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Es ist bekannt anorganische Schaumprodukte mit Hilfe von sauren Phosphatlösungen mehrwertiger Kationen durch Zugabe von weiteren mehrwertigen Metallionen, beispielsweise in Form von Oxiden und Carbonaten, als Vernetzer und Treibmittel herzustellen. Dies wird in AT-B-400 840 beschrieben. Es geschieht dies bevorzugt mit Hilfe von Zweikomponentensystemen, wobei einesteils die sauren und säurebeständigen Bestandteile in einer wässrigen Komponente und andererseits die neutralen, alkalischen Stoffe in einer zweiten Komponente zusammengefasst sind. Diese beiden Komponenten werden zur Schaumbildung rasch homogen gemischt und beginnen sofort stöchiometrisch zu reagieren.
Hierbei ist die Einstellung der Schaumdichte durch Variation des Carbonatanteiles in weiten Bereichen möglich, beispielsweise von 0,04 g/cm3 oder 0,08 g/cm3 bis 0,70 g/cm3 oder 0,95 g/cm3. Prozessparameter, wie Mischzeit, Steigzeit, Abbindezeit, wie sie für Polyurethansysteme angegeben werden, können eingestellt werden. Diese Komponentenzusammensetzungen bedingen, dass es in der Regel nicht möglich ist Füllstoffe zu verwenden, die zum Beispiel in der sauren A-Komponente eingesetzt werden sollen, aber bereits selbst rasch mit Säure reagieren oder wasserbindende Substanzen zu verwenden, die mit dem Wasser in den Komponenten bereits vor dem Vernetzungs- und Schaumbildungsschritt reagieren.
Naturgemäss ist es auch nicht möglich grosse Mengen von alkalischen, wasserbindenden rasch mit Säure reagierenden Stoffen einzusetzen, da dann eine Überhärtung des Schaumes und damit wesentliche Festigkeitsverluste des Schaumes auftreten. So ist zum Beispiel nicht zu erwarten, dass man als Füllstoffe alkalische, mit Säuren und Wasser reagierende Substanzen, wie beispielsweise Calziumoxid oder Portlandzement, oder auch neutrale nur mit Wasser abbindende Stoffe, beispielsweise Gipshalbhydrat (CaS04x1/2H20), verwenden kann.
In dem österreichischen Patent AT 400 840 B wird ein Verfahren zur Herstellung einer zumindest überwiegend anorganischen geschäumte Masse durch rasche Vermischung von zwei Komponenten (A) und (B) beschrieben. Die erste Komponente (A) enthält eine saure wässrige Lösung von überwiegend mehrwertigen, bevorzugt zwei oder dreiwertigen Kationen und Phosphorsäure zur Bildung eines Phosphates, wobei jeweils im Mittel 0,8 bis 1,75 Protonen der dreibasigen Phosphor- säuremoleküle durch die Kationen neutralisiert sind, in welcher Lösung ein oder mehrere Arten eines kornigen, plättchen- oder pulverformigen Füllstoffes fein verteilt sind, wobei eine Raumtemperatur-Viskosität im Bereich von 2 000 mPa.s bis 80 000 mPa s eingestellt wird.
Die zweite Komponente (B) enthält ein Oxid, Hydroxid oder ein mehrwertiges Salz einer schwachen Säure als Härter und weiers ein gegebenenfalls teilweise auch als Härter wirkendes Treibmittel, wie ein Carbonat, das unter Härtungsbedingungen ein Gas entwickelt, wobei die Komponente (B) bevorzugt angeteigt oder als wässrige Suspension vorliegt und wobei die Dauer des Gasentwicklungsprozesses (Steigzeit) im Bereich von 3 s bis 10 mm, und der Abbindeprozess (Abbindezeit), im Bereich von 10 s bis 60 min eingestellt wird. Nach dem Einbringen der Mischung aus den Komponenten (A) und (B) in einen Raum oder auf eine Unterlage findet das Schäumen und Abbinden der gemischten Masse statt. Angaben über den Zusatz wasserbindender Substanzen welche unter Bindung eines wesentlichen Teiles des in den Komponenten vorliegenden Wassers reagieren, sind nicht enthalten.
