CH637907A5 - Alkalibestaendige, synthetische mineralfasern. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft alkalibeständig, synthetische Mineralfasern.

Zementhaltige Produkte, wie Betonprodukte, die als Grundmaterial Portlandzement oder andere Zementarten oder Mischungen von Zement und anderen Bindemitteln enthalten, besitzen eine grosse Druckfestigkeit aber nur eine kleine Zugfestigkeit.

Es ist bekannt, dass die Zugfestigkeit zementartiger oder -haltiger Produkte erhöht werden kann, indem man zur Verstärkung Fasern beifügt. Asbestfasern haben daher eine weite Verbreitung als Verstärkungsmaterial für Zementprodukte gefunden, die für die Verwendung im Baugewerbe bestimmt sind.

Bedauerlicherweise stellt jedoch die Verwendung von Asbestfasern ernsthafte gesundheitliche Probleme. Aus diesem Grund wurde die Verwendung von Asbestfasern in verschiedenen Ländern verboten und es ist zu erwarten, dass sie auch noch in anderen Ländern verboten werden.

Es wurden mehrere Versuche unternommen, die Asbestfasern zementhaltiger Produkte durch synthetische Mineralfasern zu ersetzen, wobei beispielsweise Steinwoll-, Schlak-ken- und Glasfasern verwendet wurden.

Zementprodukte, die durch derartige synthetische Mineralfasern verstärkt sind, haben jedoch nicht völlig befriedigende Festigkeitseigenschaften. Dies ist deshalb der Fall, weil die Mineralfasern gegen die Einwirkungen alkalischer Komponenten der Zement-Matrix keine ausreichende Resistenz aufweisen, die eine teilweise oder ganze Zersetzung der Fasern verhindern könnte.

Gemäss der deutschen Patentanmeldung 1 796 213 wurde versucht, die Alkali-Beständigkeit von Glasfasern zu erhöhen, indem diese mit Methylsiloxan überzogen wurden. Die Ausgangsmaterialien für die Glasfasern wurden derart gewählt, dass die hergestellten Fasern die nachstehende Zusammensetzung aufwiesen:

Si02

ai2o3

Fe0+Fe203

CaO

MgO

Na20+K20 Ti02 Zr02 ZnO

Gewichtsprozent 35-47 5-18 2-15 2-23 1-30 bis zu 4

bis zu 10 und entweder bis zu 10 oder bis zu 5

20

wobei der Anteil des CaO und MgO zusammen 14 bis 38 Gewichtsprozent beträgt.

Die Erfindung beruht nun auf eingehenden Untersuchungen des Einflusses der verschiedenen Oxide auf die Zug-25 festigkeit und Alkali-Beständigkeit der Fasern, die aus Mischungen solcher Oxide hergestellt werden. Bei diesen Untersuchungen wurde festgestellt, dass abgesehen von der Zugfestigkeit und Alkali-Beständigkeit der Fasern noch ein weiterer Faktor, nämlich die Schmelz-Viskosität, berücksichtigt 30 werden muss, damit die Fasern für die wirtschaftliche Herstellung geeignet sind. Es wurde auch erkannt, dass Mischungen mit einem grossen Anteil alkalischer Komponenten keine Schmelzen bilden, deren Viskosität für die Faser-Produktion geeignet ist.

35 Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine hohe Zugfestigkeit aufweisende, alkalibeständige, synthetische Mineralfasern zu schaffen, die aus Schmelzen herstellbar sind, die eine befriedigende Viskosität haben. Durch umfassende Versuche und Computer-Berechnungen wurde fest-40 gestellt, dass diese Aufgabe durch Mineralfasern der einleitend genannten Art gelöst wird, wobei diese Fasern erfin-dungsgemäss durch die Merkmale des Anspruches 1 gekennzeichnet sind.

