DE102004046495A1

DE102004046495A1 - Aerogel-enthaltener Brandschutzwerkstoff

Info

Publication number: DE102004046495A1
Application number: DE200410046495
Authority: DE
Inventors: Lorenz Prof. Ratke; Sabine Dr. Brueck; Jochen Krampe
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2004-09-23
Filing date: 2004-09-23
Publication date: 2006-04-06
Anticipated expiration: 2024-09-24
Also published as: DE102004046495B4

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verbundwerkstoff, der hydrophobe Aerogelpartikel, anorganisches Bindemittel und ein Dispergiermittel enthält, sowie ein Verfahren zur Herstellung dieses Verbundwerkstoffs.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verbundwerkstoff, der hydrophobe Aerogelpartikel, anorganisches Bindemittel und ein Dispergiermittel enthält sowie ein Verfahren zur Herstellung dieses Verbundwerkstoffs.

Beim Bau von Gebäuden aller Art werden im Innen- und Außenbau im weitesten Sinne keramische Materialien eingesetzt, Sande aller Art, die durch keramische Binder gebunden werden (beispielsweise Portlandzement, Gips). Beispiele sind Ziegel (poröse Ziegel, Hohllochziegel, Ziegel mit Dämmstofffüllung), Kalksandsteine, Bimssteine, Porenbeton, EPS-Beton. Die Bauwerkstoffe müssen unterschiedlichsten Anforderungen in der Praxis genügen: Tragfähigkeit, vor allem Druckbelastung, Wärmeschutz, Schutz vor Feuchtigkeit bei gleichzeitiger guter Klimatisierung des Gebäudes, Brandschutz usw. Die eingesetzten Werkstoffe müssen wirtschaftlich hergestellt werden und leicht auf Baustellen zu verarbeiten sein. Bausteine aus diesen Werkstoffen sollten am besten mit konventionellen Bindern (Mörtel) zusammengefügt werden können und eine ausreichende Haftfestigkeit für Putze aller Art bieten. Die zunehmenden Forderungen nach Materialien mit hoher Wärmedämmung hat beispielsweise zur Entwicklung von sehr leichtem Porenbeton geführt, aber auch zur Entwicklung von Styropor gefülltem Beton (EPS-Beton).

Mit den so genannten Leichtbauwerkstoffen können spezifische Dichten von 400 bis 800 kg/m3 erzielt werden und Wärmeleitfähigkeiten mit Werten von 0,1 bis 0,4 W/Km.

Es sind bereits einige Verbundwerkstoffe aus keramischen Bindern und hydrophoben Aerogelen bekannt. Üblicherweise werden deshalb hydrophobe Aerogelpartikel für diese Verbundwerkstoffe verwendet, da der resultierende Verbundwerkstoff eine geringe Feuchtigkeitsaufnahme aufweist. Bei den bisher bekannten Herstellungsverfahren dieser Verbundwerkstoffe muss das Bindemittel in ausreichender Menge zuerst in wässrige Lösung oder Dispersion gebracht werden, um eine breiartige Masse zu erhalten. Erst in diese breiartige Masse kann dann das hydrophobe Aerogel eingerührt werden. Das hydrophobe Aerogel kann bei den bisher bekannten Verfahren deshalb nicht zuerst in Wasser dispergiert werden, da aufgrund der geringen Dichte und der Hydrophobizität des hydrophoben Aerogels dieses auf dem Wasser aufschwimmt und deshalb nicht direkt in Wasser dispergiert werden kann.

Ein weiterer Nachteil des Standes der Technik ist es, dass das hydrophobe Aerogel nicht als Dispersion bei der Herstellung der Verbundwerkstoffe eingesetzt werden kann, sondern als leichtes, feinteiliges Granulat eingesetzt werden muss. Dies kann gerade auf beispielsweise Baustellen oder auch bei der Herstellung von Bauteilen aus dem Verbundwerkstoff von erheblichem Nachteil sein.

DE 44 41 567 A1 beschreibt ein Verbundmaterial, das Aerogelpartikel und mindestens ein anorganisches Bindemittel enthält. Das Verbundmaterial enthält kein Dispergiermittel. Die Aerogelpartikel können in dem beschriebenen Verfahren nur zeitgleich mit dem anorganischen Bindemittel oder nach dem Bindemittel in die wässrige Lösung gegeben werden. Mit einem Aufschwimmen der hydrophoben sehr leichten Aerogelpartikel muss bei dem beschriebenen Verfahren gerechnet werden.

DE 38 14 968 A1 beschreibt einen Dämmstoff, der aus den zwei Bestandteilen Silicaaerogelpartikel und Bindemittel besteht. Der beschriebene Dämmstoff weist eine nur geringe Druckfestigkeit auf.

