DE1494955B2 - Verfahren zur Herstellung von hitzebeständigen organischen Schaumstoffen - Google Patents

Description

Schaumstoffe zeichnen sich durch ein geringes Raumgewicht aus und eignen sich deshalb sehr gut als thermisches Isoliermaterial.

In letzter Zeit sind in der Praxis besonders Schaumstoffe aus thermoplastischen Kunststoffen in großem Umfang eingeführt worden. Solche Schaumstoffe haben jedoch häufig die Eigenschaft, daß sie leicht entflammbar sind. Es ist zwar bekannt, solche Schaumstoffe durch Zusätze schwer entflammbar zu machen, aber hierdurch wird der Nachteil nicht beseitigt, daß sie nur bis zu einer relativ niedrig liegenden Tempraturgrenze formbeständig sind. So beginnen diese Schaumstoffe bereits bei Temperaturen um 100 bis 250° C zu sintern oder zu schmelzen und so ihre Funktionsfähigkeit zu verlieren. Sind diese Schaumstoffe in Verbundelementen enthalten, so hat dies den Nachteil, daß die Schaumstoffe schmelzen und sich gegebenenfalls entzünden und somit zu einer Ausbreitung eines Brandes beitragen können.

Es sind ferner auch Schaumstoffe bekannt, die aus rein anorganischen Materialien bestehen. Hier sind insbesondere solche Schaumstoffe zu erwähnen, die durch Erhitzen von festem wasserhaltigem Wasserglas hergestellt worden sind. Ihre Herstellung ist jedoch wegen der anzuwendenden hohen Temperaturen sehr aufwendig. Sie haben ferner den Nachteil, daß sie nur eine geringe mechanische Festigkeit besitzen, so daß sie in der Praxis bisher noch nicht eingesetzt worden sind.

Es ist auch ein Verfahren zur Herstellung von Bauelementen mit niedrigem spezifischem Gewicht bekanntgeworden, das darin besteht, daß man kleinteilige poröse Kunststoffkörper mit wasserhaltigen Bindemitteln vermischt, formt und abbinden läßt. Solche Bauelemente haben in der Praxis nur in begrenztem Umfang Eingang gefunden, da ihre Herstellung relativ aufwendig ist. Es ist ferner schwierig, nach dem genannten Verfahren ein Bauelement herzustellen, in dem die porösen Kunststoffkörper gleichmäßig verteilt sind.

Es ist schließlich auch bekannt, auf der Oberfläche verschäumbarer Polystyrolteilchen einen Überzug aus einem wasserlöslichen Erdalkalimetallsilikat oder Aluminiumsilikat aufzubringen, wobei der Überzug 0,1 bis 0,5 Gewichtsprozent, bezogen auf die Menge der Polymerpartikeln, ausmacht. Durch diese Maßnahme soll erreicht werden, daß bei der Verschäumung der Polystyrolteilchen in einem Schneckenextruder ein Schaumstoff entsteht, dessen Zellen eine einheitliche Größe besitzen und dessen durchschnittlicher Durchmesser einen bestimmten Höchstwert nicht übersteigt.

Es wurde nun gefunden, daß man auch bei hohen Temperaturen noch beständige kunststoffhaltige Schaumstofigebilde auf einfache Weise vorteilhaft herstellen kann, wenn man verschäumbare feinteilige Kunststoffe in eine alkalisilikathaltige wäßrige Lösung mit gegebenenfalls darin suspendierten festen wasserhaltigen Alkalisilikaten in einer solchen Menge einbringt, daß die Menge der zugesetzten Kunststoffteilchen zur Menge der in der Lösung bzw. Suspension enthaltenen wasserfreien Substanzen sich wie 1: 9 bis 9 :1 verhält und die Mischung anschließend, gegebenenfalls nach ihrer Verfestigung bei Temperaturen unterhalb der Temperatur, bei der die feinteiligen Kunststoffe schäumen, zu einem homogenen Schaumgebilde bei einer Temperatur oberhalb des Erweichungspunktes der verschäumbaren Kunststoffe verschäumt.

