DE102004005912A1

DE102004005912A1 - Schallabsorbierende Formkörper

Info

Publication number: DE102004005912A1
Application number: DE102004005912A
Authority: DE
Inventors: Marco Schmidt; Bernd Volkmann
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 2004-02-05
Filing date: 2004-02-05
Publication date: 2005-08-25

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft schallabsorbierende Formkörper aus haufwerksporigem Beton, dessen Poren einen mittleren Durchmesser von 0,2-4 mm haben, wobei der Beton Mikrokapseln mit einem Polymer als Kapselwand und einem Kapselkern, bestehend überwiegend aus Latentwärmespeichermaterialien, enthält.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen schallabsorbierenden Formkörper aus haufwerksporigem Beton, dessen Poren einen mittleren Durchmesser von 0,2–4 mm haben.
In Gebäuden mit moderner Architektur, wie Bürogebäude, sind oft große Glasflächen in Kombination mit einer leichten Innenarchitektur anzutreffen. Solch großflächige und glatte Sicht-Betonoberflächen, Glasflächen und Stahlelemente führen zu einer hallenden Raumakustik. Dieser Problematik begegnet man mit schallabsorbierenden Bausteinen bzw. Bauelementen. Solche Bauelemente können aus haufwerksporigem Beton bestehen, also einem offenporigen Leichtbeton. Bauelemente aus Leichtbeton werden hergestellt, indem Zuschlagsstoffe, Zement und Wasser unter hoher Geschwindigkeit gemischt, in Form gefüllt und mittels starkem Rütteln und Druck kompaktiert werden.
Eine weitere Problematik solcher Gebäude ist der Wärmeeintrag. Die Hauptwärmeeintragung geschieht durch die großen Glasflächen. Die Wärme wird im Gebäudeinnern gefangen. Gebäude deren Konstruktion aus Stahl und Beton allein auf statischen Gesichtspunkten beruht, haben nur eine geringe Gebäudemasse. Bei der temperierenden Wirkung eines Gebäudes ist diese jedoch von entscheidender Bedeutung, wobei sowohl Außen- wie auch Innenwände einen Einfluß haben. Ein schweres Gebäude kann Temperaturspitzen durch seine Masse abpuffern. Die Masse der Baustoffe speichert im Sommer die einströmende Wärme bei Tag und hält dadurch die Innentemperatur konstant. In der kühleren Nacht wird die gespeicherte Wärme wieder an die Außenluft abgegeben. Um ein angenehmes Raumklima auch im Sommer ohne aktive Klimatisierung zu erreichen, ist also thermische Masse des Gebäudes unerlässlich.
Eine solche große thermische Masse fehlt jedoch modernen Bürogebäuden aufgrund ihrer Bauweise.
Leichtbetonsteine aus aufbereitetem Naturbims zeigen gemäß der OS 36 27 452 gute Wärmedämmung und guten Schallschutz. Gute isolierende Wirkung ist jedoch nur solange von Vorteil, wie kein großer Wärmeeintrag von außen, wie es bei großen Fensterfronten geschieht, stattfindet. Um einen intelligenten temperierenden Stein zu haben, sind gerade das Gegenteil, nämlich hohe Wärmeleitfähigkeitswert bzw. k-Werte bezogen auf die Steinrohdichte notwendig.
In den letzten Jahren sind als neue Materialkombination in Baustoffen Latentwärmespeicher untersucht worden. Ihre Funktionsweise beruht auf der beim fest/flüssig-Phasenübergang auftretenden Umwandlungsenthalpie, die eine Energieaufnahme oder Energieabgabe an die Umgebung bedeutet. Sie können damit zur Temperaturkon stanthaltung in einem festgelegten Temperaturbereich verwendet werden. Da die Latentwärmespeichermaterialien je nach Temperatur auch flüssig vorliegen, können sie nicht direkt mit Baustoffen verarbeitet werden, denn Emissionen an die Raumluft sowie die Trennung vom Baustoff wären zu befürchten.
Die EP-A-1 029 018 lehrt die Verwendung von Mikrokapseln mit einer Kapselwand aus einem hochvernetzten Methacrylsäureesterpolymer und einem Latentwärmespeicherkern in Bindebaustoffen wie Beton oder Gips. Da die Kapselwände nur eine Dicke im Bereich von 5 bis 500 nm haben, sind sie jedoch sehr druckempfindlich, ein Effekt der bei ihrer Verwendung in Durchschreibepapieren genutzt wird. Das schränkt jedoch ihre Verwendung ein.
Die DE 101 07 145 lehrt eine schallschluckende Akustikdecke aus Bauplatten aus mittels eines Bindemittels verbundenen, porösen Partikeln wie Blähton. In den Poren des Blähtons werden Latentwärmespeichermaterialien gebunden. Hier ergibt sich jedoch das oben geschilderte Problem der Emissionen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung sind schallabsorbierende Formkörper, die hohe Wärmespeicherfähigkeitswerte bezogen auf die Steinrohdichte zeigen.
Diese Aufgabe wird durch einen schallabsorbierenden Formkörper aus haufwerksporigem Beton gelöst, dessen Poren einen mittleren Durchmesser von 0,2–4 mm haben, wobei der Beton Mikrokapseln mit einem Polymer als Kapselwand und einem Kapselkern, bestehend überwiegend aus Latentwärmespeichermaterialien, enthält.
Die in den erfindungsgemäßen Formkörpern enthaltenen Mikrokapseln sind Teilchen mit einem Kapselkern bestehend überwiegend, zu mehr als 95 Gew.-%, aus Latentwärmespeichermaterialien und einem Polymer als Kapselwand. Der Kapselkern ist dabei abhängig von der Temperatur fest oder flüssig. Die mittlere Teilchengröße der Kapseln (Z-Mittel mittels Lichtstreuung) beträgt 0,5 bis 100 μm, bevorzugt 1 bis 80 μm insbesondere 1 bis 50 μm. Das Gewichtsverhältnis von Kapselkern zu Kapselwand beträgt im allgemeinen von 50:50 bis 95:5. Bevorzugt wird ein Kern/VUand-Verhältnis von 70:30 bis 90:10.
Latentwärmespeichermaterialien sind definitionsgemäß Substanzen, die in dem Temperaturbereich, in welchem eine Wärmeübertragung vorgenommen werden soll, einen Phasenübergang aufweisen. Vorzugsweise weisen die Latentwärmespeichermaterialien einen fest/flüssig Phasenübergang im Temperaturbereich von -20 bis 120°C auf. In der Regel handelt es sich bei den Latentwärmespeichern um organische, bevorzugt lipophile Substanzen.
Als geeignete Substanzen sind beispielhaft zu nennen:

– aliphatische Kohlenwasserstoffverbindungen wie gesättigte oder ungesättigte C₁₀-C₄₀-Kohlenwasserstoffe, die verzweigt oder bevorzugt linear sind, z.B. wie n-Tetradecan, n-Pentadecan, n-Hexadecan, n-Heptadecan, n-Octadecan, n-Nonadecan, n-Eicosan, n-Heneicosan, n-Docosan, n-Tricosan, n-Tetracosan, n-Pentacosan, n-Hexacosan, n-Heptacosan, n-Octacosan sowie cyclische Kohlenwasserstoffe, z.B. Cyclohexan, Cyclooctan, Cyclodecan;
– aromatische Kohlenwasserstoffverbindungen wie Benzol, Naphthalin, Biphenyl, o- oder n-Terphenyl, C₁-C₄₀-alkylsubstituierte aromatische Kohlenwasserstoffe wie Dodecylbenzol, Tetradecylbenzol, Hexadecylbenzol, Hexylnaphthalin oder Decylnaphthalin;
– gesättigte oder ungesättigte C₆-C₃₀-Fettsäuren wie Laurin-, Stearin-, Öl- oder Behensäure, bevorzugt eutektische Gemische aus Decansäure mit z.B. Myristin-, Palmitin- oder Laurinsäure;
– Fettalkohole wie Lauryl-, Stearyl-, Oleyl-, Myristyl-, Cetylalkohol, Gemische wie Kokosfettalkohol sowie die sogenannten Oxoalkohole, die man durch Hydroformylierung von α-Olefinen und weiteren Umsetzungen erhält;
– C₆-C₃₀-Fettamine, wie Decylamin, Dodecylamin, Tetradecylamin oder Hexadecylamin;
– Ester wie C₁-C₁₀-Alkylester von Fettsäuren wie Propylpalmitat, Methylstearat oder Methylpalmitat sowie bevorzugt ihre eutektischen Gemische oder Methylcinnamat;
– natürliche und synthetische Wachse wie Montansäurewachse, Montanesterwachse, Carnaubawachs, Polyethylenwachs, oxidierte Wachse, Polyvinyletherwachs, Ethylenvinylacetatwachs oder Hartwachse nach Fischer-Tropsch-Verfahren;
– halogenierte Kohlenwasserstoffe wie Chlorparaffin, Bromoctadecan, Brompentadecan, Bromnonadecan, Bromeicosan, Bromdocosan.

Weiterhin sind Mischungen dieser Substanzen geeignet, solange es nicht zu einer Schmelzpunkterniedrigung außerhalb des gewünschten Bereichs kommt, oder die Schmelzwärme der Mischung für eine sinnvolle Anwendung zu gering wird.
Vorteilhaft ist beispielsweise die Verwendung von reinen n-Alkanen, n-Alkanen mit einer Reinheit von größer als 80% oder von Alkangemischen, wie sie als technisches Destillat anfallen und als solche handelsüblich sind.
Weiterhin kann es vorteilhaft sein, den kapselkern-bildenden Substanzen in ihnen lösliche Verbindungen zuzugeben, um so die zum Teil bei den unpolaren Substanzen auftretende Gefrierpunktserniedrigung zu verhindern. Vorteilhaft verwendet man, wie in der US-A 5 456 852 beschrieben, Verbindungen mit einem 20 bis 120°C höheren Schmelzpunkt als die eigentliche Kernsubstanz. Geeignete Verbindungen sind die oben als lipophile Substanzen erwähnten Fettsäuren, Fettalkohole, Fettamide sowie aliphatische Kohlenwasserstoffverbindungen. Sie werden in Mengen von 0,1 bis 10 Gew.-% bezogen auf den Kapselkern zugesetzt.
Je nach Temperaturbereich, in dem die Wärmespeicher gewünscht sind, werden die lipophilen Substanzen gewählt. Beispielsweise verwendet man für Wärmespeicher in Baustoffen in gemäßigtem Klima bevorzugt lipophile Substanzen, deren fest/flüssig-Phasenübergang im Temperaturbereich von 0 bis 60°C liegt. So wählt man in der Regel für Außenanwendungen Einzelstoffe oder Mischungen mit Umwandlungstemperaturen von 0 bis 25°C und für Innenraumanwendungen von 15 bis 30°C.
Bevorzugte Latentwärmespeichermaterialien sind aliphatische Kohlenwasserstoffe besonders bevorzugt die oben beispielhaft aufgezählten. Insbesondere werden aliphatische Kohlenwasserstoffe mit 16, 17 oder 18 Kohlenstoffatomen sowie deren Gemische bevorzugt.
Als Polymer für die Kapselwand können prinzipiell die für die Mikrokapseln für Durchschreibepapiere bekannten Materialien verwendet werden. So ist es beispielsweise möglich die Latentwärmespeichermaterialien nach den in der GB-A 870476, US 2,800,457 , US 3,041,289 beschriebenen Verfahren in Gelatine mit anderen Polymeren zu verkapseln.
Bevorzugte Wandmaterialien, da sehr alterungsstabil, sind duroplastische Polymere. Unter duroplastisch sind dabei Wandmaterialien zu verstehen, die aufgrund des hohen Vernetzungsgrades nicht erweichen, sondern sich bei hohen Temperaturen zersetzen. Geeignete duroplastische Wandmaterialien sind beispielsweise Formaldehydharze, Polyharnstoffe und Polyurethane sowie hochvernetzte Methacrylsäureesterpolymere.
Unter Formaldehydharzen versteht man Reaktionsprodukte aus Formaldehyd mit

