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Gegenstand
der Erfindung ist ein Verbundwerkstoff, der hydrophobe Aerogelpartikel,
anorganisches Bindemittel und ein Dispergiermittel enthält sowie
ein Verfahren zur Herstellung dieses Verbundwerkstoffs.
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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).
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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.
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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.
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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.
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DE 4437424 A1 beschreibt
einen Aerogelverbundwerkstoff ohne Ammoniakfluorid.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Viele
bisher bekannte Verbundwerkstoffe mit hydrophoben Aerogelpartikeln
enthalten organische Bestandteile. Dadurch eignen sich diese per
se nicht für
den Brandschutz.
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Außerdem weisen
viele der hydrophobe Aerogelpartikel enthaltenen Verbundwerkstoffe
nur geringe Druckfestigkeiten auf, so dass diese nicht für tragende
Bauteile im Gebäudebau
eingesetzt werden können.
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Die
der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist es also,
einen Verbundwerkstoff aus anorganischen Bindemitteln und hydrophoben Aerogelpartikeln
bereitzustellen, in dem diese Aerogelpartikel so fein dispergiert
sind, dass der resultierende Verbundwerkstoff für den Brandschutz und gleichzeitig
für tragende
Elemente in Bauwerken geeignet ist.
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Die
vorgenannte Aufgabe wird in einer ersten Ausführungsform gelöst durch
einen Verbundwerkstoff umfassend hydrophobe Aerogelpartikel und
anorganisches Bindemittel, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff
- a) 50 bis 80 Gew.-% hydrophobe Aerogelpartikel,
- b) 10 bis 40 Gew.-% anorganisches abgebundenes Bindemittel,
und
- c) 5 bis 15 Gew.-% anorganisches, hydrophiles Dispergiermittel
umfasst,
wobei das Dispergiermittel eine Dichte in einem Bereich
von 0,1 bis 2 g/cm3 aufweist und auf einer Menge
an Ammoniumfluorid in einem Bereich von 5 bis 15 Gew.-% und SiO2 in einer Menge von wenigstens 70 Gew.-%
basiert,
wobei
- d) mindestens 80% der Aerogelpartikel nicht in direktem Kontakt
mit dem Bindemittel stehen.
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Das
anorganische Dispergiermittel liegt vorzugsweise in Pulverform vor,
ist unreaktiv und mit Fluor dotiert.
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Das
Dispergiermittel ist vorzugsweise nicht transparent beziehungsweise
undurchsichtig, da es dann in Produktionsprozessen leichter visuell
wahrgenommen und somit besser dosiert werden kann.
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Das
erfindungsgemäß eingesetzte
Dispergiermittel fungiert praktisch auch als Sedimentationsbremse
für die
hydrophoben Aerogelpartikel, damit diese nach dem Eintrag in eine
wässrige
Lösung
dispergiert bleiben.
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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.
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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.
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Da
Silicaaerogele vorzugsweise aus reinem Quarzglas bestehen, erfüllen die
Verbundwerkstoffe die Brandschutzbestimmungen, sofern der Basiswerkstoff
diese erfüllt.
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Durch
den Einsatz des Dispergiermittels kann unter anderem die Viskosität des Wassers
honigzäh
eingestellt werden. 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.
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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.
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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.
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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.
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Das
hydrophobe Aerogel weist mindestens einen statischen Kontaktwinkel
gegen Wasser von 120°,
bevorzugt von mindestens 150°,
auf.
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Vorteilhafterweise
ist das Bindemittel Zement, Gips, Kalk, Lehm, Wasserglas und/oder
Ton.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Das
Dispergiermittel enthält
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.
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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.
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Hydrophil
im Sinne der Erfindung bedeutet, dass die Oberfläche eine statischen Kontaktwinkel gegenüber Wasser
in Luft von weniger als 10° aufweist.
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In
einer weiteren Ausführungsform
wird die vorgenannte Aufgabe gelöst
durch ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes nach
einem der Ansprüche
1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst:
- a) Vermengen des hydrophilen Dispergiermittels mit
Wasser zur Einstellung einer Viskosität von mehr als 5000 cps,
- b) Einrühren
von hydrophobem Aerogelgranulat und Homogenisieren der Dispersion,
- c) Zufügen
eines anorganischen Bindemittels, und
- d) Trocknen und Abbinden des Bindemittels.
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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.
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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.
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Vorteilhafterweise
ist Schritt a) abgeschlossen, bevor die übrigen Schritte durchgeführt werden. Dadurch
kann eine gleichmäßigere Dispersion
des hydrophoben Aerogels erreicht werden.
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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.