WO2010063284A2 - Verbundwerkstoff, verfahren zur herstellung eines formkörpers und verwendung des verbundwerkstoffs - Google Patents

Verbundwerkstoff, verfahren zur herstellung eines formkörpers und verwendung des verbundwerkstoffs Download PDF

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    • Y02W30/91—Use of waste materials as fillers for mortars or concrete

Definitions

  • the invention relates to a composite material, a method for producing a shaped article and the use of the composite material.
  • the basic principle of currently used high-performance thermal insulation materials is based on the principle of micro, nano and open porous materials.
  • the materials used (fumed silica or aerogels) have in common that exist between individual solid particles only point contacts and the porosity is very fine and open in all directions.
  • the point contacts are responsible for the very low solid heat conduction (even if the material SiO 2 itself has a relatively high heat conduction compared to plastics themselves).
  • the gas line is severely affected by the very fine (open) porosity, which leads to a further reduction of the total heat conduction of the material.
  • a further reduction in the thermal conductivity of these insulation materials can be achieved by eliminating the heat conduction through the gas; this corresponds to the principle of vacuum insulation materials.
  • Disadvantage of this technology is that the gas-tight envelope is very sensitive to damage, must not be processed (cut or pierced) and therefore is not readily suitable for the construction sector.
  • Organic insulating materials based on renewable raw materials such as cellulose are produced from shredded waste paper with the addition of boron salts.
  • the boron salt gives the raw material a fire protection (fire protection class 2: normally inflammable).
  • boric salt acts against mold and pest infestation.
  • Celluloredämmstoff is recyclable and dumpable, but not compostable. The cellulose is blown into the insulation formwork, for example.
  • Celluloredämmstoff has very good insulation properties, is inexpensive, ecologically highly recommended and is particularly well suited for lightweight construction.
  • the insulation boards are very elastic, but not loadable. The water stability is not sufficient, especially for outdoor use.
  • inorganic insulating materials such as foam glass
  • foam glass is virtually vapor-proof and does not absorb moisture. Cut to plates or half-shells, the moisture-resistant material is particularly suitable for walls with contact to the ground, especially outdoors. Here it is the only alternative to the usual plastic insulation panels.
  • the material is pressure-stable, non-flammable and pest-proof. It has a comparatively high thermal conductivity. Due to its brittleness, foam glass can not absorb point loads and must therefore lie flat. In addition, the energy consumption in the production is high and the material partially bonded during processing with bitumen.
  • Highly insulating inorganic-organic based thermal insulation materials are airgel polymer composites, wherein as polymer component e.g. PVB, PU, Polyolefm, epoxy, styrene or melamine resins, polysiloxanes or nonwoven fabrics made of polyester or polyamide can be used. With these materials, however, only a limited fire protection is achieved and the moisture transport through the material is limited.
  • polymer component e.g. PVB, PU, Polyolefm, epoxy, styrene or melamine resins, polysiloxanes or nonwoven fabrics made of polyester or polyamide
  • DE 103 60 749 A1 describes a method for producing a heat-insulating paste, which consists of hollow microspheres (glass, ceramic), fibers (mineral fibers or aramid), binders (polysiloxane) and wetting agents.
  • DE 196 18 444 A1 describes a flame retardant cellulose insulation made of cellulose fibers, fire retardants, fillers and binders.
  • the binders may have inorganic or organic character.
  • DE 196 47 369 A1 describes a composite material based on glass fibers, mineral wool or wood, which is impregnated with a nanocomposite consisting of surface-modified inorganic colloidal particles coated with silanes and hydrolyzed and condensed.
  • DE 197 14 729 A1 describes an insulating material made of fiber material (inorganic, vegetable and animal fibers), which is impregnated with a binder.
  • the binder may e.g. Gypsum, cement, cellulosic or latex-containing, organic or inorganic (e.g., water glass) components.
  • DE 10 2006 062 146 A1 describes a refractory composite material of inorganic particles dispersed in a polymer, oligomer or copolymer. Corresponding functional groups of the particle surfaces and the polymer react with each other to form a solid composite. As additives, e.g. Silanes, siloxanes, flame retardants, etc. are added.
  • DE 10 2007 019 416 A1 describes a method in which a cellulosic material is added to a foaming agent which can crosslink completely or partially to form a duromer (urea, melamine, phenolic resins, etc.). This method is used, for example, for the production of particleboard or fiberboard.
  • a cellulosic material is added to a foaming agent which can crosslink completely or partially to form a duromer (urea, melamine, phenolic resins, etc.). This method is used, for example, for the production of particleboard or fiberboard.
  • the object of the present invention is to provide a novel composite material, which combines the advantages of the above-mentioned individual substance classes. These include:
  • silicate binder 10 to 60 wt .-% silicate binder, wherein the silicate binder from 90-100 wt .-% of a mixture of 40 to 95 wt .-% SiO 2 particles, 5 to 60 wt .-% hydrolyzed tetraethoxysilane (TEOS) and up to 10 wt .-% methyltriethoxysilane (MTEOS) exists and in the composite closed cavities are formed.
