DE102014003104A1

DE102014003104A1 - Alkali-Alumosilikat-Schaum- oder -Blähmassen oder -körper sowie Verfahren zu deren Herstellung und deren Verwendung

Info

Publication number: DE102014003104A1
Application number: DE102014003104.7A
Authority: DE
Inventors: Melanie Künstle
Original assignee: CERAMIX AG
Current assignee: CERAMIX AG
Priority date: 2013-06-06
Filing date: 2014-03-11
Publication date: 2014-12-11
Also published as: DE102014003103A1

Abstract

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Schaum- oder Blähmassen oder -körpern aus einer Rohstoffmischung mit einem Feststoff mit Alumosilikaten, welche nach alkalischer Aktivierung polymere Strukturen und/oder Raumnetze ausbilden und dadurch aushärten, wobei die alkalische Aktivierung des Feststoffs bei der Herstellung der aushärtbaren Rohstoffmischung zunächst eingeleitet wird, indem der Alumosilikate aufweisende Feststoff zusammen mit wenigstens einem alkalischen Aktivator vermischt und gut homogenisiert wird, wobei jedoch vor der vollständigen Aushärtung der Geopolymer-Matrix ein Blähvorgang stattfindet; ferner auf eine nach diesem Verfahren hergestellte Schaum- oder Blähmasse oder einen danach hergestellten Schaum- oder Blähkörper, welche(r) ein Porenvolumen von vorzugsweise 30 Vol.-% oder mehr aufweist, sowie schließlich auf die Verwendung einer solchen Schaum- oder Blähmasse oder solcher Schaum- oder Blähkörper zur Herstellung beliebiger Bauprodukte und/oder Bauelemente wie bspw. Platten oder Steine.

Description

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Schaum- oder Blähmassen oder -körpern aus einer Rohstoffmischung mit einem Feststoff mit Alumosilikaten, welche nach alkalischer Aktivierung polymere Strukturen und/oder Raumnetze ausbilden und dadurch aushärten; ferner auf eine nach diesem Verfahren hergestellte Schaum- oder Blähmasse oder danach hergestellte Schaum- oder Blähkörper; sowie schließlich auf die Verwendung einer solchen Schaum- oder Blähmasse oder solcher Schaum- oder Blähkörper.
Geopolymere sind Materialien, die in einem mehrstufigen Prozess künstlich aus überwiegend anorganischen Rohstoffen hergestellt werden. Sie ähneln in ihren Eigenschaften stark natürlich vorkommenden Gesteinen. Daher rührt der Begriff der Geopolymere. Aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften und ihrer umweltfreundlichen Herstellung stellen Geopolymere eine interessante Alternative zu üblichen Baustoffen dar. Da sich Geopolymere u. a. aus thermisch aktivierten Abfallstoffen/Sekundärrohstoffen herstellen lassen und zur Ausbildung ihrer keramischen Struktur kein Brand notwendig ist (kalt-erhärtend), sind Geopolymere insbesondere im Hinblick auf eine ressourcenschonende und energiearme Produktion interessant.
Im Vergleich zu anderen Baustoffen besitzen Geopolymere folgende Vorteile:

– Hohe Resistenz gegenüber chemischen, thermischen und biologischen Angriffen;
– niedrige Wärmeleitfähigkeit gegenüber anderen Produkten mit vergleichbarer Stabilität;
– geringe Emission von CO₂ durch eine Aushärtung ohne Brand;
– keine oder nur geringe Schwindung beim Trockenvorgang;
– einfache und schnelle Formgebung;
– Verwendung von Abfallprodukten/Sekundärprodukte z. B. Flugasche, Ziegelmehl und Schmelzkammersand;
– kostengünstige Produktion;
– gießfähige Masse, Aushärtung erfolgt rasch;
– gute Bindeeigenschaften;
– Produkteigenschaften lassen sich durch Zuschlagstoffe beliebig beeinflussen.

Geopolymerbinder oder alumosilikatische Polymerbinder bestehen aus miteinander verbundenen [SiO₄]- und [AlO₄]-Tetraedern, wobei die Si- und Al-Atome nicht direkt, sondern stets über O-Atome indirekt miteinander verbunden sind. Da in der Viererkoordination eines [AlO₄]-Tetraeders das Al³⁺-Ion eine negative Ladung bewirkt, müssen zusätzlich positive Ionen vorhanden sein, beispielsweise Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Ba²⁺, NH₄ ⁺, H₃O⁺. Bevorzugt werden einwertige Kationen wie K⁺ oder Na⁺ eingebaut. Demnach lautet eine empirische Formel eines Geopolymers oder alumosilikatischen Polymers: M_n[-(Si-O₂)_z-Al-O₂-]_nwH₂O.
