DE10220310C1

DE10220310C1 - Verfahren zur Herstellung von wärmedämmenden Verbundwerkstoffformteilen

Info

Publication number: DE10220310C1
Application number: DE10220310A
Authority: DE
Inventors: Eberhard Kuenzel; Barbara Leydolph; Christian Kaps; Anja Buchwald; Juergen Volk; Detlef Kropp; Michael Foerster
Original assignee: ROMONTA CERALITH GmbH; Institut fuer Fertigteiltechnik und Fertigbau Weimar eV
Current assignee: ROMONTA CERALITH GmbH; Institut fuer Fertigteiltechnik und Fertigbau Weimar eV
Priority date: 2002-05-07
Filing date: 2002-05-07
Publication date: 2003-08-21
Anticipated expiration: 2022-05-08

Abstract

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Leichtbaustoff aus alumosilikatischgebundenem hochporösem Leichtzuschlag auf Getreide und/oder Leguminosenbasis, vorzugsweise zur Verwendung als Leichtbaustein bzw. Leichtbauelement, seine Zusammensetzung und seine Herstellung. DOLLAR A Durch die Bindung mit alumosilikatischen Polymerbindern ist es gegenüber anderen herkömmlichen, anorganischen Bindemitteln möglich, die Struktur der hochporösen, organischen Granulate auf Getreide- und/oder Leguminosenbasis zu erhalten und zu einem stabilen Verbundwerkstoff zu formen. Durch Vermischen von 10 bis 50 Vol.-% alumosilikatischem Polymerbinder mit 50 bis 90 Vol.-% Granulat, erhält man Leichtbaustoffe mit Rohdichten zwischen 0,4 und 1,0 g/cm·3·, die als Wärmedämmmaterial und als konstruktiver Leichtbaustoff eingesetzt werden können.

Description

Die Erfindung gehört in das Gebiet der Baustoffe und ist vorzugsweise anzuwenden im Hochbau. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Leichtbaustoffes aus alumosilikatisch gebun denem organischen Leichtzuschlag auf Getreide- und/oder Leguminosenbasis.

Im Sinne einer ressourcenschonenden, nachhaltigen Produktion ist der Einsatz von natürlichen, biopolymeren Rohstoffen in verschiedenen Industriezweigen interessant. Pflanzliche Rohstoffe besitzen eine positive CO₂-Bilanz. Während ihrer Vegetation speriode wandeln sie das Kohlendioxid der Luft zu Sauerstoff um und tragen so zur Eingrenzung des Treibhauseffektes bei. Pflanzliche Rohstoffe sind bedarfsabhängig produzierbar und gehören nicht zu den endlichen Ressourcen. Darüber hinaus erge ben sich durch ihre technische Nutzung neue Einkommensmöglichkeiten und Ab satzzweige für die Landwirtschaft.

Auf dem Gebiet der Baumaterialien haben insbesondere im Bereich der Dämmmate rialen neue Produkte auf der Basis biopolymerer Rohstoffe einen festen Marktanteil. Im wesentlichen sind es Werkstoffe, die aus pflanzlichen Fasern (z. B. Cellulose, Hanf, Flachs, Holz, Baumwolle, Seegras) und tierischen (Schafwolle) Fasern herge stellt. Im Bereich der biogenen Schüttdämmstoffe dominieren Produkte wie Cellulo seflocken und Kork. Relativ neu ist eine Produktfamilie, die auf der Basis von Getrei de oder Leguminosen gefertigt wird. Dabei handelt es sich um ein extrudiertes Gra nulat, dessen Funktionalität auf seiner Porosität beruht. Hochporöse Granulate auf Getreide- und Leguminosenbasis zeichnen sich neben der nachhaltigen Rohstoffba sis vor allem durch eine geringe Rohdichte und damit hohen Wärmedämmung aus.

Ein Beispiel für die Granulate aus Getreide- und Leguminosen wird in DE 43 21 627 C2 (EP 0 623 101 B1) "Verfahren zur Herstellung von Extrudaten aus nachwachsen den Rohstoffen" aufgezeigt. Festigkeit, Rohdichte und Wärmeleitfähigkeit sind durch Zusammensetzung und Herstellungsprozeß in einem weiten Bereich variabel, wie es die Produktfamilie Ceralith®, die auf Basis dieses Patentes entwickelt wurde, auf weist. Diese Granulate werden derzeit ausschließlich als ungebundener Dämmstoff in Form von losen Schüttungen eingesetzt.