  • TEOS tetraethoxysilane
  • MTEOS methyltriethoxysilane
  • the data in% by weight are in each case based on the respective total mass, in this case on the total mass of the composite.
  • the closed cavities may have any shapes, for example, be designed as elongated chambers or as spherical cavities.
  • the composite material can have up to 85 vol.% Voids.
  • the cavities are formed by foaming with a blowing agent or by the incorporation of hollow spheres, in particular of glass or plastic.
  • the foaming can be done by one of the following blowing methods:
  • Propellant gas from a chemical decomposition of a propellant inorganic or organic compounds that decompose under the action of heat and release gaseous fission products such as N2, CO2, NH3, etc.
  • the first fibrous natural product is a cellulose-based natural product, in particular cellulose pulp or nonwoven, paper, recycled paper, cardboard, recycled cardboard, wood or recycled wood.
  • the silicate binder contains an organic silicate binder, preferably a mixture of inorganic silicate compounds.
  • the binders used are preferably prepared
  • the silicate binder contains up to 10% by weight of glycidyl oxypropyl-3-triethoxysilane (GPTS) and / or aminosilane. It is expedient that the silicate binder is water-based and has an alcohol content (eg, ethanol, methanol or isopropanol) of less than 30% by weight, preferably less than 10% by weight and more preferably less than 5% by weight. having.
  • GPTS g., g, ethanol, methanol or isopropanol
  • the composite material contains up to 30% by weight of a second fibrous material other than the first fibrous natural substance, in particular synthetic fibers, other natural fibers, glass fibers or carbon fibers.
  • the fiber length of the second fibrous material is greater than the fiber length of the first fibrous natural product.
  • the composite contains fillers and / or pigments and / or catalysts.
  • the pigments are heat-absorbing pigments, in particular aluminum or copper pigments, or heat-reflecting pigments, in particular carbon black or other black-pigmented layers.
  • cavities are formed in the composite material by foaming with a blowing agent or by the incorporation of hollow spheres, in particular of glass.
  • the cavities form during drying by disintegration of the foaming agent.
  • flame retardants in particular inorganic, halogenated, organic or inorganic phosphorus compounds, nitrogen-based compounds; Metal oxides, metal hydroxides, metal salts, boron or zinc compounds or silicon compounds are included. It is also advantageous that antimicrobial and antifouling agents, biocides, UV absorbers or preservatives, in particular silver, chitosan or boric acid, are included.
  • a method for producing a shaped article from a composite material according to the invention with the following method steps is likewise within the scope of the invention:
  • a Preparation of a mixture containing 20 to 80 wt .-% of a first fibrous natural product and 10 to 60 wt .-% silicate binder, wherein the silicate binder of 90-100 wt .-% of a mixture of 40 to 95 wt .-% SiO 2 particles, 5 to 60 wt .-% hydrolyzed tetraethoxysilane (TEOS) and up to 10 wt .-% methyltriethoxysilane (MTEOS), and up to 10 wt .-%, preferably up to 20 wt .-% and most preferably up to 30% by weight of a second fibrous material other than the first fibrous natural product, b.
  • TEOS tetraethoxysilane
  • MTEOS methyltriethoxysilane
  • Adding a blowing agent, and / or adding hollow spheres to the mixture c. Entry of the mixture in a mold, on a surface or on a circulating belt, d. thermal treatment at temperatures from room temperature to 400 0 C, preferably from room temperature to 250 0 C.
  • the silicate binder contains a mixture of inorganic silicate compounds.
  • step c Pressure is exerted on the registered mixture.
  • the pressure must be high enough to remove excess water or excess residual alcohol forced.
  • the application of the mixture to the mold may be accomplished by spraying, pouring, injection molding, knife coating or other suitable method.
  • thermal treatment by means of IR rays, microwave radiation, induction or conduction takes place.
  • a development of the invention is that the step d. in a vacuum.
  • step d the surface of the composite material is varnished with clear lacquer or colored lacquer or is laminated with paper or plastics.
  • the composite material according to the invention is also the use of the composite material according to the invention as sound insulation, fire or heat insulation, lightweight construction element, plaster, roofing material, wall construction material, facade or floor panels, as wall and ceiling panels, also for wet rooms, for molding shingles, bricks, roof tiles , as a partition, in particular for offices, changing rooms and living containers, for sound and heat insulation of doors, as a vehicle part, in particular as mudguard, hood, underbody paneling, Radlaufschalen, bumpers, dashboard, roof pillar trim, door trim, headliner, Dachaussteifung, parcel shelf, trunk and Engine compartment lining, as engine encapsulation, insulation material for engines, as a cover plate, as a furniture element, in particular for table, cabinet, and chair construction, in industrial plants and for impact sound insulation.
  • tetraethoxysilane TEOS, Dynasilan A, Evonik Degussa
  • TEOS tetraethoxysilane
  • acetic acid 54.84 g
  • 150 g of aqueous cellulose pulp is added to the mixture (solids content 30-60%) and homogenized.