Dabei ist M ein Kation wie K⁺ oder Na⁺; n ist der Polymerisationsgrad; z kann die Werte 1, 2 oder 3 annehmen und bestimmt, in welchem Mengenverhältnis die [SiO₄]- und [AlO₄]-Tetraedern zueinander stehen.
Alumosilikatische Polymerbinder oder sogenannte Geopolymere sind anorganische Polymere, die bei hohen pH-Werten durch Polykondensation entstehen. Bei Ihrer Bildung werden Aluminium- und Siliziumoxide alkalisch aktiviert, meist mit Natrium- oder Kaliumhydroxid. Durch die Spaltung der Si-O-Bindungen kann sich eine neue dreidimensionale Struktur ausbilden. Die Stabilität der Geopolymere ist stark von den Molverhältnissen von Silizium- zu Aluminiumionen, der Temperatur während der späteren Aushärtung und der Zusammensetzung der Aktivator-Lösung abhängig. Um das Verhältnis zwischen Aluminium- und Silizium-Ionen zu verbessern, ist es ratsam, eine zusätzliche Siliziumquelle – meist Natriumsilikate (Wasserglas) – zuzugeben. Grundsätzlich besteht ein Geopolymer aus einem Alumosilikat und einer Aktivatorlösung.
Krivenko ^[1] und Davidovits ^[2] bemerkten, dass viele Alumosilikate einer alkalischen Aktivierung unterzogen werden können. Häufig werden natürliche Tone wie z. B. Kaolin, Metakaolin und Abfallprodukte/Sekundärprodukte wie Hochofenschlacke und Flugasche verwendet.
Prinzipiell eignen sich aluminium- und siliziumhaltige Stoffe, aus denen die benötigten Aluminium- und Silizium-Ionen herausgelöst werden können. Natürlich vorkommende, geeignete Rohstoffe sind beispielsweise 1-1-Schicht-Silikate. In vielen anderen natürlichen Stoffen ist ein Herauslösen der benötigten Ionen jedoch häufig aufgrund des kristallinen Charakters der Stoffe nicht möglich. Amorphe Materialien hingegen besitzen strukturbedingt keine gleichmäßige Oberflächenladung und lassen sich deshalb gut mit Säuren oder Basen angreifen, wodurch die benötigten Aluminium- und Silizium-Ionen gelöst werden können. Als Ausgangsstoffe für die Geopolymerisation eignen sich daher amorphe Stoffe gut (z. B. thermisch aktivierte Stoffe wie Flugasche etc.).
Für seine Dissertationsarbeit mit dem Titel „Anorganisch-organische Hybridschäume” aus dem Jahr 2004 hat Andree Barg verschiedene Versuche mit der alkalischen Aktivierung von Metakaolin zur Bildung eines alumosilikatischen Polymerbinders angestellt. Dabei zeigte sich, dass u. a. auch die Umgebungstemperatur einen maßgebenden Einfluss auf die Abbindezeit hat. Dabei wurden 26 g Metakaolin (0,23 mol SiO₂, 0,1 mol Al₂O₃) mit 33 g Wasserglas AOS (0,05 mol K₂O, 0,06 mol Na₂O) und 18 ml Wasser vermischt. Zum einen wurde die Mischung 3 Tage lang bei Raumtemperatur gelagert – wobei sie wohl schließlich aushärtete – und dann bei 80°C für einen Tag nachgetrocknet. Zum anderen wurde dieselbe Mischung 4 Minuten lang in einem Mikrowellenofen aufgeheizt, wobei sie bereits nach insgesamt 2 Minuten aushärtete. Auch hier erfolgte eine Nachtrocknung bei 80°C über zwei Tage hinweg. Dies zeigt, dass trotz Verwendung eines alkalischen Aktivators – hier Wasserglas – die Abbindezeit bei Raumtemperatur vergleichsweise lange ist (mehrere Tage) gegenüber einer – zusätzlichen – thermischen Aktivierung, beispielsweise in einem Mikrowellenofen.