Schmelzen, deren Zusammensetzung deijenigen der er-45 findungsgemässen Fasern entspricht, haben bei einer Temperatur von ungefähr 1500 °C eine Viskosität von etwa 5 Poise. Dies ist eine völlig befriedigende Viskosität. Wie es nämlich bekannt ist, sollte die Schmelz-Viskosität für die Faser-Herstellung in der Grösse von etwa 5 bis 10 Poise bei so 1500 °C liegen.

Die Alkali-Beständigkeit der erfindungsgemässen Fasern wurde mittels des beschleunigten Alkali-Beständigkeit-Testverfahrens bestimmt, das in der Publikation «Glass Fibre Reinforcement of Cement Products» von A. J. Majumdar 55 und J.F. Ryder, in Glass Technology, Vol. 8, Nr. 3, Juni 1968, beschrieben ist.

Die gemessene Festigkeit und Alkali-Beständigkeit sind für verschiedene Ausführungsbeispiele erfindungsgemässer Fasern in einer nachfolgenden Tabelle angegeben.

6o Die Erfindung betrifft ferner ein faserverstärktes, zementhaltiges Produkt. Dieses ist erfindungsgemäss durch die Merkmale des Anspruches 2 gekennzeichnet.

Bei der Verwendung der erfindungsgemässen, synthetischen Mineralfasern für die Verstärkung zementhaltiger 65 oder -artiger Produkte, wie Produkte auf der Basis von Portlandzement, Kalziumsilikat oder ähnlichen alkalischen Bindern, beträgt der mittlere Durchmesser der Fasern vorzugsweise 3 bis 15 (im. Wenn der mittlere Durchmesser kleiner

3

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als 3 um ist, verursacht die alkalische Komponente der Matrix eine übermässig grosse Reduktion der Festigkeit. Anderseits sollten Fasern mit einem mittleren Durchmesser von mehr als 15 um vorteilhafterweise nicht verwendet werden, weil die Festigkeitserhöhung pro Querschnittsflächeneinheit eines faserverstärkten Produktes mit zunehmendem Faserdurchmesser abnimmt.

Die Erfindung wird nun anhand von Beispielen für die Herstellung synthetischer Mineralfasern mit verschiedenen Zusammensetzungen erläutert.

Es wurden synthetische Mineralfasern aus den folgenden Ausgangsmaterialien hergestellt: Diabas, Kalk, Magnesit, Korund, Titandioxid und Quarz. Die gemischten Ausgangsmaterialien wurden in einem Schmelztiegel geschmolzen und die so erhaltene Schmelze wurde mit einer Kaskaden-Spinn-vorrichtung in Fasern umgewandelt.

Die Ausgangsmaterialien wurden dabei in solchen Mengen gemischt, dass die Zusammensetzungen der Fasern in den folgenden Bereichen liegen.:

Gewichtsprozent

5 Si02 42-50

A1203 8-13

Eisenoxide (als FeO berechnet) 6-11

CaO 4-11

MgO 17-22

10 Ti02 0,5-3

R20 0,5-3,5 wobei R ein Alkalimetall ist.

Die genauen Zusammensetzungen der hergestellten, syn-15 thetischen Mineralfasern und einige ihrer Eigenschaften sind in der nachfolgenden Tabelle zusammengestellt.

Tabelle Fasertyp

Ro L HS1 HS2 HS3 FS1 FS2 FS3 FS4 FS5 FS6

Zusammensetzung

Si02 (Gew.-%)

47,0

47,0

46,5

47,5

43,5

48,0

48,5

48,0

48,5

48,5

49,0

A120 (Gew.-%)

13,5

9,0

10,0

12,0

12,5

11,5

11,5

11,5

12,5

9,5

9,5

Eisenoxide (Gew.-%)

(als FeO berechnet)

8,0

9,0

7,5

8,5

8,5

8,0

6,0

7,0

7,5

6,5

6,5

CaO (Gew.-%)

15,5

9,5

9,5

8,0

11,0

7,5

6,5

7,0

8,5

9,0

8,5

MgO (Gew.-%)