  • sodium bicarbonate Fluka
  • the mass is placed in an open foaming mold for producing a molded part or a plate-shaped or block-shaped mold and heated to about 100 0 C and kept at this temperature for a further 30 min and then cooled to room temperature. After curing of the foamed material, the removal of the thus obtained Dämmstoff- workpiece occurs.
  • the molded part thus obtained is the fire classification flame retardant.
  • Example 2 15 g of silica sol Levasil 200S / 30, Bayer AG are mixed with 10 g of tetraethoxysilane (TEOS, Dynasilan A, Evonik Degussa) and 0.1 g of glycidyl-oxypropyl-3-triethoxysilane (GPTES) and stirred overnight. Thereafter, 20% wood fibers are added to the mixture and homogenized. The mass is then treated with 2% Sika foaming SB 2 (Sika), and offset x-add ® KR 9006 (NANO-X) with 1% cross-linking catalyst. The mixture is foamed by means of a Schaumdosierstrom or a foam gun and brought directly into a mold and heated to 130 0 C. After cooling, the mixture is removed from the mold.
  • TEOS tetraethoxysilane
  • GPTES glycidyl-oxypropyl-3-triethoxysilane
  • the molded body thus obtained shows a very low thermal conductivity and a high mechanical strength.
  • the mass can be added before processing
  • glass bubbles e.g. 3M glassbubbles type Kl or
  • the mixture can be mixed with 50 g of fluoropolymer Unidyne TG-580 (Daikin) directly after addition of the 1% trifluoroacetic acid. Thereafter, the further processing takes place analogously to Example 3.
  • the molded body shows a very good hydrophobicity and oleophobicity.
  • a 0.1 ml water or edible oil drop was dropped onto the surface and allowed to act for 10 min. The drops did not enter the material during this time, but could be completely removed from the surface with a paper towel.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff, ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers und die Verwendung des Verbundwerkstoffs. Um einen neuen Verbundwerkstoff zu schaffen, wird ein Verbundwerkstoff vorgeschlagen, der A. 20 bis 80 Gew.-% eines ersten faserigen Naturstoffs und B. 10 bis 60 Gew.-% silikatisches Bindemittel enthält, wobei das silikatische Bindemittel 90-100 Gew.-% eines Gemisches von 40 bis 95 Gew.-% SiO2-Partikeln und von 5 bis 60 Gew.-% hydrolysiertem Tetraethoxysilan (TEOS) und bis zu 10 Gew.-% Methyltriethoxysilan (MTEOS) enthält und in dem Verbundwerkstoff Hohlräume ausgebildet sind. Es wird auf diese Weise ein Verbundwerkstoff auf organischer Basis geschaffen, der exzellente Dämmeigenschaften aufweist.

Description

BESCHREIBUNG
■/,nr liemelmfϊg emes 1-
Verwendung des Verbundwerkstoffs
Die Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff, ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers und die Verwendung des Verbundwerkstoffs.
Das Grundprinzip zurzeit verwendeter Hochleistungswärmedämmstoffe beruht auf dem Prinzip mikro, nano- und offenporöser Materialien. Die verwendeten Materialen (pyrogene Kieselsäure oder Aerogele) haben gemeinsam, dass zwischen einzelnen Feststoffteilchen nur Punktkontakte bestehen und die Porosität sehr fein und in alle Richtungen offen ist. Die Punktkontakte sind für die sehr niedrige Feststoff- Wärmeleitung verantwortlich (auch wenn der Werkstoff SiO2 im Vergleich zu Kunststoffen selbst eine relativ hohe Wärmeleitung hat). Zusätzlich wird die Gasleitung durch die sehr feine (offene) Porosität stark beeinträchtigt, was zu einer weiteren Verringerung der Gesamtwärmeleitung des Materials führt. Eine weitere Verringerung der Wärmeleitfähigkeit dieser Dämmstoffe ist durch die Ausschaltung der Wärmeleitung über das Gas zu erzielen; dies entspricht dem Prinzip der Vakuumdämmstoffe. Nachteil dieser Technologie ist, dass die gasdichte Umhüllung sehr empfindlich gegenüber Beschädigungen ist, nicht bearbeitet (geschnitten oder durchbohrt) werden darf und deshalb nicht ohne weiteres für den Baubereich geeignet ist.