Als alumosilikatische Feststoffkomponente lassen sich beispielsweise folgende Materialien verwenden: Natürliche Alumosilikate, synthetische Alumosilikate, Metakaolin, Hüttensandmehl, Mikrosilika, Trassmehl, Ölschiefer, Flugasche, Holzofenschlacke, aluminiumhaltiger Silikastaub, Puzzolane, Basalt, Tone; Mergel, Andesite, Diatomeenerde, Kieselgur, Zeolithe, Ziegelmehl, Schmelzkammersand oder Mischungen derselben.
Als alkalischer Aktivator lassen sich beispielsweise folgende Materialien verwenden: Natrium-Wasserglas, Kalium-Wasserglas, Lithium-Wasserglas, Ammonium-Wasserglas, Natriumhydroxid, Natronlauge, Kaliumhydroxid, Natriumcarbonat, Kaliumcarbonat, Alkalisulfat, Natriummetasilikat, Kaliummetasilikat, Kalkmilch oder Mischungen derselben. Die betreffenden Materialien liegen bevorzugt in einer wässrigen Lösung oder Suspension vor.
Vor der alkalischen Aktivierung der Polykondensationsreaktion kann die alumosilikatische Feststoffkomponente zu einem Anteil von 20 Gew.-% oder mehr enthalten sein, beispielsweise in einem Anteil von 40 Gew.-% oder mehr, vorzugsweise in einem Anteil von 60 Gew.-% oder mehr, insbesondere in einem Anteil von 70 Gew.-% oder mehr.
Der alkalische Aktivator oder dessen wässrige Lösung oder Suspension, sollte dagegen in einem Anteil von 2 Gew.-% oder mehr enthalten sein, beispielsweise in einem Anteil von 5 Gew.-% oder mehr, vorzugsweise in einem Anteil von 10 Gew.-% oder mehr, insbesondere in einem Anteil von 20 Gew.-% oder mehr. Je größer dieser Anteil ist, umso schneller läuft die Polykondensationsreaktion ab.
Die Erfindung sieht demnach vor, zunächst den Alumosilikate aufweisenden Feststoff zusammen mit wenigstens einer flüssigen Aktivierungs-Komponente zu vermischen und gut zu homogenisieren. Durch Anmischen einer Masse aus einem festen Alumosilikat-Anteil und einem flüssigem, alkalischen Aktivator-Anteil und Homogenisieren dieser Masse wird eine abbindefähige, dünnflüssige bis breiartige Substanz erzeugt und gleichzeitig die Polykondensation der Alkali-Alumosilikatbausteine initiiert. Damit diese Reaktion begünstigt wird, ist eine möglichst homogene Beschaffenheit der abbindefähigen Substanz wichtig. Zu diesem Zweck muss der Mischvorgang wenigstens so lange fortgesetzt werden, bis wenigstens 70% der Oberfläche der festen Komponente(n) mit der (den) flüssigen Komponente(n) benetzt sind, vorzugsweise wenigstens 80% der Oberfläche der festen Komponente(n), insbesondere wenigstens 90% der Oberfläche der festen Komponente(n). Dadurch wird die Bildung von Klumpen vermieden, und die solchermaßen gemischte Substanz hat eine für den weiteren Abbindevorgang ausreichende Homogenität. Der im Hauptanspruch enthaltene Begriff „gut homogenisiert” meint demnach eine Benetzung der festen Komponente(n) durch die flüssige(n) Komponente(n) zu wenigstens 70% der Oberfläche, vorzugsweise zu wenigstens 80% der Oberfläche, insbesondere zu wenigstens 90% der Oberfläche.
Dabei wird die Polykondensation der einzelnen Alkali-Alumosilikatbausteine (Geopolymerbausteine) zu alumosilikatischen Polymerketten gestartet, die Reaktionsgeschwindigkeit kann durch die Zugabe von exotherm reagierenden Stoffen, wie z. B. CaO, MgO, Na₂O und Na₂CO₃ beschleunigt werden. Insbesondere Stoffe die mit Wasser exotherm reagieren und dadurch Energie z. B. in Form von Wärme an die Umgebungen abgeben.
Zudem ist der Massenanteil des Wassers bedeutsam für die spätere Stabilität der Geopolymere. Wasserüberschuss ist kontraproduktiv, die Festigkeit nimmt dadurch stark ab, die Monomerketten/Oligomerketten werden unterbrochen und verhindern eine Verkettung der Polymere. Demgegenüber kann durch einen erhöhten Wasseranteil der Porenanteil innerhalb einer Geopolymer-Matrix deutlich erhöht werden. Grund hierfür ist das Verdampfen des überschüssigen Wassers.
