DE102011001539A1

DE102011001539A1 - Verbundwerkstoff

Info

Publication number: DE102011001539A1
Application number: DE201110001539
Authority: DE
Inventors: Karsten Volkmann; Dr. Wienhold Uwe
Original assignee: Meyer Rohr and Schacht GmbH
Current assignee: MEYER-POLYCRETE GMBH, DE
Priority date: 2011-03-24
Filing date: 2011-03-24
Publication date: 2012-09-27

Abstract

Ein Verbundwerkstoff bestehend aus Füllstoffen, insbesondere Quarz und/oder Silikaten und/oder Pflanzenfasern, einem Bindemittel und einem Härter wird im Hinblick auf gesundheitliche Verträglichkeit dadurch verbessert, dass das Bindemittel aus Pflanzenöl oder Naturharz besteht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff bestehend aus Füllstoffen, insbesondere aus Quarz und/oder Silikaten und/oder Pflanzenfasern, einem Bindemittel und einem Härter.
Verbundwerkstoffe, bei denen ein Füllstoff mit einem organischen Bindemittel durch ein zugehöriges Härtersystem vernetzt wird, sind als Polymerbetone bereits bekannt. Polymerbeton (Mineralguss) ist ein Werkstoff, der aus trockenen Füllstoffen und Reaktionsharzen als Bindemittel hergestellt wird. Hierbei erfüllen die Reaktionsharze (Polyester, Epoxide, Methacrylate, Phenole, Furane, Vinylester) die gleichen Aufgaben wie der Zement beim herkömmlichen Beton. Als Füllstoffe dienen rieselfähige, trockene mineralische Stoffe, zum Beispiel Quarzsande in verschiedenen Körnungen, Granitsplit, Korund, Quarzmehl, Aluminiumtrihydrat, Kalziumcarbonat, Marmor und Schlackenkörnung sowie spezielle leichte Stoffe, wie Perlit, Blähton und ähnliche. Die fertige Mischung wird in Formen gefüllt und dort durch Vibration verdichtet. Diese bekannten Werkstoffe haben eine hohe Festigkeit, chemische Beständigkeit und lange Lebensdauer und haben daher innerhalb der vergangenen sechzig Jahre eine weite Verbreitung gefunden, insbesondere auf dem Gebiet der Bauteile für Entwässerungs- und Abwasserleitungen, sowie für die Abwasserbehandlungsbauteile.
Üblicherweise werden zur Herstellung der Polymerbetone Bindemittel auf petrochemischer Basis verwendet. Diese Bindemittel, zum Beispiel ungesättigte Polyester, Methacrylsäureester, gehören jedoch zu den Gefahrstoffen, deren Dämpfe die Augen sowie die Atemwege reizen und zu Lungenödemen führen können.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Verbundwerkstoff der eingangs genannten Art anzugeben, der im Hinblick auf Gefahren für die Gesundheit verbessert ist.
Die Erfindung löst diese Aufgabe bei dem eingangs genannten Verbundwerkstoff dadurch, dass das Bindemittel aus Pflanzenöl oder Naturharz besteht. Solche nativen Bindemittel sind gesundheitlich unbedenklich. Pflanzenöle sind aus Ölpflanzen gewonnene Fette und fette Öle, vorwiegend Fettsäureglycidester, sogenannte Triglyceride. Naturharze bestehen hauptsächlich aus verschiedenen Harzsäuren, welche zur Gruppe Terpene gehören.
Sowohl die Pflanzenöle als auch die Naturharze können in ihrem natürlichen Zustand jedoch selten die hohen Anforderungen an einen Verbundwerkstoff erfüllen. Daher besteht in vielen Fällen die Notwendigkeit, die nativen Bindemittel zu modifizieren. Die Pflanzenöle und die Naturharze besitzen verschiedene funktionelle Gruppen, wie zum Beispiel Doppelbindungen, Säuregruppen und Estergruppen, die zur Derivatisierung geeignet sind. Diese Modifizierungsreaktionen sind allgemein bekannt und in der Fachliteratur vielfältig beschrieben. Durch geeignete Umsetzungen/Funktionalisierungen der nativen Bindemittel können Acrylate, Polyole, Epoxidharze oder Polyester erhalten werden, die für den erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff geeignet sind.
Als Bindemittel eignen sich besonders handelsübliche Pflanzenöle wie Rapsöl oder Leinöl oder Sojaöl oder Drachenkopf oder Tallöl oder Gemische der genannten Öle. Besonders gut geeignet sind Pflanzenöle mit besonders hoher Jodzahl, z. B. Leinöl oder Drachenkopföl. Am besten bewähren sich dreifach ungesättigte Fettsäuren.
Für die Härtung modifizierter Polyole wird ein Zusatz von Isocyanaten oder Polyisocyanaten empfohlen. Für die Härtung nativer Epoxidharze wird ein Zusatz von Anhydriden oder Polyanhydriden empfohlen. Für die Härtung von Polyester wird ein Zusatz von Polyolen empfohlen. Native Acrylate oder native ungesättigte Polyester werden vorzugsweise radikalisch polymerisiert.
Vorzugsweise wird auch die jeweilige Härterkomponente auf der Basis von nativen Bindemitteln hergestellt.
Eine besonders geeignete Zusammensetzung für den erfindungsgemäßen Werkstoff erhält man mit einem Gewichtsanteil der Füllstoffe zwischen 75% und 95%, einem Gewichtsanteil des Pflanzenöls oder Naturharzes zwischen 3% und 18% und einem Gewichtsanteil des Härters zwischen 2% und 15%.
Eine geeignete Korngrößenverteilung der Füllstoffe erhält man, wenn das Quarzmehl einen Gewichtsanteil von 10% bis 20%, der Sand eine Körnung von 0 mm bis 2 mm und einen Gewichtsanteil von 20% bis 30%, der Kies in einer Körnung von 2 mm bis 8 mm einen Gewichtsanteil von 30% bis 40% sowie grober Kies mit einer Körnung von 8 mm bis 16 mm einen Gewichtsanteil von 20% bis 40% aufweist.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes der oben beschriebenen Art ist durch die folgenden Verfahrensschritte gekennzeichnet:

– Ein Bindemittel aus Pflanzenöl oder Naturharz wird mit einem eine feine Körnung aufweisenden Anteil der Füllstoffe, insbesondere mit Quarzmehl gemischt und intensiv verrührt;
– der Mischung wird ein Härter zugegeben und die so erhaltene Masse intensiv homogenisiert;
– der homogenisierten Masse werden weitere, gröbere Körnungen aufweisende Anteile der Füllstoffe, insbesondere Sande und Kiese, zugegegeben und zu einer fertigen Reaktionsmasse vermischt.

In einer Abwandlung des Verfahrens kann der Härter mit einem Katalysator vermischt werden, bevor er der das Bindemittel enthaltenen Mischung zugegeben wird. Der Katalysator beschleunigt die Wirkung des Härters und damit die Erstarrung des Verbundwerkstoffes.
Der so erhaltene Verbundwerkstoff ist ca. 25 Minuten bis 40 Minuten verarbeitbar und hat eine Topfzeit von weniger als einer Stunde. Innerhalb der angegebenen Zeitspanne kann der Verbundwerkstoff in eine Form gegossen werden, um geformte Gegenstände, beispielsweise Rohre zu erhalten. Nach dem Erstarren des Verbundwerkstoffs wird die Form entfernt.
Das Verfahren kann noch durch einen Verfahrensschritt ergänzt werden, bei dem der Verbundwerkstoff nach dem Aushärten einer Wärmebehandlung unterzogen wird. Hierdurch werden die Biege- und Druckeigenschaften sowie die chemische Stabilität des Werkstoffs verbessert.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend im Detail beschrieben.
Um die für das erfindungsgemäße Bindemittel erforderlichen Triglyceride aus natürlichem Pflanzenöl zu erhalten, kann beispielsweise rohes Rapsöl durch Zugabe von Wasser und Phosphorsäure entschleimt werden, wobei Schleimstoffe (Phosphorverbindungen) entfernt werden. Durch weitere Zugabe von Natronlauge wird das Rapsöl entsäuert (neutralisiert) wobei Seifenstock (freie Fettsäuren, Farbstoffe, Schwermetalle) entfernt werden. Eine Entfärbung des Rapsöls wird durch Zugabe aktivierter Bleicherde erreicht, wobei beladene Bleicherde (Chlorophylle, Karotine) entfernt werden. Das so erhaltene teilraffinierte Rapsöl wird mittels Wasserdampf gedämpft und desodoriert, wobei Brüden (leichtflüchtige Oxidationsprodukte, Tocopherole) entweichen. Als Endprodukt erhält man vollraffiniertes Rapsöl.
Die für die Erfindung ebenfalls vorgesehenen Terpene kann man aus Baumharzen durch Reinigung gewinnen.
Die für die Erfindung benötigten chemischen Modifizierungen der Pflanzenöle beziehungsweise Terpene werden in bekannten und standardisierten Prozessen beim Pflanzenölhersteller beziehungsweise Baumharzhersteller durchgeführt und gehören zum Stand der Technik. Die chemisch modifizierten Naturharze, nämlich Acrylate oder Polyole oder Epoxidharze oder Polyester sind übliche Handelsprodukte.