– Triazinen wie Melamin
– Carbamiden wie Harnstoff
– Phenolen wie Phenol, m-Kresol und Resorcin
– Amino- und Amidoverbindungen wie Anilin, p-Toluolsulfonamid, Ethylenharnstoff und Guanidin,

Bevorzugte Formaldehydharze sind Harnstoff-Formaldehydharze, Harnstoff-Resorcin-Formaldehydharze, Harnstoff-Melamin-Harze und Melamin-Formaldehydharze. Ebenso bevorzugt sind die C₁-C₄-Alkyl- insbesondere Methylether dieser Formaldehydharze sowie die Mischungen mit diesen Formaldehydharzen. Insbesondere werden Melamin-Formaldehyd-Harze und/oder deren Methylether bevorzugt.
In den von den Durchschreibepapieren her bekannten Verfahren werden die Harze als Prepolymere eingesetzt. Das Prepolymer ist noch in der wässrigen Phase löslich und wandert im Verlauf der Polykondensation an die Grenzfläche und umschließt die Öltröpfchen. Verfahren zu Mikroverkapselung mit Formaldehydharzen sind allgemein bekannt und beispielsweise in der EP-A-562 344 und EP-A-974 394 beschrieben.
Kapselwände aus Polyharnstoffen und Polyurethanen sind ebenfalls von den Durchschreibepapieren her bekannt. Die Kapselwände entstehen durch Umsetzung von NH₂-Gruppen bzw. OH-Gruppen tragenden Reaktanden mit Di- und/oder Polyisocyanaten. Geeignete Isocyanate sind beispielsweise Ethylendiisocyanat, 1,4-Tetramethylendiisocyanat, 1,6-Hexamethylendiisocyanat und 2,4- und 2,6-Toluylendiisocyanat. Ferner seien Polyisocyanate wie Derivate mit Biuretstruktur, Polyuretonimine und Isocyanurate erwähnt. Als Reaktanden kommen in Frage: Hydrazin, Guanidin und dessen Salze, Hydroxylamin, Di- und Polyamine und Aminoalkohole. Solche Grenzflächenpolyadditionsverfahren sind beispielsweise aus der US 4,021,595 , EP-A 0 392 876 und EP-A 0 535 384 bekannt.
Bevorzugt werden Mikrokapseln, deren Kapselwand ein hochvernetztes Methacrylsäureesterpolymer ist. Der Vernetzungsgrad wird dabei mit einem Vernetzeranteil ≥ 10 Gew.-% bezogen auf das Gesamtpolymer erzielt.
In den bevorzugten Mikrokapseln sind die Wand-bildenden Polymere aus 30 bis 100 Gew.-%, vorzugsweise 30 bis 95 Gew.-% eines oder mehrerer C₁-C₂₄-Alkylester der Acryl- und/oder Methacrylsäure als Monomere I aufgebaut. Außerdem können die Polymere bis zu 80 Gew.-%, vorzugsweise 5 bis 60 Gew.-%, insbesondere 10 bis 50 Gew.-%, eines bi-oder polyfunktionellen Monomers als Monomere II, welches in Wasser nicht löslich oder schwer löslich ist, einpolymerisiert enthalten. Daneben können die Polymere bis zu 40 Gew.-%, vorzugsweise bis zu 30 Gew.-% sonstige Monomere III einpolymerisiert enthalten.
Als Monomere I eignen sich C₁-C₂₄-Alkylester der Acryl- und/oder Methacrylsäure. Besonders bevorzugte Monomere I sind Methyl-, Ethyl-, n-Propyl- und n-Butylacrylat und/oder die entsprechenden Methacrylate. Bevorzugt sind iso-Propyl-, iso-Butyl-, sec.-Butyl- und tert.-Butylacrylat und die entsprechenden Methacrylate. Ferner ist Methacrylnitril zu nennen. Generell werden die Methacrylate bevorzugt.
Geeignete Monomere II sind bi- oder polyfunktionelle Monomere, welche in Wasser nicht löslich oder schwer löslich sind, aber eine gute bis begrenzte Löslichkeit in der lipophilen Substanz haben. Unter Schwerlöslichkeit ist eine Löslichkeit kleiner 60 g/l bei 20°C zu verstehen.
Unter bi- oder polyfunktionellen Monomeren versteht man Verbindungen, die wenigstens 2 nichtkonjugierte ethylenische Doppelbindungen haben. Vornehmlich kommen Divinyl- und Polyvinylmonomere in Betracht, die eine Vernetzung der Kapselwand während der Polymerisation bewirken.
Bevorzugte bifunktionelle Monomere sind die Diester von Diolen mit Acrylsäure oder Methacrylsäure, ferner die Diallyl- und Divinylether dieser Diole.
Bevorzugte Divinylmonomere sind Ethandioldiacrylat, Divinylbenzol, Ethylenglykoldimethacrylat, 1,3-Butylenglykoldimethacrylat, Methallylmethacrylamid und Allylmethacrylat. Besonders bevorzugt sind Propandiol-, Butandiol-, Pentandiol- und Hexandioldiacrylat oder die entsprechenden Methacrylate.