Additive/Zuschlagstoffe mit extrem hohem Wasserbedarf, die in der Lage sind, viel Wasser chemisch und/oder physikalisch einzulagern, können den Wasseranteil innerhalb der Geopolymer-Matrix zusätzlich erhöhen. Dadurch kann die Wassermenge deutlich erhöht werden, ohne dass diese kontraproduktiv bezüglich der Verkettung der einzelnen Monomerketten/Oligomerketten der Geopolymere wirkt. Beispiele für solche Zuschlagstoffe/Additive sind Zeolithe, pyrogene Kieselsäure, Glycerin, Gelatine, Katzenstreu, Vermiculit, Superabsorber, Natriumacrylat, Polyacrylamid, Cellulosen, Stärken, Carboxymethylcellulosen, Polyethylenoxid, Polyethylenglycol, Brandkalk, Kalkmilch, Ligninsulfonat, Polyvinylalkohol und Polycarboxylatether usw.
Nach der Erfindung können hochporöse Geopolymerprodukte hergestellt werden. Zu diesem Zweck wird durch schockartiges Erhitzen und Expandieren von feinversprühten, flüssigen Geopolymertropfen bei Temperaturen von beispielsweise mehr als 150°C, gegebenenfalls von mehr als 400°C, vorzugsweise von mehr als 700°C, insbesondere von mehr als 900°C, oder sogar von mehr als 1000°C, ein Bläh-Geopolymer hergestellt. Dabei dehnt sich das im Geopolymer enthaltene Wasser vorzugsweise durch den Übergang in die Dampfphase aus und bläht dieses extrem auf. Die Korngröße und Schüttdichte werden durch den Blähprozess beeinflusst.
Eine Möglichkeit, ein solches Bläh-Geopolymer herzustellen, wäre z. B. die Verwendung eines Senkrecht- und/oder Drehrohrofens. Durch den temperaturbedingten Druckanstieg im Korninneren kommt es zur Entweichung des Wasserdampfes. Die Geopolymer-Mischung bläht sich auf und bildet im Inneren eine poröse Struktur. Die Oberflächen jedoch bestehen aus einer festen Schale.
Zudem können der Porenanteil und/oder andere Parameter, wie z. B. die Wärmeleitfähigkeit usw. beim Blähprozess durch weitere beigemischte Substanzen, gegebenenfalls Ausbrennstoffe, wie z. B. verschiedene organische und anorganische Stoffe, stark beeinflusst werden. Geeignete Substanzen sind bspw. Zuschlagstoffe wie Mineralfasern, Glasfasern, organische Fasern, Kohlefasern, Cellulosefasern, Graphit, Carbon Nanotubes, Carbon Black, Ruß, Blähgraphit, Kohlenstoffmodifikationen, Sand, Silikatpartikel, Talkum, Kaolin, Kreide, Glimmer, Wollastonit, Baryt, Zeolith, Schiefer, Gesteinsbruch u. -mehl, Glasmehl, Glashohlkugeln, Perlit, Vermiculit, Blähglas, Ton, Keramikbruch u. -mehl, Schichtsilikate, Flammschutzmittel, Metallsulfide, Bornitrit, Farbpigmente, Titanoxid, Eisenoxid, Zinkoxid, Eisen, Mangan, Chrom, Blei, Zink, Molybdän, Nanowhisker, organophile Schichtsilikate, dendrisch Polymere, flüssigkristalline Polymere, Schäumungsmittel, Luftporenbildner, Zugabe von extrem hydrophilen Stoffen, Zugabe von hydrophoben Stoffen, Peroxide, Naphthalin, Polyvinylalkohol, Polyethylenoxid, Metallpulver, Carbidpulver, Ammoniumcarbonat, Kalk, Dolimitpulver, Magnesiumcarbonat, Bims, Tuff, Lavaschaum, Aerogele, Latentwärmespeicher, Glycerin, Porosierungsmittel wie Styropor od. dgl., mit Wasser exotherm reagierende Stoffe wie z. B. Brandkalk zur Unterstützung der Abbindereaktion, etc.
Der in Begriff „Bläh-Geopolymer” meint demnach ein expandiertes Geopolymer, vorzugsweise ein durch schockartiges Erhitzen auf hohe Temperaturen expandiertes Geopolymer.