DE 196 00 606 A1 beschreibt einen handelsüblichen Styropor-gefüllten Beton.

EP 0 672 635 A1 beschreibt Formkörper und deren Herstellung aus Silicaaerogelpartikeln mit Bindemittel. Die hydrophoben Areogelpartikel können in dem beschriebenen Verfahren erst nach Eintrag des Bindemittels zugefügt werden.

In der US 6,131,305 A wird das Problem des Aufschwimmens von hydrophoben Aerogelteilchen auf Wasser eindrücklich beschrieben. In der dort beschriebenen Erfindung wird dieser Effekt sogar zum Abscheiden von hydrophoben Aerogelteilchen ausgenutzt.

Viele bisher bekannte Verbundwerkstoffe mit hydrophoben Aerogelpartikeln enthalten organische Bestandteile. Dadurch eignen sich diese per se nicht für den Brandschutz.

Außerdem weisen viele der hydrophobe Aerogelpartikel enthaltenen Verbundwerkstoffe nur geringe Druckfestigkeiten auf, so dass diese nicht für tragende Bauteile im Gebäudebau eingesetzt werden können.

Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist es also, einen Verbundwerkstoff aus anorganischen Bindemitteln und hydrophoben Aerogelpartikeln bereitzustellen, in dem diese Aerogelpartikel ohne organische Hilfs- und Zusatzstoffe so fein dispergiert sind, dass der resultierende Verbundwerkstoff für den Brandschutz und gleichzeitig für tragende Elemente in Bauwerken geeignet ist.

Die vorgenannte Aufgabe wird in einer ersten Ausführungsform gelöst durch einen Verbundwerkstoff enthaltend

a) 50 bis 80 Gew. % hydrophobe Aerogelpartikel,
b) 10 bis 40 Gew. % anorganisches Bindemittel, und
c) 5 bis 15 Gew. % anorganisches, hydrophiles Dispergiermittel

mit einer Dichte in einem Bereich von 0,1 bis 2 g/cm³, das zu 70 bis 100 Gew. % aus SiO₂ besteht,
wobei mindestens 80 % der hydrophoben Aerogelpartikel nicht in direktem Kontakt mit dem anorganischen Bindemittel stehen.

Das anorganische Dispergiermittel liegt vorzugsweise in Pulverform vor, ist unreaktiv und mit Fluor dotiert.

Das Dispergiermittel ist vorzugsweise nicht transparent beziehungsweise undurchsichtig, da es dann in Produktionsprozessen leichter visuell wahrgenommen und somit besser dosiert werden kann.

Das erfindungsgemäß eingesetzte Dispergiermittel fungiert praktisch auch Sedimentationsbremse für die hydrophoben Aerogelpartikel, damit diese nach dem Eintrag in eine wässrige Lösung dispergiert bleiben.

Enthält der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff zu viel anorganisches Bindemittel, nimmt die Wärmeleitfähigkeit so weit zu, dass der Verbundwerkstoff keinen Einsatz als Isolationsmaterial oder Brandschutzwerkstoff finden kann. Enthält der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff hingegen zu viel hydrophobe Aerogelpartikel so nimmt die Festigkeit des Werkstoffes soweit ab, dass dieser beispielsweise nicht für tragende Bauteile eingesetzt werden kann.

Da die vorzugsweise verwendeten Silicaaerogele Wärmeleitfähigkeiten im Bereich von 10 bis 20 mW/km haben, übliche Baustoffe aber in der Regel Wärmeleitfähigkeiten im Bereich von mehr als 1 W/km, reduzieren sich die Wärmeleitfähigkeiten entsprechend dem Anteil an Aerogel, so dass Baustoffe entstehen, die praktisch in die Klasse der Dämmstoffe fallen.

Da Silicaaerogele vorzugsweise aus reinem Quarzglas bestehen, erfüllen die Verbundwerkstoffe die Brandschutzbestimmungen, sofern der Basiswerkstoff diese erfüllt.

Durch den Einsatz des Dispergiermittels kann unter anderem die Viskosität des Wassers honigzäh eingestellt. Die Viskosität liegt dann also in einem Bereich > 5000 cps. Wird das hydrophobe Aerogel nun in diese wässrige Lösung des Dispergiermittels gegeben, umschließt das erfindungsgemäße Dispergiermittel dabei das hydrophobe Aerogel und befindet sich somit in direktem Kontakt mit diesem hydrophoben Aerogel. Durch diesen Effekt lässt sich das ansonsten hydrophobe und dadurch aufschwimmende Aerogel leicht in Wasser dispergieren.