Bevorzugte Polyvinylmonomere sind Trimethylolpropantriacrylat und -methacrylat, Pentaerythrittriallylether und Pentaerythrittetraacrylat.
Als Monomere III kommen sonstige Monomere in Betracht, bevorzugt sind Monomere IIIa wie Styrol, α-Methylstyrol, ß-Methylstyrol, Butadien, Isopren, Vinylacetat, Vinylpropionat und Vinylpyridin.
Besonders bevorzugt sind die wasserlöslichen Monomere IIIb, z.B. Acrylnitril, Methacrylamid, Acrylsäure, Methacrylsäure, Itaconsäure, Maleinsäure, Maleinsäureanhydrid, N-Vinylpyrrolidon, 2-Hydroxyethylacrylat und -methacrylat und Acrylamido-2-methylpropansulfonsäure. Daneben sind insbesondere N-Methylolacrylamid, N-Methylolmethacrylamid, Dimethylaminoethylmethacrylat und Diethylaminoethylmethacrylat zu nennen.
Die zur erfindungsgemäßen Verwendung geeigneten Mikrokapseln lassen sich durch eine sogenannte in-situ-Polymerisation herstellen.
Die bevorzugten Mikrokapseln sowie ihre Herstellung sind aus der EP-A-457 154 bekannt, auf die ausdrücklich verwiesen wird. So stellt man die Mikrokapseln in der Weise her, dass man aus den Monomeren, einem Radikalstarter, einem Schutzkolloid und der einzukapselnden lipophilen Substanz eine stabile Öl-in-Wasser-Emulsion herstellt, in der sie als disperse Phase vorliegen. Der Anteil der Ölphase in der Öl-in-Wasser-Emulsion liegt vorzugsweise bei 20 bis 60 Gew.-%.
Anschließend löst man die Polymerisation der Monomeren durch Erwärmung aus, wobei die entstehenden Polymere die Kapselwand bilden, welche die lipophile Substanz umschließt.
In der Regel führt man die Polymerisation bei 20 bis 100°C, vorzugsweise bei 40 bis 80°C durch. Natürlich sollte die Dispersions- und Polymerisationstemperatur oberhalb der Schmelztemperatur der lipophilen Substanzen liegen, so dass man gegebenenfalls Radikalstarter wählt, deren Zerfallstemperatur oberhalb des Schmelzpunkts der lipophilen Substanz liegt.
Die Reaktionszeiten der Polymerisation betragen normalerweise 1 bis 10 Stunden, meistens 2 bis 5 Stunden.
Verfahrenstechnisch geht man in der Regel so vor, dass man eine Mischung aus Wasser, Monomeren, Schutzkolloiden, den lipophilen Substanzen, Radikalstartern und gegebenenfalls Reglern nacheinander oder gleichzeitig dispergiert und unter intensivem Rühren auf die Zerfallstemperatur der Radikalstarter erhitzt. Die Geschwindigkeit der Polymerisation kann dabei durch Wahl der Temperatur und die Menge des Radikalstarters gesteuert werden. Zweckmäßigerweise startet man die Reaktion durch Temperaturerhöhung auf eine Anfangstemperatur und steuert die Polymerisation durch weitere Temperaturerhöhung.
Nach Erreichen der Endtemperatur setzt man die Polymerisation zweckmäßigerweise noch etwa für eine Zeit von bis zu 2 Stunden fort, um Restmonomerengehalte abzusenken.
Im Anschluß an die eigentliche Polymerisationsreaktion bei einem Umsatz von 90 bis 99 Gew.-% ist es in der Regel vorteilhaft, die wässrigen Mikrokapseldispersionen weitgehend frei von Geruchsträgern, wie Restmonomeren und anderen organischen flüchtigen Bestandteilen zu gestalten. Dies kann in an sich bekannter Weise physikalisch durch destillative Entfernung (insbesondere über Wasserdampfdestillation) oder durch Abstreifen mit einem inerten Gas erreicht werden. Ferner kann es chemisch geschehen, wie in der WO 9924525 beschrieben, vorteilhaft durch redoxinitierte Polymerisation, wie in der DE-A-4 435 423, DE-A-4419518 und DE-A-4435422 beschrieben.
Man kann auf diese Weise Mikrokapseln mit einer mittleren Teilchengröße im Bereich von 0,5 bis 100 μm herstellen, wobei die Teilchengröße in an sich bekannter Weise über die Scherkraft, die Rührgeschwindigkeit, das Schutzkolloid und seine Konzentration eingestellt werden kann.