Falls erforderlich oder gewünscht, wird der Härter mit einem geeigneten Katalysator gemischt, bevor er im Herstellungsverfahren zugegeben wird. Als Katalysator wird Polyol-Phosphat verwendet.
Das nachfolgend beschriebene Herstellungsverfahren läuft bei Raumtemperatur ab. Alle zugegebenen Stoffe haben Raumtemperatur.
A1: In einem ersten Ausführungsbeispiel wird ein Reaktivgemisch I aus den als Härtem dienenden synthetischen Anhydriden HHMCA (Methylcyclohexandicarbonsäureanhydrid), CDA (Cyclohexandicarbonsäureanhydrid), TMSA (Maleinsäureanhydrid) und BDA (Benzophenontetracarbonsäuredianhydrid) hergestellt, wobei im Reaktivgemisch 10,026 kg HHMCA, 0,026 kg CDA, 0,017 kg TMSA und 0,017 kg BDA enthalten sind.
B1: Des Weiteren wird im ersten Ausführungsbeispiel in einem Rührwerk als Bindemittel 0,129 kg Epoxid aus Drachenkopföl oder Tallöl oder Leinöl oder Sojaöl oder Rapsöl und als erster Füllstoff 0,162 kg Quarzmehl intensiv miteinander vermischt.
C1: Danach wird das Reaktivgemisch I zugegeben und die so erhaltene Mischung durch intensives Rühren homogenisiert.
A2: In einem zweiten Ausführungsbeispiel besteht ein Reaktivgemisch II aus den Härtern HHMCA und CDA sowie dem Katalysator Polyol-Phosphat, wobei 0,029 kg HHMCA, 0,029 kg CDA und 0,015 kg Polyol-Phosphat enthalten sind.
B2: Des Weiteren wird im zweiten Ausführungsbeispiel in einem Rührwerk als Bindemittel 0,144 kg Epoxid aus Drachenkopföl oder Tallöl oder Leinöl oder Sojaöl oder Rapsöl und als erster Füllstoff 0,162 kg Quarzmehl intensiv miteinander vermischt.
C2: Danach wird das Reaktivgemisch II zugegeben und die so erhaltene Mischung durch intensives Rühren homogenisiert.
D: In beiden Ausführungsbeispielen werden als weitere Füllstoffe 0,558 kg Sand mit einer Korngröße bis 2 mm und 0,852 kg Kies mit einer Körnung zwischen 2 mm und 8 mm zugegeben und alles intensiv verrührt.
E: Anschließend wird der erhaltene Verbundwerkstoff in die gewünschte Form gebracht, insbesondere gegossen. Die Fließfähigkeit bleibt für 25–40 Minuten erhalten. Beispielsweise kann mit dem so erhaltenen Verbundwerkstoff ein Abwasserrohr gegossen werden. Nach dem Aushärten ist der Verbundwerkstoff erstarrt und die Form kann entfernt werden.
F: Als weiterer Verfahrensschritt kann nach dem Aushärten des Verbundwerkstoffs eine Wärmebehandlung vorgenommen werden, vorzugsweise bei 110°C. Hierdurch werden die Biege- und Druckeigenschaften sowie die chemische Stabilität des Verbundwerkstoffs verbessert.