Die DE 31 43 298 A lehrt ein Verfahren zur Herstellung eines anorganischen Schaumstoffes aus einem als Vernetzer wirkendem tertiären Metallphosphat, welches grossteils durch Portlandzement ersetzt sein kann und welches in entsprechenden äquivalenten Mengen eingesetzt wird, einer Monoaluminiumphosphat enthaltenden Lösung und einem Blähmittel, wobei aus den im Patentanspruch 1 angegebenen Stoffen unter vorgegebener Bemessung des Blähmittels eine Reaktionsmischung gebildet wird. Dies erfolgt in einem geeigneten Reaktionsgefäss und das aufschäumende Gemisch wird nachfolgend in eine Form gefüllt. Der Schaum wird anschliessend der Form entnommen und in Stufen bei 120-160 C und 220-500 C getrocknet und gehärtet Angaben über den Zusatz von Substanzen zur Wasserbindung sind nicht enthalten.
Gemäss EP 54 874 A ist ein Verfahren zur Herstellung eines phosphathaltigen anorganischen Schaumstoffes aus Zement, einer Phosphorsäure und einem Blähmittel bekannt. Hierbei wird aus Portlandzement und einem im sauren Milieu wirksamen Blähmittel durch intensives Vermischen eine Mischung mit einem vorgegebenen Äquivalentverhältnis hergestellt und das aufschäumende Gemisch in eine Form gefüllt, damit es nach Abklingen der exothermen Reaktion unter weiterer Hitzeeinwirkung, beispielsweise durch Auskondensieren bei 250 C oder durch anschliessende Autoklavenheizung, aushärtet. Hierbei handelt es sich um ein langsames Einkomponentensystem,
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wobei die Mischung in einem geeigneten Reaktionsbehälter hergestellt wird. Ein selbsttätiger Wasserbindungsprozess durch den Zusatz wasserbindender Substanzen ist nicht vorgesehen.
In WO 93/17978 A wird eine anorganische Masse beschrieben, in welcher als Verstärkungselemente bevorzugt Schieferplättchen verwendet werden. Hierbei handelt es sich um ungeschäumte Formkörper mit relativ hohen Dichten, die je nach Art des verwendeten Bindemittels nachträglichen Trocknungsprozessen unterworfen werden. Anregungen über die Verwendung von wasserbindenden Substanzen zur Vermeidung eines Trocknungsprozesses sind nicht enthalten.
Wasserbindende Substanzen sind jedoch aus einer Reihe von Gründen interessant
In der Regel ist, um das mit den flüssigen Komponenten in den Schaum eingebrachte Wasser nachträglich zu entfernen, ein Trocknungsprozess notwendig, der entweder langsam bei Raumtemperatur oder bei erhöhten Temperaturen erfolgen kann. Die Wasserentfernung bei diesen Schaumprodukten ist in der Regel notwendig, da dadurch eine Verfestigung und weitere Abbindung des Schaumes erzielt wird Weiters wird ein nachträgliches Ausschwitzen des Wassers unterbunden, welches zu einer Reihe von unerwünschten Erscheinungen, wie beispielsweise zur Korrosion benachbarter metallischer Teile, führen kann.
Die Bindung des Wassers ist somit von grosser Bedeutung, wenn man diese Schäume zum Füllen von Hohlräumen verwendet, wo der Schaum allseitig oder fast vollständig durch geschlossene Flächen umgeben ist Die Vermeidung der Schaumtrocknung, beispietweise durch die Bindung wesentlicher Mengen an Wasser, ist aber auch insoferne vorteilhaft, als die Kosten eines Trocknungsprozesses und die Anschaffung entsprechender Trocknungsanlagen erspart werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Gefahr einer Rissbildung des Schaumes, welche durch den Schrumpfungsprozess während der Trocknung entsteht, durch Vermeidung des Trocknungsprozesses nicht mehr gegeben ist.
Als wesentliche Menge einer Wasserbindung, welche einen Trocknungsprozess entscheidend beeinflussen kann, sind 5 Gewichtsprozent, 10 Gewichtsprozent oder 20 Gewichtsprozent und mehr an gebundenem Wasser anzusehen. Eine Restfeuchte kann im Schaumproduktverbleiben, insoferne sie der durch die Umgebungsbedingungen bedingten Gleichgewichtsfeuchte entspricht.
Beschreibung der Erfindung
Es ist daher Aufgabe dieser Erfindung Schaummassen und ihre Komponenten zur Herstellung überwiegend anorganischer Schaumkörper auf Phosphatbasis mit einstellbaren Verarbeitungsparametern, wie Rührzeit, Steigzeit und Aushärtezeit, die daraus hergestellten Schaumprodukte und die Verfahren ihrer Herstellung und deren Verwendung zu beschreiben, weiche einen nachträglichen Trocknungsprozess nicht oder nur in geringem Ausmass notwendig haben, indem eine wesentliche Menge des eingesetzten Wassers gebunden wird, sowie konstruktive Voraussetzungen zu beschreiben, sodass diese Materialien für Einsatzgebiete verwendet werden können, beispielsweise in geschlossenen Hohlräumen,
in welchen üblicherweise derartige Schäume aufgrund ihres Wassergehaltes und der Undurchführbarkeit eines im Normalfall notwendigen Trocknungsprozesses nicht verwendet werden können.