Bevorzugte Schutzkolloide sind wasserlösliche Polymere, da diese die Oberflächenspannung des Wassers von 73 mN/m maximal auf 45 bis 70 mN/m senken und somit die Ausbildung geschlossener Kapselwände gewährleisten sowie Mikrokapseln mit bevorzugten Teilchengrößen zwischen 1 und 30 μm, vorzugsweise 3 und 12 μm, ausbilden.
In der Regel werden die Mikrokapseln in Gegenwart wenigstens eines organischen Schutzkolloids hergestellt, das sowohl anionisch als auch neutral sein kann. Auch können anionische und nichtionische Schutzkolloide zusammen eingesetzt werden. Bevorzugt verwendet man anorganische Schutzkolloide gegebenenfalls in Mischung mit organischen Schutzkolloiden.
Organische neutrale Schutzkolloide sind Cellulosederivate wie Hydroxyethylcellulose, Carboxymethylcellulose und Methylcellulose, Polyvinylpyrrolidon, Copolymere des Vinylpyrrolidons, Gelatine, Gummiarabicum, Xanthan, Natriumalginat, Kasein, Polyethylenglykole, bevorzugt Polyvinylalkohol und partiell hydrolysierte Polyvinylacetate.
Zur Verbesserung der Stabilität der Emulsionen können anionische Schutzkolloide zugesetzt werden. Besonders wichtig ist die Mitverwendung anionischer Schutzkolloide bei einem großen Gehalt an Mikrokapseln in der Dispersion, da es ohne einen zusätzlichen ionischen Stabilisator zur Bildung von agglomerierten Mikrokapseln kommen kann. Diese Agglomerate senken die Ausbeute an nutzbaren Mikrokapseln, wenn es sich um Agglomerate kleiner Kapseln von 1 bis 3 μm Durchmesser handelt, und sie erhöhen die Bruchempfindlichkeit, wenn die Agglomerate größer als etwa 10 μm sind.
Als anionische Schutzkolloide eignen sich Polymethacrylsäure, die Copolymerisate des Sulfoethylacrylats und -methacrylats, Sulfopropylacrylats und -methacrylats, des N-(Sulfoethyl)-maleinimids, der 2-Acrylamido-2-alkylsulfonsäuren, Styrolsulfonsäure sowie der Vinylsulfonsäure.
Bevorzugte anionische Schutzkolloide sind Naphthalinsulfonsäure und Naphthalinsulfonsäure-Formaldehyd-Kondensate sowie vor allem Polyacrylsäuren und Phenolsulfonsäure-Formaldehyd-Kondensate.
Die anionischen Schutzkolloide werden in der Regel in Mengen von 0,1 bis 10 Gew.-% eingesetzt, bezogen auf die Wasserphase der Emulsion.
Bevorzugt werden anorganische Schutzkolloide, sogenannte Pickering-Systeme, die eine Stabilisierung durch sehr feine feste Partikel ermöglichen und in Wasser unlöslich, aber dispergierbar sind oder unlöslich und nicht dispergierbar in Wasser, aber benetzbar von der lipophilen Substanz sind.
Mikroverkapselungen unter Einsatz solcher Pickering-Systeme sind beispielsweise in der US 3,615,972 und US 4,016,110 beschrieben.
Ein Pickering-System kann dabei aus den festen Teilchen allein oder zusätzlich aus Hilfsstoffen bestehen, die die Dispergierbarkeit der Partikel in Wasser oder die Benetzbarkeit der Partikel durch die lipophile Phase verbessern. Diese Hilfsmittel sind z.B. nichtionische, anionische, kationische oder zwitterionische Tenside oder polymere Schutzkolloide, wie sie oben oder unten beschrieben sind. Zusätzlich können Puffersubstanzen zugefügt werden, um bestimmte, jeweils vorteilhafte pH-Werte der Wasserphase einzustellen. Dies kann die Wasserlöslichkeit der feinen Partikel verringern und die Stabilität der Emulsion erhöhen. Übliche Pufferstubstanzen sind Phosphatpuffer, Acetatpuffer und Citratpuffer.
Die anorganischen festen Partikel können Metallsalze sein, wie Salze, Oxide und Hydroxide von Calcium, Magnesium, Eisen, Zink, Nickel, Titan, Aluminium, Silicium, Barium und Mangan. Zu nennen sind Magnesiumhydroxid, Magnesiumcarbonat, Magnesiumoxid, Calciumoxalat, Calciumcarbonat, Bariumcarbonat, Bariumsulfat, Titandioxid, Aluminiumoxid, Aluminiumhydroxid und Zinksulfid. Silikate, Bentonit, Hydroxyapatit und Hydrotalcite seien ebenfalls genannt. Besonders bevorzugt sind hochdisperse Kieselsäuren, Magnesiumpyrophosphat und Tricalciumphosphat.