Organische Dämmstoffe auf der Basis von nachwachsenden Rohstoffen wie Zellulose werden aus zerfasertem Altpapier unter Zugabe von Borsalzen hergestellt. Durch das Borsalz erhält das Rohmaterial einen Brandschutz (Brandschutzklasse 2: normal entflammbar). Gleichzeitig wirkt Borsalz gegen Schimmel und Schädlingsbefall. Zellulosedämmstoff ist wiederverwertbar und deponierfähig, allerdings nicht kompostierbar. Die Zellulose wird z.B. in die Dämmschalung eingeblasen. Zellulosedämmstoff hat sehr gute Dämmeigenschaften, ist preiswert, ökologisch sehr empfehlenswert und eignet sich besonders gut für den Leichtbau. Die Dämmplatten sind sehr elastisch, jedoch nicht belastbar. Die Wasserstabilität ist insbesondere für den Außenbereich nicht ausreichend. Rein anorganische Dämmstoffe, wie z.B. Schaumglas, werden unter relativ hohem Energieaufwand aus einer Glasschmelze hergestellt, zu der auch Altglas verwendet werden kann. Unter Zugabe von Kohlenstoff entsteht Gas, das die Schmelze zum Schäumen bringt. Schaumglas ist praktisch dampfdicht und nimmt keine Feuchtigkeit auf. Zu Platten oder Halbschalen zugeschnitten eignet sich das feuchtebeständige Material besonders im Außenbereich für Wände mit Kontakt zum Erdreich. Hier ist es die einzige Alternative zu den sonst üblichen Kunststoffdämmplatten. Das Material ist druckstabil, unbrennbar und schädlingssicher. Es hat eine vergleichsweise hohe Wärmeleitfähigkeit. Aufgrund seiner Sprödigkeit kann Schaumglas keine Punktlasten aufnehmen und muß deshalb plan aufliegen. Zudem ist der Energieaufwand bei der Herstellung hoch und das Material verklebt teilweise bei der Verarbeitung mit Bitumen.
Hochisolierende Wärmedämmstoffe auf anorganisch-organischer Basis sind Aerogel- Polymerkomposite, wobei als Polymerbestandteil z.B. PVB-, PU-, Polyolefm-, Epoxid-, Styrol- oder Melaminharze, Polysiloxane oder Faservliese aus Polyester oder Polyamid verwendet werden. Mit diesen Materialien wird jedoch auch nur ein eingeschränkter Brandschutz erreicht und der Feuchtigkeitstransport durch das Material ist eingeschränkt.
Die DE 103 60 749 Al beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Wärmedämmpaste, die aus Mikrohohlkugeln (Glas, Keramik), Fasern (mineralische Fasern oder Aramid), Bindemittel (Polysiloxan) und Netzmitteln besteht.
Die DE 195 16 186 Al beschreibt ein Dämmmaterial aus Naturprodukten (Gemische z.B. aus Zellulose, Papier, Jute,...) und flammhemmenden Verbindungen wie z.B. Boraxverbindungen, Borsäure oder Aluminiumsulfat.
Die DE 196 18 444 Al beschreibt einen schwer entflammbaren Zellulosedämmstoff aus Zellulosefasern, Brandschutzmitteln, Füllstoffen und Bindemitteln. Die Bindemittel können anorganischen oder organischen Charakter haben.
Die DE 196 47 369 Al beschreibt einen Verbundwerkstoff auf der Basis von Glasfasern, Mineralwolle oder Holz, welcher getränkt wird mit einen Nanokomposit bestehend aus oberflächenmodifizierten anorganischen, kolloidalen Partikeln, die mit Silanen belegt sind und hydrolysiert und kondensiert werden.
Die DE 197 14 729 Al beschreibt einen Dämmstoff aus Fasermaterial (anorganische, pflanzliche und tierische Fasern), das mit einem Bindemittel getränkt wird. Das Bindemittel kann z.B. Gips, Zement, Zellulose- oder latexhaltige, organische oder anorganische (z.B. Wasserglas) Komponenten enthalten.
Die DE 10 2006 062 146 Al beschreibt ein feuerfestes Verbundmaterial aus anorganischen Partikeln, die in einem Polymer, Oligomer oder Copolymer dispergiert sind. Korrespondierende funktionelle Gruppen der Partikeloberflächen und des Polymers reagieren miteinander zu einem festen Verbund. Als Additive können z.B. Silane, Siloxane, Flammschutzmittel, etc. zugesetzt werden.
Die DE 10 2007 019 416 Al beschreibt ein Verfahren, bei dem einem zellulosehaltigen Material ein Schaumbildner, der vollständig oder teilweise zu einem Duromer vernetzen kann (Harnstoff, Melamin, Phenolharze,..) zugesetzt wird. Verwendet wird dieses Verfahren beispielsweise für die Herstellung von Span- oder Faserplatten.
Die DE 20 2005 021 201 Al beschreibt einen Verbundwerkstoff für den Brandschutz, der hydrophobe Aerogelpartikel, anorganische Bindemittel (Zement, Gips, Lehm, Wasserglas,...) und ein Dispergiermittel (anorganisch) enthält.