Als Alkalisilikate eignen sich vorzugsweise Natrium- oder Kaliumsilikate in wäßriger Lösung beliebiger Konzentration. Da bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Schaumkörper zwecks Verfestigung Wasser verdampft werden muß, setzt man jedoch vorteilhaft möglichst konzentrierte, noch streichbare oder pastenartige Lösungen oder Suspensionen ein, deren Konzentration im allgemeinen bei etwa 38 bis 60 Be liegt. Man kann aber auch Suspensionen von wasserhaltigen Alkalisilikatpartikeln in wäßrigen Alkalisilikatlösungen mit einem Gesamtwassergehalt unter 30 Gewichtsprozent einsetzen. Es ist ferner auch möglich, zur Erhöhung der Viskosität den alkalisilikathaltigen Lösungen Füllstoffe oder verdickend wirkende Substanzen, z. B. Kieselgel, zuzusetzen. Die Viskosität der Lösungen hängt unter anderem nicht nur vom Wassergehalt, sondern auch vom Verhältnis Alkalioxyd zu Siliciumdioxyd des Silikats ab, wobei die Lösungen bei höheren Alkalioxydgehalten bei vergleichbaren Wassergehalten niedrigerviskos sind. Zweckmäßig verwendet man Natriumsilikatlösungen mit einem Natriumoxyd-Siliciumdioxyd-Verhältnis von 1:1.2 bis 1:3,5. Es ist vorteilhaft, den alkalisilikathaltigen Lösungen oder Suspensionen Stoffe zuzusetzen, die mit den Alkalisilikaten unter Bildung wasserunlöslicher Silikate zu reagieren vermögen. Als solche Stoffe kommen beispielsweise Verbindungen der Erdalkalimetalle, z.B. Kalk, Magnesiumoxyd sowie Zinkoxyd, Asbestpulver oder Zement in Betracht. Man kann den Lösungen auch Füllstoffe, z. B. Eisenoxyd, Graphit, Titandioxyd, zusetzen. Diese Zusatzstoffe werden den alkalisilikathaltigen Lösungen oder Suspensionen in einer solchen Menge zugegeben, daß das wasserlösliche Alkalisilikat ganz oder teilweise in unlösliches Silikat übergeführt wird. Werden für die Herstellung der Schaumstoffe Lösungen oder Suspensionen eingesetzt, die neben den Alkalisilikaten auch die genannten Zusatzstoffe enthalten, so wird auch in diesen Fällen die Menge der zu der Mischung zuzusetzenden verschäumbaren Kunststoffteilchen so bemessen, daß das Verhältnis der Menge der Kunststoffpartikeln zu den gesamten in der Lösung oder Suspension enthaltenen wasserfreien Substanzen von 1:9 bis 9:1, vorzugsweise 3 : 7 bis 7 : 3, beträgt. Als verschäumbare Kunststoffpartikeln kommen insbesondere Partikeln aus PoIystyrol oder aus Styrol erhaltene Mischpolymerisate, z. B. solche aus Styrol und Acrylnitril, Acrylsäure, Butadien, in Betracht. Auch Kunststoffpartikeln auf Basis Vinylidenchlorid sind geeignet. Die Kunststoffpartikeln können in bekannter Weise durch Zusatz von anorganischen Halogenverbindungen oder durch Abmischen mit Chlorparaffinpulver oder Antimontrioxyd schwerentflammbar eingestellt sein. Die verschäumbaren Partikeln enthalten in bekannter Weise Treibmittel, die die Teilchen nicht lösen oder diese nur wenig anquellen, z.B. aliphatische Kohlenwasserstoffe. Die Kunststoffpartikeln können ferner pulverförmige Treibmittel enthalten, welche bei höherer Temperatur, z. B. oberhalb 100° C, Gase abspalten, z. B. Azodibuttersäuredinitril.

Bei der Herstellung der Schaumstoffkörper geht man so vor, daß man Alkalisilikatlösungen oder Suspensionen möglichst hoher Konzentration vorlegt und anschließend die verschäumbaren Kunststoffpartikeln mechanisch zumischt, wobei man dafür sorgt, daß eine möglichst einheitliche Mischung entsteht. Für den Fall, daß den Alkalisilikatcn solche Substanzen

zugesetzt werden sollen, die mit diesen unter Bildung schwerlöslicher oder wasserunlöslicher Silikate reagieren, werden diese Substanzen vor der Einbettung der Kunststoffpartikeln eingebracht. Um die mechanische Stabilität der herzustellenden Schaumstoffe zu erhöhen, kann man diesen Mischungen auch faserige Materialien, z. B. Glasfasern, wie Stapelglasfasern, Metallgewebe oder Kunststoffgewebe, Mineralfasermatten, zugeben. Es hat sich ferner als zweckmäßig erwiesen, den Mischungen in geringer Menge ζ. Β. ίο 1 bis 10°/o höherwertige Alkohole, z.B. Glycerin, oder Zucker, wie Rohrzucker, zuzusetzen. Durch diese Zusätze erreicht man, daß die Schaumkörper homogener werden.