Die Pickering-Systeme können sowohl zuerst in die Wasserphase gegeben werden, als auch zu der gerührten Emulsion von Öl-in-Wasser zugegeben werden. Manche feinen, festen Partikel werden durch eine Fällung hergestellt. So wird das Magnesiumpyrophosphat durch Zusammengeben der wässrigen Lösungen von Natriumpyrophosphat und Magnesiumsulfat hergestellt.
In der Regel wird das Pyrophosphat unmittelbar vor der Dispergierung durch Vereinigen einer wässrigen Lösung eines Alkalipyrophosphats mit mindestens der stöchiometrisch erforderlichen Menge eines Magnesiumsalzes hergestellt, wobei das Magnesiumsalz in fester Form oder wässriger Lösung vorliegen kann. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Magnesiumpyrophosphat durch Vereinigung wässriger Lösungen von Natriumpyrophosphat (Na₄P₂O₇) und Magnesiumsulfat (MgSO₄·7H₂O) hergestellt.
Die hochdispersen Kieselsäuren können als feine, feste Teilchen in Wasser dispergiert werden. Es ist aber auch möglich, sogenannte kolloidale Dispersionen von Kieselsäure in Wasser zu verwenden. Die kolloidalen Dispersionen sind alkalische, wäßrige Mischungen von Kieselsäure. Im alkalischen pH-Bereich sind die Partikel gequollen und in Wasser stabil. Für eine Verwendung dieser Dispersionen als Pickering-System ist es vorteilhaft, wenn der pH-Wert während der Öl-in-Wasser Emulsion mit einer Säure auf pH 2 bis 7 eingestellt wird.
Die anorganischen Schutzkolloide werden in der Regel in Mengen von 0,5 bis 15 Gew.-%, bezogen auf die Wasserphase, eingesetzt.
Im allgemeinen werden die organischen neutralen Schutzkolloide in Mengen von 0,1 bis 15 Gew.-%, vorzugsweise von 0,5 bis 10 Gew.-% eingesetzt, bezogen auf die Wasserphase.
Vorzugsweise wählt man die Dispergierbedingungen zur Herstellung der stabilen Öl-in-Wasser Emulsion in an sich bekannter Weise so, dass die Öltröpfchen die Größe der gewünschten Mikrokapseln haben.
Die Mikrokapseln können als Pulver oder bevorzugt als Dispersion in die den Formkörper bildende Masse eingearbeitet werden. Dabei werden bevorzugt 1 bis 40 Gew.-%, insbesondere 5 bis 25 Gew.-%, Mikrokapseln bezogen auf das Gesamtgewicht des Formkörpers aus haufwerksporigem Beton (Trockensubstanz) eingearbeitet.
Beton ist ein mineralischer Baustoff, der durch Erhärten eines Gemisches umfassend Zement, Betonzuschlagsstoffe, Wasser und gegebenenfalls Betonzusatzstoffe entsteht. Der Fachmann unterscheidet nach der Trockenrohdichte der Betons zwischen Leichtbeton, Normalbeton und Schwerbeton.
Beton unterscheidet man darüber hinaus in „gefügedichte" und „haufwerksporige" Mischungen. Gefügedichte Mischungen enthalten soviel mineralischen Mörtel, dass alle Volumina zwischen den Zuschlagsstoffen ausgefüllt sind. Solche Betone werden auch als Normalbeton bezeichnet und sind charakterisiert durch eine Trockenrohdichte von 2,0–2,8 kg/dm³. Haufwerksporige Mischungen enthalten deutlich weniger mineralischen Mörtel, wodurch Luftporen im Steingefüge entstehen. Entsprechend geringer ist auch die Dichte des Betons. Unter dem Begriff „haufwerksporiger" Beton ist im Rahmen dieser Anmeldung ein offenporiger Leichtbeton mit einer Trockenrohdichte < 2 kg/dm³ zu verstehen.
Erfindungsgemäß eingesetzte Zuschlagstoffe sind Zuschläge, bei denen feinere Anteile vermieden werden. Bevorzugt wird Split mit einer Korngröße von 0,5–10 mm, insbesondere 1–5 mm zugesetzt.
Unter Zement versteht man feingemahlene hydraulische Bindemittel, also mineralische Stoffe, die unter Wasseraufnahme steinartig erhärten. Zement besteht überwiegend aus Calciumsilicaten, -aluminaten und -ferriten. Der für den erfindungsgemäßen Formkörper einzusetzende Zement ist handelsüblicher Zement wie CEM I-IV nach DIN EN 197–1. Natürlich ist es auch möglich Weißzement beispielsweise zur hellen Einfärbung des Betons zu verwenden. Gegebenenfalls können übliche Betonzusatzstoffe hinzugefügt werden, um die Verarbeitbarkeit zu verbessern. Als Betonzusatzstoffe seien Fließmittel auf Melaminharz- oder Lignin-Sulfonatbasis oder Polycarboxylatether beispielhaft genannt.