Eine weitere Möglichkeit hochporöse Geopolymerprodukte herzustellen, ist die Produktion von Geopolymerschäumen. Die Geopolymerschäume werden durch chemische und/oder physikalische Schäumung unter Zuhilfenahme von Schäumungsmitteln und/oder mechanischer Bearbeitung erzeugt. Geeignete Schäumungsmittel sind z. B. Aluminiumpulver, Wasserstoffperoxid, Luftporenbildner und/oder die Zugabe von Tenside wie Natriumlaurylsulfat, Kokosfettsäureamidopropylbetain, Lauraminoxid und N,N-Dimethyldodecylamine N-oxide.
Ebenso ist eine pneumatisch unterstützte Schäumung möglich.
Darüber hinaus wäre eine zusätzliche Erwärmung während des Schäumungsprozesses – gleich wie dieser durchgeführt wird – denkbar. Ziel ist es dabei, eine schnelle Aushärtung der Geopolymer-Matrix zu erreichen, um die fragile Schaumstruktur zu stabilisieren. Zudem könnte durch eine schlagartige Erwärmung die Schäumung durch Ausgasungsprozesse, wie z. B. von Wasserdampf, zusätzlich verstärkt werden.
Ein Trocknungs-, Verdunstungs- und/oder Verdampfungsvorgang sollte also rasch oder gar schockartig ablaufen, damit einerseits der Blähvorgang eintritt und andererseits der Abbindevorgang möglichst gleichmäßig und schnell abläuft, beispielsweise – je nach Reaktionsgeschwindigkeit – innerhalb eines Zeitraums einer Viertelstunde oder weniger, vorzugsweise innerhalb eines Zeitraums 10 Minuten oder weniger, insbesondere innerhalb eines Zeitraums von 5 Minuten oder weniger, oder gar innerhalb eines Zeitraums von 2 Minuten oder weniger. Der Trocknungs-, Verdunstungs- und/oder Verdampfungsvorgang ist im Allgemeinen umso besser, je kürzer dieser Zeitraum ist. Während ein rascher Ablauf sich beispielsweise innerhalb einer Viertelstunde abspielen sollte, kann ein schockartiger Ablauf des Trocknungs-, Verdunstungs-, und/oder Verdampfungsvorgangs noch schneller ablaufen, beispielsweise innerhalb von Minuten, beispielsweise innerhalb von 5 Minuten oder weniger, vorzugsweise innerhalb von 2 Minuten oder weniger, insbesondere innerhalb von 1 Minute oder weniger. Bei einem Verdampfungsvorgang meint dieser Zeitraum die Zeitspanne, bis der Siedepunkt von Wasser (ca. 100°C, wobei zu berücksichtigen ist, dass der Siedepunkt bei Anwesenheit gelöster Stoffe gegenüber dem Wert des reinen Lösungsmittels erhöht ist) vollständig überschritten ist. Bei einem Trocknungs- oder Verdunstungsvorgang kann dabei derjenige Zeitraum umfasst sein, nach welchem die Restfeuchtigkeit unter 20% des ursprünglichen Wertes gesunken ist, beispielsweise unter 10% des ursprünglichen Wertes, insbesondere unter 5% des ursprünglichen Wertes, oder gar unter 2% des ursprünglichen Wertes.
Weitere Vorteile ergeben sich dadurch, dass der Trocknungs-, Verdunstungs- und/oder Verdampfungsvorgang zur Aktivierung des eingeleiteten Aushärtungsvorgangs dem System aufgezwungen wird, vorzugsweise durch einen aufgezwungenen, insbesondere raschen oder schockartigen Temperaturwechsel und/oder durch eine aufgezwungene, insbesondere rasche oder schockartige Trocknung bewirkt wird. Ein schockartiges Erhitzen beispielsweise durch eine Flamme, sehr stark erhitzte Zuschlagstoffe/Additive, extrem heiße Oberfläche, stark erhitzte Form, konfokale Strahlungstrocknung oder mittels Mikrowellen, ein schockartiges Verdunsten beispielsweise durch schockartiges Herabsetzen des Umgebungsdruckes, beispielsweise auf 0,1 bar oder darunter, vorzugsweise auf 0,01 bar oder weniger, insbesondere auf 0,001 bar oder gar auf ein noch geringeres Vakuum, so dass der Siedepunkt herabgesetzt wird. Dies ließe sich zum Beispiel innerhalb einer Vakuumkammer realisieren.