Nach der Herstellung der Mischung kann man entweder so verfahren, daß man diese vor der Verschäumung zunächst verfestigt. Dies kann durch Erwärmen der Mischung erfolgen, wobei die Temperaturen nicht einen Wert übersteigen dürfen, bei dem die Kunststoffteilchen bereits schäumen. Eine Verfestigung der Mischung kann aber auch ohne Erwärmung erfolgen, nämlich dann, wenn man Suspensionen von feinteiligen wasserhaltigen Alkalisilikatpartikeln in wäßrigen Lösungen von Alkalisilikaten eingesetzt hat, wobei der Gesamtwassergehalt der Suspensionen relativ niedrig liegt. Solche Suspensionen haben die Eigenschaft, schon bei Raumtemperatur innerhalb kurzer Zeit zu einer festen Masse abzubinden.

Nach der gegebenenfalls erfolgten Verfestigung der Mischung wird diese auf solche Temperaturen erhitzt, bei denen die Kunststoffpartikeln durch Absieden des in ihnen enthaltenen Treibmittels verschäumen. Die Erwärmung kann z. B. durch Aufblasen von Heißluft, Lagerung in einem Trockenschrank, Anlegen eines Hochfrequenzfeldes, Bestrahlen mit Infrarotstrahlern erfolgen. Die Mischung wird so lange erwärmt, bis die gewünschte Volumenvergrößerung des Gemisches eingetreten ist. Die Temperaturen bei der Verschäumung sollen üblicherweise etwa 80 bis 150° C betragen. Je nach der Zusammensetzung der Ausgangsmischung, deren Raumgewicht zwischen 1100 und 3000 g/l liegen kann, ermäßigt sich das Raumgewicht der geschäumten Mischung auf 50 bis 800 g/l.

In einer abgewandelten Form kann das Verfahren auch so durchgeführt werden, daß man das ungeschäumte verfestigte Gemisch zerkleinert und die Teilchen in eine nicht gasdicht verschließbare Form einbringt, z. B. in einer solchen Menge, daß 10 bis 50 % des Volumens der Form ausgefüllt werden. Durch Erwärmen wird die Masse verschäumt und der verbleibende freie Raum ausgefüllt. Es entsteht hierdurch ein Formkörper, der in seinen Dimensionen dem Hohlraum der Form entspricht. Beim Verschäumen der Mischungen in einer Form ist es nicht unbedingt erforderlich, diese vorher durch Entzug von Wasser zu verfestigen, sondern es kann in diesem Fall die noch zähplastische Mischung direkt ohne vorherige Verfestigung verschäumt werden.

Bei der kontinuierlichen Herstellung des Schaum-Stoffs verfährt man so, daß man die Mischung z. B. mit einer Düse auf ein endloses Band aufbringt und dort durch Hitzeeinwirkung verschäumt.

Es besteht schließlich auch die Möglichkeit, das in pastöser Konsistenz vorliegende Gemisch auf die später zu schützenden Unterlagen aufzubringen und dort durch Hitzeeinwirkung zu verschäumen.

Die erfindungsgemäß hergestellten Schaumstoffe können zum Schutz gegen den Einfluß von Feuchtigkeit mit einer Schutzschicht z. B. durch Aufbringen von Lacken aus Epoxydharzen, Polyamiden, Polyvinylchlorid oder Mischpolymerisaten aus Vinylidenchlorid und anderen polymerisierbaren Substanzen versehen werden. Die Schutzschicht kann auch durch Aufkaschieren von Kunststoffolien erzeugt werden. Es ist schließlich auch möglich, auf die Schaumstoffe einen Verputz aufzubringen.