Die Mischung der Ausgangsbestandteile enthält jeweils bezogen auf den Gesamtfeststoffgehalt

10–49 Gew.-%	Zement
50–89 Gew.-%	Zuschlagsstoffe
0–5 Gew.-%	Betonzusatzstoffe und
1–25 Gew.-%	Mikrokapseln mit einem Polymer als Kapselwand und einem Kapselkern, der überwiegend aus Latentwärmespeichermaterialien besteht.

Bevorzugt werden Ausgangsmischungen, enthaltend

20–30 Gew.-% Zement

65–75 Gew.-% Zuschlagsstoffe

0–3 Gew.-% Betonzusatzstoffe und

5–15 Gew.-% Mikrokapseln.
Die festen Ausgangsbestandteile werden mit Wasser zu einem Mörtel mit einem Wasser-Zement-Verhältnis von 0,2 bis 1,4, vorzugsweise 0,5 bis 1,0 vermischt. In der Regel werden die Ausgangsbestandteile und Wasser mit hoher Geschwindigkeit bis zur Homogenität gemischt.
Diese Mischung wird dann in die entsprechenden Formen eingefüllt. Üblicherweise erfolgt eine Kompaktierung durch starkes Rütteln unter Druck. Überraschenderweise führt dies nicht zur Zerstörung der druckempfindlichen Mikrokapseln.
Die erfindungsgemäßen Formkörper selber können jede beliebige Form haben, sofern es für die Schalldämmung sinnvoll ist. Sie sind vorteilhaft für die Errichtung von tragendem oder nichttragendern Mauerwerk und/oder als auf Oberflächen angebrachte Bauelemente. Beispiele sind Mauersteine, die mit Mörtel zusammengesetzt werden, Deckenelemente, Pfeiler, Sockel oder auch schallabsorbierende Verkleidungselemente an Verkehrswegen oder in Gebäuden.
Die erfindungsgemäßen Formkörper zeigen gute schallabsorbierende Eigenschaften bei gleichzeitig guten wärmeabsorbierenden Eigenschaften. Trotz des hohen Mikrokapselanteils scheinen die für die Schallabsorption wichtigen offenen Poren nicht verstopft zu sein. Die Formkörper zeigen einen deutlich schnelleren Wärmeaustausch als herkömmliche Formkörper. Auch sind die Kapseln im fertigen Formkörper nach wie vor unzerstört, so dass keine Belastung der Raumluft durch Ausdunsten zu beobachten ist.
Auch für Außenanwendungen wie Lärmschutzwände für Autobahn- oder Eisenbahnstrecken sind die Formteile geeignet, da insgesamt weniger Tauwasser anfällt und damit die Verschmutzung durch Algen und Pilze reduziert wird. Darüber hinaus verhindern die erfindungsgemäßen Formkörper bei Außenanwendungen eine rasche Vereisung der im Stein enthaltenen Poren, die den Schallschutz herabsetzen würde.

Die nachfolgenden Beispiele sollen die Erfindung näher erläutern: Herstellung der Mikrokapseln Wasserphase:

572 g	Wasser
80 g	einer 50 gew.%igen kolloidalen Dispersion von SiO₂ in Wasser bei pH 9,3 (mittlere Teilchengröße 108,6 nm, Z-Mittelwert nach Lichtstreuung))
2,1 g	einer 2,5 gew.-%igen wässrigen Natriumnitritlösung
20 g	einer 1 gew.-%igen, wässrigen Methylcelloloselösung (Viskosität 15000 mPas bei 2% in Wasser)

Ölphase:

440 g	C₁₆-C₁₈-Alkangemisch (26°C Schmelztemperatur)
77g	Methylmethacrylat
33 g	Butandioldiacrylat
0,76 g	Ethylhexylthioglykolat
1,35 g	t-Butylperpivalat

Zulauf 1: 1,09 g t-Butylhydroperoxid, 70 gew.-%ig in Wasser
Zulauf 2: 0,34 g Ascorbinsäure, 0,024 g NaOH, 56 g H₂O