Ferner ist es möglich, das Wasser thermohydraulisch zu entfernen. Hierfür kommen insbesondere die Anwendung von Überdruck und erhöhter Temperatur in Betracht, z. B. durch Pressen der Substanz mittels Extruder. Durch den plötzlichen Übergang von sehr hohen Drücken auf Umgebungsdruck bei Austritt aus dem Extruder erfolgt eine plötzliche Ausdehnung des Stoffgemisches. Es kommt also durch den raschen Temperatur- und Druckabfall zu einem Aufschäumen der Masse. Ebenso finden während der Förderung intensive Scher-, Misch-, Knet- und teilweise auch Entspannungsprozesse statt. Durch Kühlen oder Beheizen der Gehäusesektionen können über die Länge des Extruders unterschiedliche Behandlungszonen (Intensität der Scherung, Verweildauer, Druck- und Temperaturniveau) realisiert werden. Zusätzlich könnte der thermohydraulische Prozess durch Beimengung von Zuschlagstoffen, die einen sogenannten „Popkorneffekt” haben, unterstützt werden. Solche Zuschlagstoffe sind z. B. Stärken aus pflanzlichen Grundstoffen wie Mais oder Kartoffel.
Um den Trocknungsvorgang – gleich wie dieser durchgeführt wird – zu beschleunigen, kann die Oberfläche der angemischten und homogenisierten Masse nach der Einleitung des initialen Aushärtens zunächst vergrößert werden, beispielsweise durch Versprühen oder Zerstäuben der Masse. Aufgrund ihrer großen Oberfläche einerseits und kleinen Abständen innerhalb der Masse bis zu deren Oberfläche andererseits kann die enthaltene Feuchtigkeit leicht zur Oberfläche diffundieren und dort die Masse verlassen oder in dortige, hydrophile Stoffe übertreten, welche anschließend beispielsweise entfernt werden können.
Darüber hinaus ist das resultierende Produkt des Sprühverfahrens ein Granulat und/oder Pulver, das sich für eine (unmittelbare) Weiterverarbeitung besonders eignet (siehe Bläh-Geopolymer).
Ferner ist es möglich, die ausgehärteten oder noch aushärtenden Schaum- oder Blähmassen durch gezielt eingesetzte Additive/Zuschlagstoffe zu hydrophobieren. Hierbei kann die Hydrophobierung anschließend nach dem Aushärtungsprozess stattfinden, wie z. B. durch Tauch- und/oder Sprüh-Verfahren oder direkt bei der Herstellung der gießfähigen Geopolymermasse durch Zugabe eines Hydrophobierungsmittels. Geeignete Hydrophobierungsmittel wären z. B. Harze, Naturharze, Silikone, Silane, Siloxane, Wachse, Paraffine, Öle, Bitumen und etc.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist von besonderer Bedeutung, dass der Bläh- oder Schämungsvorgang erst nach dem Aktivieren des Abbindevorgangs des Alumosilikats, aber noch vor dessen vollständigem Aushärten stattfindet. In diesem teilweise abgebundenen Zustand ist der Bläh- oder Schäumungsvorgang am effektivsten, weil einerseits die Matrix sich bereits in einem plastischen Zustand befindet und also ein Blähvorgang nicht mehr reversibel ist wie zum Beispiel in einem schlammartigen oder gar noch trockenen Zustand, wobei eine Matrix größtenteils noch gar nicht existiert oder noch nicht verfestigt ist und daher aus dem geschäumten Zustand leicht kollabieren könnte; andererseits ist aber das Material noch formbar, im Gegensatz zu dem fertig ausgehärteten Produkt.