Aufgrund der günstigen bauphysikalischen Eigenschaften und dem gegenüber anor ganischen Granulaten geringem Energieaufwand bei der Herstellung, ist die Ver wendung solcher Granulate für Leichtbausteine bzw. Leichtbauelement unterschied licher geometrischer Abmessung wünschenswert.

Geeignete Bindermechanismen zur Herstellung von Verbundwerkstoffen unter Ver wendung dieser Granulate sind noch nicht entwickelt worden. Durchgeführte Versu che zur Bindung der Granulate auf Getreide- und Leguminosenbasis mit herkömmli chen anorganischen Bindemitteln wie Zement, Gips und Lehm fielen negativ aus. Die Granulate besitzen eine hohe Wasseraffinität, die zu einer Zerstörung der Korn struktur führte.

Im Patent DE 195 17 905 A1 "Verfahren zur Herstellung einer Stoffgemisch-Masse, die ökologisch verträglich ist, zur Ausformung von Gegenständen wie Blumen- und Saattöpfe, Pflanzplatten, Gärschalen, Verpackungsformkörper, Dämmplatten sowie Floristikmaterial" wird eine geschäumte Masse aus Roggenmahlprodukten und Zu sätzen aus zerkleinerten Pflanzenteilen, Holzspänen, Kalke, Tone, Lehme, Kieselgur, Wasserglas beschrieben. Bei diesem Material bildet die geschäumte Roggenemulsi on das Bindemittel für die Zusätze bzw. Zuschläge. Die Zuschläge, wie fasrige Pflan zenteile und Holzspäne, werden zur Erhöhung der Biegezugfestigkeit eingesetzt. Granulate auf der Basis von Getreide und Leguminosen können mit derartigen was serhaltigen Roggenemulsionen nicht gebunden werden, da die Granulate eine hohe Wasseraffinität besitzen, welche zur Zerstörung führen würde. Ebenfalls wird keine ausreichende Festigkeit und Feuerbeständigkeit erreicht.

Es werden geeignete anorganische Bindersysteme für Granulate auf der Basis von Getreide und Leguminosen gesucht, mit denen eine Anwendung als geformter, wär medämmender Verbundwerkstoff in Form von Steinen, Platten und anderen Form teilen mit erhöhter Feuerresistenz und guter Schalldämmung möglich wird.

Unerwartet konnte die Bindung der Granulate auf Getreide- und Leguminosenbasis mit alumosilikatischen Polymerbindern sogenannten Geopolymeren erzielt werden. Die Struktur der organischen Zuschläge bleibt erhalten, so dass ein stabiler Leicht baustoff entsteht.

Bei den Geopolymeren handelt es sich um reaktionsfähige Oxidmischungen - zu meist Metakaolin - die in wässrig alkalischem Medium durch Kondensation zu stabi len anorganischen Netzwerken erhärten.

Alumosilikatische Polymerbinder (Geopolymere) besitzen bemerkenswerte Eigen schaften, wie hohe Festigkeitswerte, kein Kriech- und Schwindverhalten, hohe Tem peraturwechselbeständigkeit, Beständigkeit gegen Säuren, Frostbeständigkeit, Mi krobenresistenz und variable Formgebungsmöglichkeit.

Erste Patente zu mineralischen Polymerbindern selbst, zusammengefasst unter dem Begriff Geopolymere, sind Mitte der 70iger Jahre eingereicht worden (z. B. EP 0 153097 B1, EP 0 026687 B1, WO 82/00816 A1, WO 83/030093, WO 85/03699).

Die Möglichkeit Metakaolin durch preiswertere Komponenten wie aktivierten Tonen zu ersetzen, wurde in Unter suchungen nachgewiesen [1] und die Ergebnisse in [2] und [3] veröffentlicht. Durch die Firma HT Troplast AG wurde 1999 das Patent DE 100 11 757 A1 zum Einsatz von thermisch aktivierten Tonen für Geopolymerbinder angemeldet.

In Patent DE 196 44 696 A1 wird die Bindung von toxischbelasteten Holzabfällen in Geopolymerbinder mit dem Ziel der unschädlichen Einbindung der toxischen Stoffe beschrieben.

Patente zur Bindung hochporöser Granulate auf Getreide- und Leguminosenbasis wie es z. B. Ceralith® darstellt, mit alumosilikatischem Polymerbinder sind nicht be kannt.