Das erfindungsgemäße Dispergiermittel ermöglicht also eine Benetzung der hydrophoben Aerogelpartikel mit Wasser, ist aber an sich nicht reaktiv. Im Gegensatz hierzu müssen Bindemittel gesehen werden, die von Natur aus reaktiv sind. Sie binden ab zu festen Werkstoffen. Als Dispergiermittel ist also Kieselsäure wegen ihrer Reaktivität nicht geeignet. Auch überwiegend organische Materialien, insbesondere organische Tenside kommen als erfindungsgemäßes Dispergiermittel nicht in Betracht, da schon aus Brandschutzgründen jegliche organischen Rückstände im resultierenden Verbundwerkstoff vermieden werden müssen.

Das Dispergiermittel zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass es mit Wasser praktisch bei Inkontaktbringen ein Gel bildet, zumindest aber innerhalb von 100 s, bevorzugt innerhalb von 10 s ein Gel bildet.

Das Dispergiermittel wird als hydrophil bezeichnet, da es einen statischen Kontaktwinkel gegen Wasser von weniger als 10 ° aufweist. Durch die Hydrophilie lässt sich das Dispergiermittel leicht in wässrige Lösung einbringen.

Das hydrophobe Aerogel weist mindestens einen statischen Kontaktwinkel gegen Wasser von 120°, bevorzugt von mindestens 150°, auf.

Vorteilhafterweise ist das Bindemittel Zement, Gips, Kalk, Lehm, Wasserglas und/oder Ton.

Der Verbundwerkstoff weist vorzugsweise eine Dichte in einem Bereich von 0,7 bis 1,4 g/cm³ auf. Dadurch qualifiziert er sich als Leichtbaustoff und kann als solcher im Gebäudebau eingesetzt werden.

Vorteilhafterweise entzündet sich der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff bei einer Einwirkung von einer Temperatur von 1000 °C nicht innerhalb von 90 min. Dadurch erfüllt er die in Deutschland gültige Brandschutznorm F90 Brandschutzklasse und kann als Werkstoff im Brandschutz eingesetzt werden.

Der Verbundwerkstoff weist vorzugsweise eine Druckfestigkeit in einem Bereich von 10 bis 40 MPa, besonders bevorzugt in einem Bereich von 15 bis 25 MPa, gemäß DIN 1048 bzw. DIN 12390-2 auf. Dadurch kann der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff Einsatz in tragenden Bauteilen im Gebäudebau finden. Durch diese hohe Festigkeit sind resultierende Bauteile für den Gebäudebau auch beispielsweise in der Lage, Dübeln genügend Halt zu geben. Dies ist bei Styropor-gefülltem Beton nicht der Fall.

Die Körnung der im Verbundwerkstoff enthaltenen hydrophoben Aerogelpartikel liegt vorteilhafterweise zwischen 0,1 und 5 mm. Die Körnung der hydrophoben Aerogelpartikel ist dadurch gerade groß genug, um die entsprechende Wärmedämmeigenschaft zu verleihen und klein genug, damit der resultierende Verbundwerkstoff genügend Druckfestigkeit aufweist.

Das Dispergiermittel enthält vorzugsweise etwa 5 bis 15 Gew. %, besonders bevorzugt etwa 10 Gew. %, Ammoniumfluorid. Dies wird beim Dispergiermittel also nicht nur katalytisch eingesetzt, sondern in so ausreichender Menge, dass es spätestens beim Trocknen des Verbundwerkstoffs ausfällt. Der Vorteil des Einsatzes von Ammoniumfluorid war für den Fachmann überraschend, da Ammoniumfluorid bei der Herstellung von Silica-Gelen bislang eher mit Nachteilen wie der geringen Stabilität und Festigkeit und der fehlenden Transparenz der Erzeugnisse in Verbindung gebracht wurde.

Der Verbundwerkstoff weist bevorzugt ein Dispergiermittel mit einer mittleren Teilchengröße in einem Bereich von 100 bis 1000 nm, besonders bevorzugt in einem Bereich von 200 bis 500 nm auf. Das im Verbundwerkstoff enthaltene Dispergiermittel weist weiterhin vorzugsweise eine mittlere Porengröße in einem Bereich von 0,5 bis 3 μm, insbesondere in einem Bereich von 1 bis 2 μm auf. Insbesondere die großen Poren führen dazu, dass die verdampfende Flüssigkeit aus dem Gelnetzwerk statt, wie bei üblichen Porengrößen im Bereich von ungefähr 1 MPa auf das Netzwerk auszuüben, nur Spannungen im Bereich von 1 kPa ausübt, dem das Netzwerk offensichtlich widerstehen kann.

Hydrophil im Sinne der Erfindung bedeutet, dass die Oberfläche eine statischen Kontaktwinkel gegenüber Wasser in Luft von weniger als 10° aufweist.