Literaturverzeichnis:

[1] P. V. Krivenko, C. Shi, D. Roy, Alkali-Activated Cements and Concerets 1st Ed. Taylor & Francis, New York, NY, 2006
[2] J. Davidovits, Geopolymer Chemistry and Applications 2nd Ed., Institut Geopolymere, St. Quentin France, 2008

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Krivenko [0007]
Davidovits [0007]

Claims

Verfahren zur Herstellung von Schaum- oder Blähmassen oder -körpern aus einer Rohstoffmischung mit einem Feststoff mit Alumosilikaten, welche nach alkalischer Aktivierung polymere Strukturen und/oder Raumnetze ausbilden und dadurch aushärten, dadurch gekennzeichnet, dass die alkalische Aktivierung des Feststoffs bei der Herstellung der aushärtbaren Rohstoffmischung zunächst eingeleitet wird, indem der Alumosilikate aufweisende Feststoff zusammen mit wenigstens einem alkalischen Aktivator vermischt und gut homogenisiert wird, wobei jedoch vor der vollständigen Aushärtung der Geopolymer-Matrix ein Bläh- und/oder Schäumungsvorgang stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaum- oder Blähmasse oder der Schaum- oder Blähkörper ein Porenvolumen von vorzugsweise 30 Vol.-% oder mehr aufweist, beispielsweise ein Porenvolumen von 50 Vol.-% oder mehr, vorzugsweise ein Porenvolumen von 70 Vol.-% oder mehr, insbesondere ein Porenvolumen von 90 Vol.-% oder mehr.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Blähvorgang dadurch hervorgerufen wird, dass wenigstens eine flüssige Komponente in einen gas- oder dampfförmigen Zustand übergeht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Blähvorgang dadurch hervorgerufen wird, dass wenigstens eine für die Reaktion erforderliche Komponente, beispielsweise Wasser, insbesondere flüssiges Wasser, mengenmäßig reduziert wird, vorzugsweise durch physikalische und/oder chemische Verfahren wie beispielsweise Trocknung oder Verdunstung und/oder Überführung in einen anderen Aggregatszustand, insbesondere in Dampf, beispielsweise durch Verdampfung.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Trocknungs-, Verdunstungs- und/oder Verdampfungsvorgang oder der sonstige Wasserentzug rasch oder gar schockartig abläuft, beispielsweise innerhalb eines Zeitraums von 30 Minuten oder weniger, gegebenenfalls innerhalb eines Zeitraums von 20 Minuten oder weniger, vorzugsweise innerhalb eines Zeitraums von 10 Minuten oder weniger, insbesondere innerhalb eines Zeitraums von 5 Minuten oder weniger, oder gar innerhalb eines Zeitraums von 2 Minuten oder weniger, oder sogar innerhalb eines Zeitraums von 1 Minuten oder weniger, oder gar innerhalb eines Zeitraums von wenigen Sekunden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erwärmen oder Brennen der Geopolymer-Rohstoffmischung beispielsweise Trockner, Ofen, Drehrohrofen, extrem heiße Oberflächen, stark erhitzte Formen, offene Flammen, konfokale Strahlungstrocknung und/oder Mikrowellen verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Zuschlagstoffe vor ihrer Zugabe erhitzt werden, um die Erwärmung der Geopolymer-Rohstoffmischung zusätzlich zu unterstützen.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein thermohydraulisches Herstellungsverfahren angewandt wird, insbesondere unter Anwendung von Überdruck bei erhöhter Temperatur und nachgeschaltetem Entspannen, z. B. durch Druckaufbau in einem Extruder unter Erhitzung, wobei beim Austritt aus dem Extruder durch spontanen Druckverlust eine plötzliche Ausdehnung des Stoffgemisches erfolgt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Abbinden der Geopolymer-Mischung mechanisch und/oder pneumatisch aufgeschäumt wird, z. B. durch eine Vorrichtung zur Ausführung eines solchen Verfahrens mittels Druckgradienten, Druckluft, Mischaggregat, Knetvorrichtung und/oder Pumpeneinrichtung.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Unterstützung des Bläheffektes Additive zugesetzt werden, welche einen Bläheffekt bewirken, wie beispielsweise Stärken aus pflanzlichen Grundstoffen wie Mais oder Kartoffel.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Geopolymer-Rohstoffmischung erhitzte Zuschlagstoffe zugegeben werden, welche aufgrund der hohen Temperatur spontane Dampfentwicklung bewirken.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser durch Erhitzen, insbesondere durch Schockerwärmen, in den Aggregatszustand Dampf überführt wird, welches beim Ausgasen die Rohstoffmischung zusätzlich aufbläht.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserbedarf und dadurch der Bläheffekt verstärkt werden durch die Zugabe von hydrophilen Stoffen mit hohem Wasserbedarf, ggf. unter Vorquellen der besagten hydrophilen Stoffe.