Der Einsatz von wasserbindenden Substanzen ist in keiner Weise naheliegend, da dadurch in der Regel grosse verfahrenstechnische Schwierigkeiten auftreten. Eine komplizierte Chemie in Abstimmung mit dem Verfahren der Schaumherstellung ist notwendig.
Die Reaktion des Wassers mit manchen wasserbindenden Substanzen kann so rasch ablaufen, dass der dadurch bedingte rasche Härtungsprozess den später ablaufenden Schäumungsprozess verhindert. In diesem Fall muss also die durch Hydratbildung verursachte Abbindung der Schaummasse auf das durch Phosphatbindungen beruhende Aushärteverhalten des Schaumes abgestimmt sein. Dies ist beispielweise bei Gips dadurch möglich, dass der Verfestigungsprozess des Gipses durch Zusatzstoffe wie Zitronensäure, Weinsäure, Natriumphosphat verzögert, andererseits aber durch Zugabe von Calziumsulfatdihydrat (Impfen) beschleunigt werden kann.
Es ist weiters bekannt, dass hydraulisch abbindender Portlandzement, allerdings nur in relativ geringen zur Säurebindung notwendigen stöchiometrischen Mengen, als Härtersubstanz in derartigen Schäumen eingesetzt werden kann (AT-B-400840). Es ist daher überraschend, dass der Einsatz von Zement als Trocknungsmittel unter bestimmten erfindungsgemässen Voraussetzungen möglich ist.
Übersichtsmässig können die wasserbindenden Substanzen, wie an einigen Beispielen gezeigt
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werden soll, wie folgt eingeteilt werden :
EMI3.1
CaO, ...
Sulfate Gips [CaS04x2H20], Aluminumsulfat [Al2(SO4)3X18 H20],
Sulfate von Kupfer, Mangan, Magnesium, Zink, Eisen, Cobalt und Nickel, die
Vitriole, wie MeS04x5H20 oder MeSO4X7H2O bilden oder Doppelsalze dieser Sulfate mit Kalium- oder Ammoniumsulfat, die Hydrate gemäss MeIMeII(SO4)2X6H2O, oder Alaune (KAI(S04)x12 H20) bilden
Phosphate Mg3(P04)2x22H20, MgHP04x7H20, Mg3(PO4)2X8H2O,
CaHP04x2H20, Ca2P2O7X5H2O, [wobei auch andere ein-, zwei- oder dreiwertige Kationen, beispielsweise von
Alkalimetallen, vorliegen können. ]
Diverse andere wasserbindende Substanzen
Metalle, die unter Wasserstoffbildung reagieren oder anorganische oder organische Ester und andere Hydrate bildende oder wasserbindende
Substanzen, beispielsweise physikalisch Wasser absorbierende Substanzen, wie Schichtsilikate oder ähnliches.
Beachtenswert ist, dass Hydrate dazu neigen ihre Wassermoleküle bei unterschiedlichen Temperaturen abzugeben. So gibt zum Beispiel Magnesiumsulfat [MgS04x7H20] bei 150 C 6 Moleküle Wasser ab und bei 200 C das siebente Mol Wasser, oder Alaune besitzen sechs locker und sechs fest gebundene Wassermoleküle. Es ist somit möglich hier zusätzliche Effekte im Falle einer Temperaturbelastung derartiger Schaumkörper zu erzielen. Weiters ist zu beachten, dass sich diese Salze in ihrer Löslichkeit und Schmelztemperatur unterscheiden, wobei geringe Löslichkeit (gute Kristallisation in der wässrigen Phase) und hohe Schmelztemperatur im eigenen Kristallwasser vorteilhaft sein werden.
Wie folgende Aufstellung, die das Problem der Wasserbindung unter dem stöchiometrischen Aspekt der chemischen Wasserbindung betrachtet, beispielhaft zeigt, ist die Wasserbindungskapazität der einzelnen Substanzen sehr unterschiedlich. Man kann daher von diesem Gesichtspunkt aus erwarten, dass sich zur Lösung der erfindungsgemäss gestellten Aufgabe unterschiedliche Methoden für die einzelnen wasserbindenden Substanzen anbieten werden.