Ausgehend vom Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen neuen Verbundwerkstoff zu schaffen, welcher die Vorteile der obengenannten einzelnen Stoffklassen kombiniert. Dazu zählen:
• hoher Wärmeschutz
• hohe Wärmespeicherfähigkeit
• geringes Wasseraufnahmevermögen bzw. Resistenz gegenüber Umwelteinflüssen (Chemikalien, Bakterienbefall, UV-Licht)
• Antimoos-, Antialgen- und antibakterielle Eigenschaften
• frei von Schwermetallen
• gute Schalldämmung • schwere Entflammbarkeit, keine Brennbarkeit (Brandklasse Al, A2 nicht brennbar)
• keine Schadstofffreisetzung im Brandfall
• biologische Abbaubarkeit, Kompostierbarkeit, Recyclingfähigkeit oder Deponierbarkeit (gefahrlose Entsorgung)
• gewisse Elastizität
• Herstellung aus nachwachsenden Rohstoffen oder Recyclingstoffen
• gezielte Wärmeführung durch kontrollierte Wärmeauf- und Abgabe
• Formstabilität bzw. mechanische Festigkeit
• keine Verarbeitung von schädlichen Fasern und Stäuben
• gute Verarbeitungsfähigkeit als Plattenware bzw. beliebig geformte Teile
• Schaffung einer mikro- oder nanoporigen Struktur.
Diese Aufgabe wird durch einen Verbundwerkstoff gelöst, wobei der Verbundwerkstoff
A. 20 bis 80 Gew.-% eines ersten faserigen Naturstoffs und
B, 10 bis 60 Gew.-% silikatisches Bindemittel enthält, , wobei das silikatische Bindemittel aus 90-100 Gew.-% eines Gemisches von 40 bis 95 Gew.-% Siθ2-Partikeln, 5 bis 60 Gew.-% hydrolysiertem Tetraethoxysilan (TEOS) und bis zu 10 Gew.-% Methyltriethoxysilan (MTEOS) besteht und in dem Verbundwerkstoff geschlossene Hohlräume ausgebildet sind.
In der gesamten vorliegenden Anmeldung sind die Angaben in Gew.-% jeweils bezogen auf die jeweilige Gesamtmasse, hier also auf die Gesamtmasse des Verbundstoffs.
Es wird auf diese Weise ein Verbundwerkstoff auf organischer Basis geschaffen, der die oben genannten Anforderungen erfüllt und insbesondere aufgrund der geschlossenen Hohlräume exzellente Dämmeigenschaften aufweist. Die geschlossenen Hohlräume können beliebige Formen aufweisen, beispielsweise als längliche Kammern oder als kugelförmige Hohlräume ausgebildet sein.
Es hat sich im Rahmen der Erfindung herausgestellt, daß Hohlräume mit einer Länge bzw. einem Durchmesser von 2 bis 100 nm sowohl in Hinblick auf die Schalldämmung als auch in Hinblick auf die Wärmedämmung besonders vorteilhaft sind. Der Verbundwerkstoff kann bis zu 85 Vol.-% Hohlräume aufweisen.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass die Hohlräume durch ein Aufschäumen mit einem Treibmittel oder durch den Einbau von Hohlkugeln, insbesondere aus Glas oder aus Kunststoff, ausgebildet sind.
Das Aufschäumen kann durch eine der folgenden Treibmethoden erfolgen:
• Treibgas aus einer chemischen Reaktion von Reaktionspartnern
• Treibgas aus einer chemischen Zersetzung eines Treibmittels (anorganische oder organische Verbindung, die sich unter Wärmeeinwirkung zersetzen und gasförmige Spaltprodukte wie N2, CO2, NH3, etc. freisetzen
• Einmischen von Treibmitteln in die Masse (physikalische Treibmittel, wie Gase oder niedrig siedende Flüssigkeiten, die in der Masse homogen verteilt bzw. gelöst werden und durch ihren Dampfdruck bei der Druckentspannung das Aufschäumen bewirken).
In diesem Zusammenhang ist vorgesehen, dass der erste faserige Naturstoff ein Naturstoff auf Zellulosebasis, insbesondere Zellulosepulp oder -vlies, Papier, recyceltes Papier, Pappe, recycelte Pappe, Holz oder recyceltes Holz ist.
Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das silikatische Bindemittel ein organisches silikatisches Bindemittel, vorzugsweise ein Gemisch anorganischer Silikatverbindungen, enthält.
Die verwendeten Bindemittel werden vorzugsweise hergestellt
• auf Basis des Sol-Gel-Prozesses („Sol-Gel-Science" The Physics and Chemistry of Sol-Gel Processing, C. Brinker - Georg W. Scherer),
• über das Fällung-Emulsions-Verfahren (WO 2002/050191 Al),
• aus Silikonharzen mit geringem organischem Anteil,
• auf der Basis von MTEOS (EP 1 484 372 Al)
• auf der Basis von TEOS bzw. TEOS/MTEOS-Gemischen und SiO2-Partikeln.
Zur Erfindung gehörig ist auch, dass das silikatische Bindemittel bis zu 10 Gew.-% Glycidyl- oxypropyl-3-triethoxysilan (GPTS) und/oder Aminosilan enthält. Es ist zweckmäßig, dass das silikatische Bindemittel wasserbasiert ist und einen Alkoholgehalt (z.B. Ethanol, Methanol oder Isopropanol) von weniger als 30 Gew.-%, bevorzugt von weniger als 10 Gew.-% und besonders bevorzugt von weniger als 5 Gew.-% aufweist.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Verbundwerkstoff bis zu 30 Gew.-% eines von dem ersten faserigen Naturstoff verschiedenen zweiten faserigen Materials, insbesondere Kunstfasern, andere Naturfasern, Glasfasern oder Carbonfasern enthält.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass die Faserlänge des zweiten faserigen Materials größer ist als die Faserlänge des ersten faserigen Naturstoffs.
