eines Verbundwerkstoffs, gekennzeichnet durch ein Mi- sehen einer gelartigen homogenisierten Mischung aus Wasserglases und Harz mit weiteren Zuschlagstoffen, insbesondere Fasern und/oder mineralischen Zuschlagstoffen.
6. Verfahren zum Herstellen eines Bauteils oder Werkstücks aus einem gemäß Anspruch 5 hergestellten Verbundwerkstoff, umfassen die Schritte - In-Form-Bringen der Mischung aus Wasserglases und Harz und Fasern und/oder mineralischen Zuschlagstoffen und Aushärten-Lassen der Mischung aus Wasserglas und Harz und Fasern und/oder mineralischen Zuschlagstoffen.
7. Verfahren zum Herstellen von Wasserglas aus Kaliumcarbonat und Quarzsand, indem Kaliumcarbonat und Quarzsand mit Wasser gemischt und bei einer Temperatur zwischen 80°C und 200°C, vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 80°C und
100°C, und einem Druck zwischen 1 ,5 bar und 5 bar unter Einwirkung von Ultraschall geschmolzen werden.
8. Verfahren zum Herstellen eines Verbundwerkstoffs, wobei der Verbundwerkstoff wenigstens von Zement und einem Faser-Harz-Verbundsystem gebildet ist und das Verfahren die Schritte aufweist:
Herstellen des Faser-Harz-Verbundsystems indem zunächst pflanzliche Fasern mit Harz und anschließend mit Wasserglas vermischt werden, und
Vermischen des Faser-Harz-Verbundsystems mit Wasser und Zement sowie optional einem oder mehreren weiteren Zuschlagstoffen.
9. Verfahren nach Anspruch 8, das die Schritte aufweist:
Herstellen des Faser-Harz-Verbundsystems indem x*5 kg pflanzliche Fasern mit y*2,5 Liter Harz und anschließend mit z*2 Liter Wasserglas vermischt werden, wobei x, y und z rationale Zahlen größer Null sind und x, y und z vorzugsweise den gleichen Betrag haben, aber zumindest nicht mehr als +/- 30%, vorzugsweise um nicht mehr als +/- 10% vom Mittelwert der drei Zahlen abweichen, und
Vermischen des Faser-Harz-Verbundsystems mit a*10 Liter Wasser, b*25 kg Zement und c*70 Liter Schaumglasschotter, wobei a, b und c rationale Zahlen größer Null sind und a, b und c vorzugsweise den gleichen Betrag haben, aber zumindest nicht mehr als +/- 30%, vorzugsweise um nicht mehr als +/- 10% vom Mittelwert der drei Zahlen abweichen.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, das den Schritt aufweist:
Trocknen des hergestellten Verbundwerkstoffs in einer Schalung.
11. Verbundwerkstoff, enthaltend eine Mischung aus Wasserglas und Harz als bindender Komponente sowie mineralischen und/oder aus pflanzlichem Material gewonnenen Zuschlagstoffen, insbesondere Naturfasern.
12. Verbundwerkstoff gemäß Anspruch 11 , enthaltend Zement.
13. Verwenden eines Verbundwerkstoffes gemäß Anspruch 11 oder 12 in einem additiven Fertigungsverfahren.
14. Verwenden eines Verbundwerkstoffes gemäß Anspruch 13, wobei mit dem additiven Fertigungsverfahren ein Bauwerk oder ein Bauwerkteil hergestellt werden.
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