Die erfindungsgemäß hergestellten Schaumstoffe, die eine hohe Druckfestigkeit aufweisen, zeichnen sich vor allem dadurch aus, daß auch bei der Einwirkung hoher Temperaturen, wie sie beispielsweise in einem Brandfall auftreten, die anorganische Gerüstsubstanz erhalten bleibt. Diese besitzt auf Grund ihrer Porosität selbst noch eine brandhemmende Wirkung, so daß der erfindungsgemäße Schaumstoff, z. B. in Form von Platten, im Bauwesen als brandhemmendes Material eingesetzt werden kann. So genügt beispielsweise der Einbau einer 3 cm dicken Platte aus dem erfindungsgemäßen Schaumstoff zwischen zwei Asbestzementplatten von 6 mm Dicke, um die Bedingungen, wie sie bei Bauteilen bei der Prüfung gemäß DIN 4102 zur Einreihung in die Feuerwiderstandsklasse F 60 gefordert werden, zu erfüllen. Auf Grund seiner mechanischen Stabilität kann der Schaumstoff in Form von Platten direkt zur Herstellung von Zwischenwänden eingesetzt werden. Solche Platten können aber auch zur Beschichtung von Wänden eingesetzt oder als Zwischen- oder Außenschichten in Wänden, Decken, Böden, Türen, und als Isoliermaterial ganz allgemein verwendet werden.

Beispiel 1

2200 Gewichtsteile einer wäßrigen Lösung von Natronwasserglas mit einer Konzentration von etwa 39° Be, einem Natriumoxyd-Siliciumdioxyd-Verhältnis von 1: 3,3 werden mit 700 Gewichtsteilen Natronwasserglaspulver mit einem Wassergehalt von 18% gemischt. Die Partikeln haben eine durchschnittliche Korngröße von 0,01 mm. Hierauf werden unter mechanischem Rühren 2000 Gewichtsteile von treibmittelhaltigen Polystyrolpartikeln von 0,3 mm Durchmesser, welche als Flammschutzmittel 2,3-Dibrompropanolphosphat enthalten, zugesetzt und die Masse homogenisiert. Man setzt das Gemisch in einer Schichtstärke von 10 mm der Einwirkung einer Infrarotstrahlung aus, bis eine so starke Verfestigung erreicht wird, daß eine relativ kompakte Masse entstanden ist.

Diese Masse wird in einem Wärmeschrank bei einer Temperatur von 105° C 2Va Stunden lang gelagert. Es entsteht unter starker Volumenvergrößerung ein weißes Schaumstoffgebilde vom Raumgewicht 150 g/l, das für mannigfaltige Zwecke des Isolierwesens Verwendung finden kann, insbesondere auch in Verbundbauelementen, als Isolierung von Decken, Wänden, Dächern, Böden, Speichern, Industriebauten, Rohrleitungen, Kellern, Obstlagerhallen.

Beispiel 2

3000 Gewichtsteile einer wäßrigen Lösung von Natronwasserglas mit einer Konzentration von 40° Be und einem Verhältnis von Na.,0: SiO., von 1: 3,3 werden in einem Flügelmischer bei Raumtemperatur mit 300 Gewichtsteilen 30%iger Kalilauge, 1000 Gewichtsteilen pulverisiertem Calcium-

carbonat und 3000 Gewichtsteilen von blähfähigen Polystyrolpartikeln mit einem Durchmesser von bis zu etwa 0,3 mm, welche als Flammschutzmittel Hexabromcyclododecan enthalten, zu einer zähen Masse vermischt. Das Gemisch wird in einen mit einer Polyäthylenfolie ausgekleideten Metallbehälter mit Doppelwänden eingebracht.

Durch Einleiten von Dampf in den Zwischenraum der Doppelwände werden die Innenwände auf eine Temperatur von 105° C erwärmt. Man lagert 30 Minuten und leitet hierauf in den Zwischenraum der Wandungen kaltes Wasser ein.

Nach dem Abkühlen erhält man einen homogenen Schaumformkörper mit einem Raumgewicht von 250 g/l, der eine hohe Bruch- und Biegefestigkeit aufweist.

Wird dieser Schaumstoffkörper längere Zeit der Flamme eines Bunsenbrenners ausgesetzt, so verbrennt oder vergast zwar der in ihm enthaltene Kunststoff, es hinterbleibt jedoch immer noch ein poröser Körper, der dem Wärmedurchgang einen erheblichen Widerstand entgegensetzt.

Auf Grund dieser Eigenschaften eignen sich Platten aus dem Schaumstoff als thermisch isolierende und gleichzeitig als brandschützende Bauelemente.