Es ist ebenfalls zweckmäßig, dass der Verbundwerkstoff Füllstoffe und/oder Pigmente und/oder Katalysatoren enthält.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass die Pigmente wärmeabsorbierende Pigmente, insbesondere Aluminium- oder Kupferpigmente, oder wärmereflektierende Pigmente, insbesondere Ruß oder andere schwarz pigmentierte Schichten sind.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in dem Verbundwerkstoff durch ein Aufschäumen mit einem Treibmittel oder durch den Einbau von Hohlkugeln, insbesondere aus Glas, Hohlräume ausgebildet sind.
Bei Verwendung eines Schaumbildners bilden sich die Hohlräume bei der Trocknung durch Zerfall des Schaumbildners aus.
Ebenfalls ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass Flammschutzmittel, insbesondere anorganische, halogenierte, organische oder anorganische Phosphorverbindungen, stickstoffbasierte Verbindungen; Metalloxide, Metallhydroxide, Metallsalze, Bor- oder Zinkverbindungen oder Siliziumverbindungen, enthalten sind. Es ist auch vorteilhaft, dass antimikrobielle und Antifouling-Wirkstoffe, Biozide, UV- Absorber oder Konservierungsstoffe, insbesondere Silber, Chitosan oder Borsäure, enthalten sind.
Ein Verfahren zum Herstellen eines Formkörpers aus einem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff mit den folgenden Verfahrensschritten liegt ebenfalls im Rahmen der Erfindung:
a. Herstellen einer Mischung, enthaltend 20 bis 80 Gew.-% eines ersten faserigen Naturstoffs und 10 bis 60 Gew.-% silikatisches Bindemittel, wobei das silikatische Bindemittel aus 90-100 Gew.-% eines Gemisches von 40 bis 95 Gew.-% Siθ2-Partikeln, 5 bis 60 Gew.-% hydrolysiertem Tetraethoxysilan (TEOS) und bis zu 10 Gew.-% Methyltriethoxysilan (MTEOS) besteht, sowie bis zu 10 Gew.-%, vorzugsweise bis zu 20 Gew.-% und höchst vorzugsweise bis zu 30 Gew.-%, eines von dem ersten faserigen Naturstoff verschiedenen zweiten faserigen Materials, b. Zugabe eines Treibmittels, und/oder Zugabe von Hohlkugeln zu der Mischung, c. Eintrag der Mischung in eine Form, auf eine Oberfläche oder auf ein umlaufendes Band, d. thermische Behandlung bei Temperaturen von Raumtemperatur bis 4000C, bevorzugt von Raumtemperatur bis 2500C.
In diesem Zusammenhang ist vorgesehen, dass das silikatische Bindemittel ein Gemisch anorganischer Silikatverbindungen enthält.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass nach Schritt c. Druck auf die eingetragene Mischung ausgeübt wird. Der Druck muß ausreichend groß sein, um überschüssiges Wasser bzw. überschüssigen Restalkohol forciert zu entfernen.
Der Auftrag der Mischung in die Form kann durch Spritzen, Gießen, Spritzgießen, Rakeln oder über andere geeignete Verfahren erfolgen.
Weiterhin ist zur Erfindung gehörig, dass die thermische Behandlung mittels IR-Strahlen, Mikrowellenstrahlung, Induktion oder Konduktion erfolgt. Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass der Schritt d. im Vakuum erfolgt.
Es ist zweckmäßig, dass nach Schritt d. die Oberfläche des Verbundwerkstoffes mit Klarlack oder Farblack lackiert wird oder mit Papier oder Kunststoffen überlaminiert wird.