In einer weiteren Ausführungsform wird die vorgenannte Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es die folgenden Schritte umfasst:

a) Vermengen eines hydrophilen Dispergiermittels in Wasser in einer Menge zur Einstellung einer Viskosität von mehr als 5000 cps,
b) Einrühren von hydrophobem Aerogelgranulat und Homogenisierung der Dispersion,
c) Zufügen eines Bindemittels, und
d) Trocknen und Abbinden des Bindemittels.

Die Schritte sollten vorzugsweise für optimale Produkteigenschaften zeitlich voneinander getrennt und in der genannten Reihenfolge ausgeführt werden, da eine innige Vermengung und gleichmäßige Dispergierung der Aerogelpartikel nur so gewährleistet werden kann.
Bevorzugt wird jeder einzelne der Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einer Temperatur in einem Bereich von 10°C bis 45 °C, besonders bevorzugt bei Raumtemperatur, durchgeführt. Dadurch ergibt sich im Vergleich zu den bekannten Verfahren ein Vorteil, da bei diesen oftmals ein Wärmebehandlungsschrift zum Härten oder Trocknen oder zum Ausreagieren der Bindemittel notwendig ist.
Vorteilhafterweise ist Schritt a) abgeschlossen, bevor die übrigen Schritte durchgeführt werden. Dadurch kann eine gleichmäßigere Dispersion des hydrophoben Aerogels erreicht werden.
Dadurch, dass beim erfindungsgemäßen Verfahren das hydrophobe Aerogelgranulat in das Wasser eingerührt werden kann, bevor das Bindemittel zugegeben werden muss, kann bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs oder von Bauteilen, die aus dem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff bestehen, das hydrophobe Aerogel in Form einer Dispersion als Ausgangsmaterial eingesetzt werden. Dies hat zum einen den Vorteil, dass die bislang nicht zu unterschätzende Staubbelastung durch den direkten Einsatz von hydrophoben Aerogel bei frisch zuzubereitenden Verbundwerkstoffen, beispielsweise auf Baustellen; ausgeschlossen wird. Weiterhin lässt sich eine Dispersion bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffe wesentlich leichter dosieren und transportieren als das hydrophobe Aerogelgranulat. Dies ist vor allem beim hochautomatisiertem Fertigungsprozessen von Fertigbauteilen vorteilhaft, da das hydrophobe Aerogel auf diese Weise beispielsweise in Rohen transportiert werden kann und leichter von volumenabhängigen Dosiersystemen verarbeitet werden kann.

Claims

Verbundwerkstoff enthaltend a) 50 bis 80 Gew. % hydrophobe Aerogelpartikel, b) 10 bis 40 Gew. % anorganisches Bindemittel, und c) 5 bis 15 Gew. % anorganisches, hydrophiles Dispergiermittel mit einer Dichte in einem Bereich von 0,1 bis 2 g/cm³, das zu 70 bis 100 Gew. % aus SiO₂ besteht, wobei mindestens 80 % der hydrophoben Aerogelpartikel nicht in direktem Kontakt mit dem anorganischen Bindemittel stehen.
Verbundwerkstoff nach Ansprüche 1 dadurch gekennzeichnet, dass dieser eine Dichte in einem Bereich von 0,7 bis 1,4 g/cm³ aufweist.
Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet, dass dieser eine Druckfestigkeit in einem Bereich von 10 bis 40 MPa, insbesondere 15 bis 25 MPa, aufweist.
Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Körnung der hydrophoben Aerogelpartikel zwischen 0,1 und 5 mm liegt.
Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel Zement, Gips, Kalk, Lehm, Wasserglas und/oder Ton ist.
Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass das Dispergiermittel eine mittlere Teilchengröße in einem Bereich von 100 bis 1000 nm, insbesondere in einem Bereich von 200 bis 500 nm, aufweist.
Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass das Dispergiermittel eine mittlere Porengröße in einem Bereich von 0,5 bis 3 μm, insbesondere in einem Bereich von 1 bis 2 μm, aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst: a) Vermengen eines hydrophilen Dispergiermittels in Wasser in einer Menge zur Einstellung einer Viskosität von mehr als 5000 cps, b) Einrühren von hydrophobem Aerogelgranulat und Homogenisierung der Dispersion, c) Zufügen eines Bindemittels, und d) Trocknen und Abbinden des Bindemittels.
Verfahren nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass jeder einzelne der Schritte bei einer Temperatur in einem Bereich von 10 °C bis 45 °C, insbesondere bei Raumtemperatur, durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass Schritt a) abgeschlossen ist, bevor die übrigen Schritte durchgeführt werden.