Bei Raumtemperatur wurde die obige Wasserphase vorgelegt und mit 3 g 10 %iger Salpetersäure auf pH 4 gestellt. Nach Zugabe der Ölphase wurde mit einem schnelllaufenden Dissolverrührer bei 4800 Upm dispergiert. Nach 40 Minuten Dispergierung wurde eine stabile Emulsion der Teilchengröße 1 bis 9 μm Durchmesser erhalten. Die Emulsion wurde unter Rühren mit einem Ankerrüher in 40 Minuten auf 56°C aufge heizt, innerhalb von weiteren 20 Minuten auf 58°C, innerhalb von weiteren 60 Minuten auf 71°C und innerhalb von weiteren 60 Minuten auf 85°C aufgeheizt. Die entstandene Mikrokapseldispersion wurde unter Rühren auf 70°C gekühlt und der Zulauf 1 dazugegeben. Der Zulauf 2 wurde unter Rühren bei 70°C über 80 Minuten dosiert zugegeben. Anschließend wurde abgekühlt. Die entstandene Mikrokapseldispersion besaß einen Feststoffgehalt von 47,2 Gew.-% und eine mittlere Teilchengröße 5,8 μm (Volumenmittelwert, gemessen mittels Fraunhofer-Beugung).
Die Dispersion konnte in einem Laborsprühtrockner mit Zweistoffdüse und Zyklonabscheidung mit 130°C Eingangstemperatur des Heizgases und 70°C Ausgangstemperatur des Pulvers aus dem Sprühturm problemlos getrocknet werden. Mikrokapseldispersion und Pulver zeigten beim Aufheizen in der Differentialkalorimetrie bei einer Heizrate von 1 K/Minute einen Schmelzpunkt zwischen 24,5 und 27,5°C mit einer Umwandlungsenthalpie von 110 J/g Alkanmischung.
Herstellung eines Schallabsorbersteins
Es wurden zementgebundene Schallabsorbersteine (39 × 9 × 19 cm, entspricht 8 kg Stein) mit mikroverkapselten Latentwärmespeichermaterialien in einer üblichen Produktionsanlage für Leichtbetonsteine hergestellt. Hierzu wurden 1,5 t Split 2/5, 0,7 t Split 1/3, 0,5 t Zement CEM I WS, 0,1 t Stellmittel, 0,1 t der oben beschriebenen Mikrokapseln mit 0,35 t Wasser 3 Minuten gemischt. Die Mischung wurde anschließend in eine Metallform überführt und mittels Druckstempel und Rüttelenergie für ca. 15 Sek. kompaktiert. Danach öffnete sich die Form und die vorgeformten Schallabsorbersteine wurden 4 Tage bei Raumtemperatur ausgehärtet. Ein einzelner Schallabsorberstein enthält 400 g Mikrokapseln. Vom Stein wurde eine Probe geschnitten (Stein 1).
Zum Vergleich wurden Schallabsorbersteine nach obiger Vorschrift hergestellt, die jedoch keine Mikrokapseln enthielten. Von einem dieser Steine wurde eine Probe geschnitten (Stein 2).
Die direkt nach dem Entformen erhaltenen erfindungsgemäßen Steine fühlten sich kalt an (Handfühlung). Die nicht erfindungsgemäßen Steine haben nach dem Rütteln durch die eingetragene Rüttelenergie eine Temperatur von ca. 35°C.
Anschließend wurde die Wärmekapazität des erfindungsgemäßen Schallabsorbersteins gemessen. Hierzu wurde eine Kalorimeterapparatur aufgebaut, in welche sowohl die Probe des hergestellten Steins mit bekanntem Gewicht und Temperatur, als auch eine bekannte Menge Wasser mit definierter Temperatur eingebracht wurde. Die Zeit bis zur Temperaturkonstanz wurde ermittelt. Die erhaltene Mischungstemperatur ist ein direkter Effekt aus spezifischer Wärmekapazität und Anfangstemperaturen von Wasser und Probe.
Tabelle: Bestimmung der Wärmekapazität der Schallabsorbersteine Stein 1 (mit 5 Gew.-% Mikrokapseln): Volumen 462 cm³, Dichte 1,89 g/cm³ Stein 2 (ohne Mikrokapseln): Volumen 566 cm³, Dichte 1,87 g/cm³
Die Messung ergibt eine spezifische Wärmemenge für Stein 1 von 67 J/cm³ und von 56 J/cm³ für Stein 2. Stein 1 gab darüber hinaus seine Wärme deutlich schneller ab. Bei Stein 1 wurde eine Temperaturkonstanz bereits nach 0,25 Stunden erreicht, während die Zeit bis zur Temperaturkonstanz von Stein 2 1,25 Stunden betrug. Die erfindungsgemäßen Formkörper haben somit einen größeren Wärmeeintrag und eine 5mal schnellere Ansprechzeit als die Vergleichsformkörper.
Weiterhin wurden elektronenmikroskopische Aufnahmen von gebrochenen Proben der Betonsteinmatrix angefertigt. Es wurden keine defekten Kapseln gefunden.

Claims

Schallabsorbierende Formkörper aus haufwerksporigem Beton, dessen Poren einen mittleren Durchmesser von 0,2–4 mm haben, dadurch gekennzeichnet, dass der Beton Mikrokapseln mit einem Polymer als Kapselwand und einem Kapselkern, bestehend überwiegend aus Latentwärmespeichermaterialien, enthält.
Schallabsorbierende Formkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Latentwärmespeichermaterialien lipophile Substanzen mit einem fest/flüssig Phasenübergang im Temperaturbereich von -20 bis 120°C sind.
Schallabsorbierende Formkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Latentwärmespeichermaterialien aliphatische Kohlenwasserstoffverbindungen sind.
Schallabsorbierende Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapselwand ein hochvernetztes Methacrylsäureesterpolymer ist.
Schallabsorbierende Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapselwand aufgebaut ist aus 30 bis 100 Gew.-% eines oder mehrerer C₁-C₂₄-Alkylester der Acryl- und/oder Methacrylsäure (Monomere I), 0 bis 80 Gew.-% eines bi- oder polyfunktionellen Monomers (Monomere II), welches in Wasser nicht löslich oder schwer löslich ist und 0 bis 40 Gew.-% sonstige Monomere (Monomere III)

jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der Monomere.
Schallabsorbierende Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokapseln durch Erwärmen einer Öl-in-Wasser-Emulsion, in der die Monomere, ein Radikalstarter und die Latentwärmespeichermaterialien als disperse Phase vorliegen, erhältlich sind.
Schallabsorbierende Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokapseln durch Polymerisation der Monomeren, die mit dem Radikalstarter und den Latentwärmespeichermaterialien als disperse Phase mit einem anorganischen Schutzkolloid einer Öl-in-Wasser-Emulsion vorliegen, erhältlich sind.
Schallabsorbierende Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass man als Zuschlag Split mit einer Korngröße von 0,5–10 mm einsetzt.
Verwendung der schallabsorbierenden Formkörper gemäß den Ansprüchen 1 bis 8 zur Errichtung von tragendem oder nichttragendem Mauerwerk und/oder als auf Oberflächen angebrachten Bauelementen.