Beispiel 3

2000 Gewichtsteile einer wäßrigen Lösung von Natronwasserglas mit einer Konzentration von etwa 39° Be und einem Natriumoxyd-Siliciumdioxyd-Verhältnis von 1:2,6 werden in einem Kneter mit 150 Gewichtsteilen einer 30°/oigen Natronlauge, 650 Gewichtsteilen von blähfähigen Partikeln aus einem Mischpolymerisat aus 90 Gewichtsteilen Monostyrol, 10 Gewichtsteilen Acrylnitril mit einem durchschnittlichen Korndurchmesser von 0,3 mm, 250 Gewichtsteilen Zement, 150 Gewichtsteilen Chlorparaffinpulver, 80 Gewichtsteilen Antimontrioxyd bei Raumtemperatur innig vermischt; es entsteht eine zähe, nicht fließende Masse, welche in einem offenen, mit einem Deckel verschließbaren Metallbehälter in einer solchen Menge eingebracht wird, daß die Masse etwa 50% des Volumens des Behälters ausfüllt. Dieser Behälter steht in einem zweiten Behälter, dessen Länge und Breite jeweils 10 cm größer sind als die des zuerst genannten Behälters und dessen Höhe so gewählt ist, daß der Innenbehälter, der auf einem Metallgestell in 10 cm Höhe vom Boden ruht, niedriger ist als der Außenbehälter. Zwischen Innen- und Außenbehälter wird 90 bis 95° C heißes Wasser derart eingeleitet, daß der Boden und die Seitenwände umspült werden. Nach 25 Minuten wird der innere Behälter 15 Minuten lang in kaltem Wasser gelagert. Das ihm entnommene Schaumstoffgebilde besitzt ein Raumgewicht von 800 g/l.

Das Gebilde eignet sich in Form von Leichtsteinen zum Aufbau von Zwischenwänden, in Form von Platten zum Beschichten von Metallträgern und Stützen, von Decken, Wänden, zum Einbau einer feuerhemmenden Zwischenschicht in Industrie- und Wohngebäuden.

Beispiel 4

In eine Schneckenfördermaschine mit einer schlitzartigen Auslauf öffnung wird ein Gemisch aus 900 Gewichtsteilen einer Natronwasserglaslösung von 38° Be mit einem Natriumoxyd-Siliciumdioxyd-Verhältnis von 1 : 3,36, 90 Gewichtsteilen 3O°/oiger Natronlauge,

ίο 50 Gewichtsteilen Rohrzucker, 150 Gewichtsteilen Zinkoxyd, 75 Gewichtsteilen Quarzmehl und 450 Gewichtsteilen von Partikeln aus nachchloriertem Polyvinylchlorid, welches Butan als Treibmittel enthält und in Form von Rundteilchen von 0,4 mm Durchmesser vorliegt, bei Raumtemperatur eingegeben.

Die Masse wird durch die schlitzartige Öffnung von 20 cm Breite und 4 mm Höhe auf ein auf 95° C erwärmtes umlaufendes Metallband in einer Dicke von etwa 5 mm kontinuierlich aufgebracht und über

ao eine Strecke von 5 m mit Infrarotstrahlern so erwärmt, daß das Gemisch eine Temperatur von 95 bis 99° C annimmt.

Es entsteht ein Schaumstoffgebilde von etwa mm Dicke mit einem Raumgewicht von 300 g/l, das eine sehr dichte Struktur und eine hohe Festigkeit hat.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von hitzebeständigen organischen Schaumstoffgebilden in Kombination mit Alkalisilikaten, dadurch gekennzeichnet, daß man verschäumbare feinteilige Kunststoffe in eine alkalisilikathaltige wäßrige Lösung mit gegebenenfalls darin suspendierten festen wasserhaltigen Alkalisilikaten in einer solchen Menge einbringt, daß die Menge der zugesetzten Kunststoffteilchen zur Menge der in der Lösung bzw. Suspension enthaltenen wasserfreien Substanzen sich wie 1:9 bis 9:1 verhält und die Mischung anschließend, gegebenenfalls nach ihrer Verfestigung bei Temperaturen unterhalb der Temperatur, bei der die feinteiligen Kunststoffe schäumen, zu einem homogenen Schaumgebilde bei einer Temperatur oberhalb des Erweichungspunktes der verschäumbaren Kunststoffe verschäumt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den alkalisilikathaltigen Lösungen vor dem Zusatz der Kunststoffpartikeln Stoffe zusetzt, die mit den Alkalisilikaten unter Bildung wasserunlöslicher Silikate reagieren.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man den Mischungen vor dem Verschäumen Fasern oder Gewebe zusetzt.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man den Mischungen höherwertige Alkohole zusetzt.