Claims

Verbundwerkstoff bestehend aus Füllstoffen, insbesondere aus Quarz und/oder Silikaten und/oder Pflanzenfasern, einem Bindemittel und einem Härter, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel aus Pflanzenöl oder Naturharz besteht.
Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel aus chemisch modifiziertem Pflanzenöl oder chemisch modifiziertem Naturharz besteht.
Verbundwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Bindemittel Rapsöl oder Leinöl oder Sojaöl oder Drachenkopf oder Tallöl oder ein Gemisch der genannten Öle enthaften ist.
Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel ein Pflanzenöl mit hoher Jodzahl enthält.
Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel ein Pflanzenöl mit einem hohen Anteil an ungesättigten Fettsäuren enthält.
Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Bindemittel Triglyceride aus Pflanzenöl oder Terpene aus Naturharz, vorzugsweise aus Kolophonium, zu Acrylaten oder Polyolen oder Epoxidharzen oder Polyestern modifiziert sind.
Verbundwerkstoff nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass modifizierte Polyole durch einen Zusatz von Isocyanaten oder Polyisocyanaten gehärtet sind.
Verbundwerkstoff nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass native Epoxidharze durch einen Zusatz von Anhydriden oder Polyanhydriden gehärtet sind.
Verbundwerkstoff nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Polyester durch einen Zusatz von Polyolen gehärtet sind.
Verbundwerkstoff nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass native Acrylate oder native ungesättigte Polyester radikalisch polymerisiert sind.
Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Härterkomponente auf der Basis von nativen Bindemitteln hergestellt ist.
Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewichtsanteil der Füllstoffe zwischen 75% und 95%, der Gewichtsanteil des Pflanzenöls oder Naturharzes zwischen 3% und 18% und der Gewichtsanteil des Härters zwischen 2% und 15% beträgt.
Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllstoffe Quarzmehl mit einem Gewichtsanteil von 10% bis 20%, Sand mit einer Körnung von 0 mm bis 2 mm und einem Gewichtsanteil von 20% bis 30%, Kies mit einer Körnung von 2 mm bis 8 mm und einem Gewichtsanteil von 30% bis 40% sowie Kies mit einer Körnung von 8 mm bis 16 mm und einem Gewichtsanteil von 20% bis 40% umfassen.
Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: a) Ein Bindemittel aus Pflanzenöl oder Naturharz wird mit einem eine feine Körnung aufweisenden Anteil der Füllstoffe, insbesondere mit Quarzmehl, durch intensives Rühren vermischt; b) der Mischung wird ein Härter zugegeben und die so erhaltene Masse intensiv homogenisiert; c) der homogenisierten Masse werden weitere, gröbere Körnungen aufweisende Anteile der Füllstoffe, insbesondere Sande und Kiese, zugegeben und zu einer fertigen Reaktionsmasse vermischt.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Härter mit einem Katalysator vermischt wird, bevor er der das Bindemittel enthaltenden Mischung zugegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff nach dem Aushärten einer Wärmebehandlung unterzogen wird.