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass schockartig erwärmt und/oder sprühgetrocknet wird, so dass der Trocknungs- und/oder Verdunstungsvorgang schlagartig einsetzt, bspw. dadurch bewerkstelligt, dass eine möglichst große Oberfläche der Rohstoffmischung einer hohen Temperatur ausgesetzt wird, wobei die Temperatur vorzugsweise 150°C übersteigen sollte.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergrößerung der Oberfläche durch Versprühen der Geopolymermasse bewirkt wird, vorzugsweise mittels einer Zerstäubungsvorrichtung, insbesondere mittels einer Zerstäubungsdüse.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das ausgehärtete Geopolymer zu einem Pulver oder Granulat weiterverarbeitet wird, ggf. gemahlen und/oder gesiebt wird, beispielsweise auf eine Korngröße von 10 mm oder darunter, vorzugsweise auf eine Korngröße von 5 mm oder darunter, insbesondere auf eine Korngröße von 2 mm oder darunter, oder gar auf eine Korngröße von 1 mm oder darunter, gegebenenfalls sogar auf eine Korngröße von 0,5 mm oder darunter, oder sogar auf eine Korngröße von 0,2 mm oder darunter.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das ausgehärtete Geopolymer hydrophobiert wird, beispielsweise durch Zugabe wenigstens eines Hydrophobierungsmittels zu der gießfähigen Geopolymermasse, und/oder durch Sprüh- oder Tauchverfahren nach dem Aushärtungsprozess des Geopolymers.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass als Hydrophobierungsmittel Wachse, Harze, Silikone, Silane und/oder Siloxane verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der flüssigen Geopolymer-Mischung weitere Additive zur Verfahrens- und/oder Produktoptimierung zugemischt werden, beispielsweise Porosierungsmittel wie z. B. Styropor und/oder exotherm mit Wasser reagierende Stoffe wie z. B. Brandkalk und/oder Luftporenbilder wie z. B. Proteinsäuren, Proteine und/oder Schäumungsmittel wie z. B. Aluminiumpulver, Wasserstoffperoxide und/oder Tenside.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Schäumungsprozesses eine zusätzliche Erwärmung erfolgt, um eine möglichst schnelle Aushärtung der Geopolymer-Matrix zu erreichen und dadurch die fragile Schaumstruktur zu stabilisieren, und/oder um durch eine schlagartige Erwärmung die Schäumung durch Ausgasungsprozesse, wie z. B. von Wasserdampf, zusätzlich zu verstärken.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Aushärtungsvorganges die Formgebung entsprechend der gewünschten Form erfolgt.
Schaum- oder Blähmasse oder -körper aus einer Rohstoffmischung mit einem Feststoff mit Alumosilikaten, welche nach alkalischer Aktivierung polymere Strukturen und/oder Raumnetze ausbilden und dadurch aushärten, wobei die alkalische Aktivierung des Feststoffs bei der Herstellung der aushärtbaren Rohstoffmischung zunächst eingeleitet wird, indem der Alumosilikate aufweisende Feststoff zusammen mit wenigstens einem alkalischen Aktivator vermischt und gut homogenisiert wird, wobei jedoch vor der vollständigen Aushärtung der Geopolymer-Matrix ein Bläh- und/oder Schäumungsvorgang stattfindet, so dass die Schaum- oder Blähmasse oder der Schaum- oder Blähkörper ein Porenvolumen von vorzugsweise 30 Vol.-% oder mehr aufweist, beispielsweise ein Porenvolumen von 50 Vol.-% oder mehr, vorzugsweise ein Porenvolumen von 70 Vol.-% oder mehr, insbesondere ein Porenvolumen von 90 Vol.-% oder mehr.
Schaum- oder Blähmasse oder -körper nach Anspruch 22 in Form eines Granulats, Pulvers, einer Schüttung oder beliebig geformter Körper.
Schaum- oder Blähmasse oder -körper nach einem der Ansprüche 22 oder 23 in Form eines feuerfesten und/oder säureresistenten Produkts.
Verwendung einer Schaum- oder Blähmasse oder von Schaum- oder Blähkörpern nach einem der Ansprüche 22 bis 24 zur Herstellung beliebiger Bauprodukte und/oder Bauelemente wie bspw. Platten oder Steine.
Verwendung einer Schaum- oder Blähmasse oder von Schaum- oder Blähkörpern nach einem der Ansprüche 22 bis 24 für die Herstellung von Isolier- oder Dämmstoffkörpern, Dämmstoffformen, Dämmstoffschüttungen, Dämmstoffgranulaten, und/oder Dämmstoffpulvern insbesondere zur Wärmedämmung.
Verwendung einer Schaum- oder Blähmasse nach einem der Ansprüche 22 bis 24 zur Herstellung schalldämpfender und/oder trittschalldämpfender Produkte, Körper und/oder Schüttgüter.
Verwendung einer Schaum- oder Blähmasse nach einem der Ansprüche 22 bis 24 als Ausgleichsschüttung, Absorptionsmittel und/oder Leichtzuschlag für Mörtel, Putze, etc.