Erfindungsgemäß wird ein Leichtbaustoff aus alumosilikatischem Polymerbinder und Zuschlägen aus extrudierten Granulaten auf Getreide- und/oder Leguminosenbasis hergestellt.

Als reaktive alumosilikatische Verbindungen sind nachfolgende Stoffversätze rele vant:
Härterkomponente: wässrige Lösung aus Alkalihydroxid sowie Alkaliwasser glas und/oder Alkalikarbonat
Feststoffkomponente: Gemisch reaktionsfähiger alumosilikatischer Feststoffe.

Die Verfestigung alumosilikatischer Polymerbinder basiert auf der Entstehung anor ganischer, dreidimensionaler Netzwerke aus SiO₄- und AlO₄-Tetraedern, die durch Kondensationsreaktion gebildet werden. Die Erhärtung läuft bei Umgebungstempe ratur ab, kann aber auch durch Wärmebehandlung beschleunigt werden. Die Aus gangskomponenten (Feststoff und alkalisch-silikatische Aktivierungslösung) bilden in der Kondensationsreaktion sehr beständige Alumo-Silikate, die biologisch unbedenk lich (ungiftig, keine Emissionen, keine schädlichen Fasern, keine Radioaktivität)) und umweltverträglich (keine Verunreinigung von Luft, Wasser, Boden) sind. Natürliche Alumo-Silikate sind beispielsweise zu mehr als 50% in den Mineralien der Erdkruste vorhanden.

Durch die Verwendung alumosilikatischer Polymerbinder wird der Kontakt der Gra nulate mit Wasser während der Herstellung minimiert, so dass die Eigenschaften der Granalien erhalten bleiben. Über eine Variation der Granalienzusammensetzung, dem Zuschlaganteil und dem Bindemittelanteil, sowie durch Variation der Eigen schaften des Bindemittels selbst, wird eine breite Eigenschaftspalette des Verbund werkstoffes erreicht. Desweiteren kann der Verbundwerkstoff durch die Inkorporation mit Fasern modifiziert werden, um verbesserte Biegezugfestigkeiten zu erzielen. Die Herstellung des Leichtbaustoffes aus alumosilikatischem Polymerbinder und Zu schlägen aus extrudierten Granulaten auf Getreide- und/oder Leguminosenbasis er folgt durch Mischung der Feststoff und Härterkomponente bis die Homogenität der Masse erreicht worden ist und nachfolgendes Beimengen der Granulate. Die Form gebung erfolgt durch Einfüllen in Formen und Vibrationsverdichtung.

Ausführungsbeispiele Beispiel 1 Leichtbaustoff mit dichtem Gefüge und hohem Binderanteil

Es handelt sich um einen Formling mit einem dichten Gefüge und einem hohen Bin deranteil, der eine Rohdichte von 0,95 g/cm³ und eine Druckfestigkeit von 2,6 N/mm² aufweist. Die Herstellung erfolgte durch Mischen von separat gemischten Binder und Granulat in folgender Zusammensetzung:

- 1 Volumenteil Granulat auf Roggenbasis, definierter Korngröße, Rohdichte Wär meleitfähigkeit, wie es z. B. Ceralith® darstellt
- 1 Volumenteil Binder (48% Metakaolin, 10% NaOH, 43% Wasser)

Anschließend wurden die Formlinge 8 h bei 35°C ausgehärtet.

Beispiel 2 Leichtbaustoff mit dichtem Gefüge und geringem Binderanteil

Es handelt sich um Formlinge mit einem dichten Gefüge und einem geringen Binder anteil, die eine Rohdichte von 0,95 g/cm³ und eine Druckfestigkeit von 6,0 N/mm² aufweisen. Die Herstellung erfolgte durch Mischen von separat gemischten Binder und Granulat in folgender Zusammensetzung:

- 7 Volumenteile Granulat auf Roggenbasis, definierter Korngröße, Rohdichte Wärmeleitfähigkeit, wie es z. B. Ceralith® darstellt
- 3 Volumenteile Binder (47% Metakaolin, 25% Natronwasserglaslösung, 5% NaOH, 23% Wasser),

Anschließend wurden die Formlinge 8 h bei 35°C ausgehärtet.