Im Rahmen der Erfindung liegt auch Verwendung des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs als Schallschutz-, Brandschutz- oder Wärmedämmstoff, Leichtbauelement, Putz, Dachbedeckungsmaterial, Wandbaumaterial, Fassaden- oder Bodenplatten, als Wand- und Deckenverkleidungen, auch für Feuchträume, zum Abformen von Schindeln, Ziegeln, Dachplatten, als Trennwand, insbesondere für Büros, Umkleidekabinen und Wohncontainer, zur Schall- und Wärmedämmung von Türen, als Fahrzeugteil, insbesondere als Kotflügel, Motorhaube, Unterbodenverkleidung, Radlaufschalen, Stoßfänger, Armaturenträger, Dachsäulenverkleidung, Türinnenverkleidung, Dachhimmel, Dachaussteifung, Hutablage, Kofferraum- und Motorraumauskleidung, als Motorkapselung, Dämmstoff für Motoren, als Abdeckplatte, als Möbelelement, insbesondere zum Tisch-, Schrank-, und Stuhlbau, in Industrieanlagen sowie zur Trittschalldämmung.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Beispiel 1 :
97,59 g Tetraethoxysilan (TEOS, Dynasilan A, Evonik Degussa) werden mit 54,84 g 5%iger Essigsäure versetzt und 2 h bei Raumtemperatur gerührt. Danach wird dem Gemisch 150 g wässriger Zellulose-Pulp zugegeben (Feststoffgehalt 30-60%) und homogenisiert. Zu dem Gemisch werden 1% Natriumhydrogencarbonat (Fluka) zugegeben. Danach wird die Masse in ein offenes Schäumwerkzeug zur Herstellung eines Formteiles oder einer plattenförmigen bzw. blockförmigen Form gegeben und auf ca. 1000C erhitzt und weitere 30 min bei dieser Temperatur gehalten und danach auf Raumtemperatur abkühlt. Nach dem Aushärten des geschäumten Materials erfolgt die Entformung des so erhaltenen Dämmstoff- Werkstückes. Das so erhaltene Formteil ist der der Brandeinstufung schwer entflammbar.
Beispiel 2: 15 g Kieselsol Levasil 200S/30, Bayer AG werden mit 10 g Tetraethoxysilan (TEOS, Dynasilan A, Evonik Degussa) und 0,1 g Glycidyl-oxypropyl-3-triethoxysilan (GPTES) versetzt und über Nacht gerührt. Danach werden dem Gemisch 20 % Holzfasern zugemischt und homogenisiert. Die Masse wird dann mit 2% Sika Schaumbildner SB 2 (Sika) und mit 1% Vernetzungskatalysator x-add® KR 9006 (NANO-X) versetzt. Das Gemisch wird mittels einer Schaumdosieranlage bzw. einer Schaumpistole geschäumt und direkt in eine Form gebracht und auf 1300C erwärmt. Nach dem Abkühlen wird das Gemisch aus der Form entfernt.
Der so erhaltene Formkörper zeigt eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit und eine hohe mechanische Festigkeit.
Zur Wärmeregulierung des Formkörpers können der Masse vor der Verarbeitung zusätzlich
• 2-10 Gew.-% Glashohlkugeln, z.B. 3M Glasbubbles Typ Kl oder
• 5 Gew.-% Spezialschwarz 100 (Evonik Degussa) oder
• 10 Gew.-% Aluminum-Pigmentpaste STAPA Hydroxal W/WH 24 n.l. (Eckart GmbH & Co. KG), jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Formkörpers, zugesetzt werden.
Beispiel 3 :
200 g Tetraethoxysilan (Evonik) werden mit 25 g Phenyltrimethoxysilan (Dynasylan 9165, Evonik Degussa) versetzt und homogenisiert. Danach wird dem Gemisch unter starkem Rühren 1,7 g l%ige wäßrige Trifluoressigsäure (Sigma Aldrich) zugesetzt. Nach ca. 3 min wird das Gemisch direkt mit 408,12 g eines wäßrig aufgeschlämmten Gemischs aus Altpapier (ca. 50% Feststoffanteil) versetzt. Danach werden dem Gemisch 2% Nanogel OGD 201 (Cabot International GmbH) zugegeben. Zur Schäumung werden 5% Aluminiumpulver ST APA® HYDROPOR, Eckart GmbH & Co. KG) eingerührt. Danach wird das Gemisch in eine Form gegeben und kurzzeitig auf 1500C erwärmt. Nach Abkühlung über Nacht wird entformt. Der so erhaltene Dämmstoff zeigt teilweise bzw. vollständige Schallabsorption im Bereich von 20-16000 Hz.
Zur Hydropho- und Oleophobierung der Masse laut Beispiel 3 kann das Gemisch direkt nach Zugabe der l%igen Trifluoressigsäure mit 50 g Fluorpolymer Unidyne TG-580 (Daikin) versetzt werden. Danach erfolgt die Weiterverarbeitung analog Beispiel 3.
Der Formkörper zeigt eine sehr gute Hydrophobie und Oleophobie. Für den Test wurde ein 0,1 ml Wasser- bzw. Speiseöl-Tropfen auf die Oberfläche aufgetropft und 10 min einwirken lassen. Die Tropfen sind in diesem Zeitraum nicht in das Material eingetreten, sondern konnten komplett von der Oberfläche mit einem Papiertuch entfernt werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1 Verbundwerkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff
A. 20 bis 80 Gew.-% eines ersten faserigen Naturstoffs und
B. 10 bis 60 Gew.-% silikatisches Bindemittel enthält, wobei das silikatische Bindemittel aus 90-100 Gew.-% eines Gemisches von 40 bis 95 Gew.-% Siθ2-Partikeln, 5 bis 60 Gew.-% hydrolysiertem Tetraethoxysilan (TEOS) und bis zu 10 Gew.-% Methyltriethoxysilan (MTEOS) besteht und in dem Verbundwerkstoff Hohlräume ausgebildet sind.