10,0

22,0

19,0

17,0

19,5

19,5

20,5

20,5

17,0

20,0

19,5

Ti02 (Gew.-%)

2,5

2,0

2,0

1,5

1,0

1,5

2,0

1,5

2,0

2,0

2,0

R20 (Gew.-%)

3,5

1,5

2,5

3,0

3,0

3,0

3,0

3,0

3,0

2,5

2,5

Eigenschaften

Festigkeit (MPa)

900

1141

860

1128

701

866

766

768

598

587

539

Alkali

beständigkeit (%)

25

67

73

56

47

95

70

94

76

84

95

Azidität

1,39

1,06

1,17

1,33

1,10

1,26

1,30

1,26

1,36

1,21

1,25

In der obersten Zeile der Tabelle sind die untersuchten Fasertypen bezeichnet. Bei den mit Ro bezeichneten Fasern handelt es sich um nicht-erfindungsgemässe, vorbekannte Steinwoll-Fasern. Bei den übrigen Fasern, die mit L, HS1, HS2, HS3, FS1, FS2, FS3, FS4, FS5, FS6 bezeichnet sind, handelt es sich dagegen um erfindungsgemässe Fasern.

Zu den angegebenen Eigenschaften sei daraufhingewiesen, dass unter der Festigkeit die Zugfestigkeit zu verstehen ist.

Die Alkalibeständigkeit wurde gemäss dem in der Beschreibungseinleitung angegebenen, beschleunigten Testverfahren gemessen.

Die Azidität, die ein Mass für die Viskosität der Schmelze gibt, wurde als Verhältnis der sauren zu den basischen Komponenten der Mischung der Ausgangsmaterialien berechnet.

40 Aus der Tabelle ist ersichtlich, dass die erfindungsgemässen Mineralfasern ähnliche Festigkeitseigenschaften aufweisen, wie die vorbekannten Steinwollefasern, die mit Ro bezeichnet sind. Hingegen ist die Alkalibeständigkeit der erfindungsgemässen Fasern beträchtlich höher als diejenige 45 der Steinwollfasern und liegt für alle Ausführungsbeispiele über 40%. Ferner sei daraufhingewiesen, dass die Azidität, die die Viskosität der Schmelze widerspiegelt, aus der die Fasern hergestellt werden, für alla erfindungsgemässen Fasern innerhalb des als zweckmässig erachteten Bereiches von 1,05 so bis 1,50 liegt. Die Azidität hat also ohne weiteres annehmbare Werte, so dass die Fasern problemlos in wirtschaftlicher Weise aus der Schmelze herstellbar sind.

Im übrigen haben die mittels der Kaskaden-Spinnvor-richtung hergestellten Fasern vorzugsweise einen durch-55 schnittlichen, d. h. mittleren Durchmesser von 3 bis 15 um.

s

Claims (4)

1. 637 907
2. 2. Faserverstärktes, zementhaltiges Produkt, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Verstärkung verwendeten, alkalibeständigen, synthetischen Mineralfasern die folgende Zusammensetzung aufweisen:

   Si02

   ai2o3

   Eisenoxide (als FeO berechnet)

   CaO

   MgO

   Ti02

   r2o wobei r ein Alkalimetall ist.

   Gewichtsprozent 42-50 8-13 6-11 . 4-11 17-22 0,5-3 0,5-3,5

   2

   PATENTANSPRÜCHE 1. Alkalibeständige, synthetische Mineralfasern, dadurch gekennzeichnet, dass sie die folgenden Zusammensetzungen aufweisen:

   Gewichtsprozent

   Si02

   ai2o3

   Eisenoxide (als FeO berechnet)

   CaO

   MgO

   Ti02

   r2o wobei r ein Alkalimetall ist.

   42-50 8-13 6-11 4-11 17-22 0,5-3 0,5-3,5
3. 3. Produkt nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mineralfasern einen mittleren Durchmesser von 3 bis 15 um haben.
4. 4. Produkt nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zementhaltige Matrix aus Portlandzement besteht.