Beispiel 3 Leichtbaustoff mit haufwerksporigem Gefüge und geringem Binder anteil

Es handelt sich um Formlinge mit einem haufwerksporigen Gefüge und einem gerin gen Binderanteil, die eine Rohdichte von 0,4 g/cm³ und eine Druckfestigkeit von 0,3 N/mm² aufweisen. Die Herstellung erfolgte durch Besprühen der Granulat mit dem flüssigen Binder in folgender Zusammensetzung:

- 9 Volumenteile Granulat auf Roggenbasis, definierter Korngröße, Rohdichte Wärmeleitfähigkeit, wie es z. B. Ceralith® darstellt
- 1 Volumenteil Binder (40% Metakaolin, 21% Natronwasserglaslösung, 4% NaOH, 34% Wasser)

Anschließend wurde die Masse in Formen gefüllt und die Formlinge 2 h bei 60°C ausgehärtet.

Beispiel 4 Leichtbaustoff mit porosierter Bindemittelmatrix

Es handelt sich um einen Leichtbaustoff mit einer porosierten Bindemittelmatrix. Die Formlinge besitzen eine Rohdichte von 0,6 g/cm³ und eine Druckfestigkeit von 0,9 N/mm². Die Herstellung erfolgte durch Mischen von separat gemischten Binder und Granulat. Das Bindemittel ist mit einem Schäumungsmittel porosiert. Folgende Zusammensetzung wurde hergestellt:

- 3 Volumenteile Granulat auf Roggenbasis, definierter Korngröße, Rohdichte Wärmeleitfähigkeit, wie es z. B. Ceralith® darstellt,
- 2 Volumenteile porosierter Binder (47% Metakaolin, 25% Natronwasserglaslö sung, 5% NaOH, 23% Wasser), 30 Vol-% Mikroporenanteil im Binder durch Schaumporosierung,

Anschließend wurden die Formlinge 8 h bei 35°C ausgehärtet.

Beispiel 5 Leichtbaustoff mit haufwerksporigem Gefüge und geringem Binder anteil

Es handelt sich um Formlinge mit einem haufwerksporigen Gefüge und einem gerin gen Binderanteil, die eine Rohdichte von 0,4 g/cm³ und eine Druckfestigkeit von 0,4 N/mm² aufweisen. Die Herstellung erfolgte durch Besprühen der Granulat mit dem flüssigen Binder in folgender Zusammensetzung:

- 9 Volumenteile Granulat auf Leguminosenbasis, definierter Korngröße, Rohdichte Wärmeleitfähigkeit, ähnlich dem Ceralith®
- 1 Volumenteil Binder (45% Metakaolin, 21% Natronwasserglaslösung, 4% NaOH, 29% Wasser)

Literatur

[1] H. Hohmann, Ch. Kaps: Aktivierungszustände von Tonen in Relation zu Geopolymer- Reaktionen Projekt-Nr. 1997-WF-6064 Fördermittelgeber Thüringer Ministerium für Wirtschaft und Infrastruktur (Projektlaufzeit 1.1.1998-30.03.1999, Abschlußbericht am 30.07.1999)
[2] Ch. Kaps und M. Hohmann: Mineralische Polymerbinder aus hydrothermal gebranntem Ton Tagungsbeitrag der 14. Ibausil (20.-23.09.2000) S. 1-0415 bis 1-0424
[3] Ch. Kaps, M. Hohmann und H. Hohmann: Ein mineralisch gebundener Leichtbau-Werkstoff. In: Materials Science and Restoration, Tagungsbeitrag auf der MRS V (30.11.-1.12.1999); S. 1593-1602; 1999

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von wärmedämmenden Verbundwerkstoffformteilen aus einem Geopolymer und einem hochporösen Granulat auf Getreide- und/oder Leguminosenbasis, bei dem
50 bis 90% des Granulates in einer Korngröße von 1 bis 8 mm
mit 50 bis 10 Vol.-% des Geopolymers, bestehend aus
einem Gemisch reaktionsfähiger alumosilikatischer Feststoffe und einem
alkalischen Härter in Form einer wässrigen Lösung aus Alkalihydroxid sowie Alkaliwasserglas und/oder Alkalikarbonat
miteinander vermischt werden, daraus Formkörper geformt werden und die Form körper 1 bis 10 Stunden im Temperaturbereich 20 bis 60°C ausgehärtet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch metallisches Aluminium oder andere geeignete Additive im Geopolymer derart porosiert wird, dass dieses einen Porenanteil von bis zu 50 Vol.-% aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Granulate mit dem Geopolymer besprüht werden.