2. Verbundwerkstoff gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume eine Länge bzw. einen Durchmesser von 2 bis 100 nm aufweisen.
3. Verbundwerkstoff gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume durch ein Aufschäumen mit einem Treibmittel oder durch den Einbau von Hohlkugeln, insbesondere aus Glas ausgebildet sind.
4. Verbundwerkstoff gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste faserige Naturstoff ein Naturstoff auf Zellulosebasis, insbesondere Zellulosepulp oder -vlies, Papier, recyceltes Papier, Pappe, recycelte Pappe, Holz oder recyceltes Holz ist.
5. Verbundwerkstoff gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das silikatische Bindemittel ein Gemisch anorganischer Silikatverbindungen enthält.
6. Verbundwerkstoff gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das silikatische Bindemittel wasserbasiert ist und einen Alkoholgehalt von weniger als 30 Gew.-%, bevorzugt von weniger als 10 Gew.-% und besonders bevorzugt von weniger als 5 Gew.-% aufweist.
7. Verbundwerkstoff gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff bis zu 30 Gew.-% eines von dem ersten faserigen Naturstoff verschiedenen zweiten faserigen Materials, insbesondere Kunstfasern, andere Naturfasern, Glasfasern oder Carbonfasern enthält.
8. Verbundwerkstoff gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserlänge des zweiten faserigen Materials größer ist als die Faserlänge des ersten faserigen Naturstoffs.
9. Verbundwerkstoff gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff Füllstoffe und/oder Pigmente und/oder Katalysatoren enthält.
10. Verbundwerkstoff gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Pigmente wärmeabsorbierende Pigmente, insbesondere Aluminium- oder Kupferpigmente, oder wärmereflektierende Pigmente, insbesondere Ruß oder Schwarzschichten, sind.
11. Verbundwerkstoff gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Flammschutzmittel, insbesondere anorganische, halogenierte, organische oder anorganische Phosphorverbindungen, stickstoffbasierte Verbindungen; Metalloxide, Metallhydroxide, Metallsalze, Bor- oder Zinkverbindungen oder Siliziumverbindungen, enthalten sind.
12. Verbundwerkstoff gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass antimikrobielle und Antifouling-Wirkstoffe, Biozide, UV-Absorber oder Konservierungsstoffe, insbesondere Silber, Chitosan oder Borsäure, enthalten sind.
13. Verfahren zum Herstellen eines Formkörpers aus einem Verbundwerkstoff gemäß den Ansprüchen 6 bis 12, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: a. Herstellung einer Mischung enthaltend 20 bis 80 Gew.-% eines ersten faserigen Naturstoffs und 10 bis 60 Gew.-% silikatisches Bindemittel, wobei das silikatische Bindemittel aus 90-100 Gew.-% eines Gemisches von 40 bis 95 Gew.-% Siθ2-Partikeln, 5 bis 60 Gew.-% hydrolysiertem Tetraethoxysilan (TEOS) und bis zu 10 Gew.-% Methyltriethoxysilan (MTEOS) besteht, sowie bis zu 30 Gew.-% eines von dem ersten faserigen Naturstoff verschiedenen zweiten faserigen Materials, b. Zugabe eines Treibmittels, und/oder Zugabe von Hohlkugeln zu der Mischung, c. Eintrag der Mischung in eine Form, auf eine Oberfläche oder auf ein umlaufendes Band, d. thermische Behandlung bei Temperaturen von Raumtemperatur bis 4000C, bevorzugt von Raumtemperatur bis 2500C.
14. Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt c. Druck auf die eingetragene Mischung ausgeübt wird.
15. Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt d. die Oberfläche des Verbundwerkstoffes mit Klarlack oder Farblack lackiert wird oder mit Papier oder Kunststoffen überlaminiert wird.
16. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Behandlung mittels IR-Strahlen, Mikrowellenstrahlung, Induktion oder Konduktion erfolgt.
17. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt d. im Vakuum erfolgt.
18. Verwendung des Verbundwerkstoffs gemäß den Ansprüchen 1 bis 17 als Schallschutz-, Brandschutz- oder Wärmedämmstoff, Leichtbauelement, Putz, Dachbedeckungsmaterial, Wandbaumaterial, Fassaden- oder Bodenplatten, als Wand- und Deckenverkleidungen, auch für Feuchträume, zum Abformen von Schindeln, Ziegeln, Dachplatten, als Trennwand, zur Schall- und Wärmedämmung von Türen, als Fahrzeugteil, insbesondere als Kotflügel, Motorhaube, Unterbodenverkleidung, Radlaufschalen, Stoßfänger, Armaturenträger, Dachsäulenverkleidung, Türinnenverkleidung, Dachhimmel, Dachaussteifung, Hutablage, Kofferraum- und Motorraumauskleidung, als Motorkapselung, Dämmstoff für Motoren, als Abdeckplatte, als Möbelelement, insbesondere zum Tisch-, Schrank-, und Stuhlbau, in Industrieanlagen sowie zur Trittschalldämmung.
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