Stöchiometrisch berechnete Bindungskapazität einiger wasserbindender Substanzen :
EMI3.2
<tb>
<tb> Wasserbindende <SEP> Hydroxid/Hydrat <SEP> 100 <SEP> g <SEP> X <SEP> 100 <SEP> g <SEP> H2O
<tb> Substanz <SEP> X <SEP> der <SEP> Substanz <SEP> X <SEP> binden <SEP> werden <SEP> gebunden
<tb> y <SEP> g <SEP> H2O <SEP> von <SEP> z <SEP> g <SEP> X
<tb> CaO <SEP> Ca(OH)2 <SEP> 32 <SEP> g <SEP> 312,5 <SEP> g
<tb> (Ca0)3Si02 <SEP> (Ca(OH)2)3SiO2 <SEP> 23,67 <SEP> g <SEP> 422,5 <SEP> g
<tb>
EMI3.3
EMI3.4
<tb>
<tb> CaS04x1/2 <SEP> H20 <SEP> CaS04x2 <SEP> H20 <SEP> 18,6 <SEP> g <SEP> 537,6 <SEP> g
<tb> Al2(SO4)3 <SEP> Al2(SO4)3X18 <SEP> H20 <SEP> 94,5 <SEP> g <SEP> 105,5 <SEP> g
<tb> MgS04 <SEP> MgS04x7 <SEP> H20 <SEP> 104,6 <SEP> g <SEP> 95,6 <SEP> g
<tb> MgHP04 <SEP> MgHP04x7 <SEP> H20 <SEP> 103,6 <SEP> g <SEP> 96,5 <SEP> g
<tb> Mg3(PO4)2 <SEP> Mg3(PO4)2X22H2O <SEP> 150,
6 <SEP> g <SEP> 66,4 <SEP> g
<tb>
Zu dem chemisch gebundenen Wasser kommt in vielen Fallen noch der physikalisch gebundene Anteil, der sich zum Beispiel bei den Zementen im WZ-Wert (0,4 bis 0,6) oder beim Gips im notwendigen Anmachwasseranteil (z. B. 0,565 Teile Wasser auf 1 Teil Gips) widerspiegelt. Daraus wird ersichtlich, dass die obige Darstellung stark vereinfacht, da in der Praxis eine Vielzahl von unterschiedlichen Hydratphasen, beispielsweise bei der Aushärtung von technischen Zementen, auftreten. Man erkennt aus dieser Tabelle, dass es durchaus vorteilhaft sein kann, die Phosphatbindung des Schaumgerüstes mit wasserbindenden Sulfaten zu kombinieren. In diesem Fall konnen hydratbildende Substanzen, wie beispielsweise Magnesiumsulfat, welches 7 Mol Wasser und damit in etwa sein eigenes Gewicht an Wasser bindet, vorteilhaft sein.
Zusätzlich bieten sich Phosphate, Kombinationen von Phosphaten und Sulfaten und gegebenenfalls auch Salze anderer Anionen, die ebenfalls Hydratwasser binden, an
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Mehrere Methoden zur Einbringung der wasserbindenden Substanzen in ein Schaumprodukt bieten sich an: a) Durch Zumischen der wasserbindenden Substanz in eine, beide oder mehrere Komponenten, in einer mit Wasser langsam reagierenden Form (zum Beispiel als grobkörnige Substanz) oder unter Verwendung von Zusatzstoffen, welche eine rasche Reaktion der wasserbindenden Substanz mit dem Wasser der Komponente unterbinden. b) Durch Einstreuen der wasserbindenden Substanz in den entstehenden Schaum unter Bildung einer eigenen Phase (gleichsam als nachträglich eingebrachte weitere Komponente) oder dem Füllen von vorgesehenen Hohlräumen in oder neben dem Schaum.
c) Durch Entstehung der wasserbindenden Substanz in situ im Prozess der Schaumbildung durch Zusammenmischen von zwei oder mehr Komponenten. d) Durch Kombination von zwei oder mehr Methoden.
Diese Methoden werden beispielhaft und ohne deren Vielzahl einschränken zu wollen, anhand einiger ausgewählter wasserbindender Substanzen näher erläutert. Naturgemäss sind auch Kombinationen unterschiedlicher wasserbindender Substanzen möglich.
Einsatz von neutralen wasserbindenden Substanzen
Dies soll am Beispiel des Gipses näher erläutert werden, wobei, wie in Beispiel 1 anschliessend beschrieben, von zwei Komponenten A und B ausgegangen werden soll
Gips ist eine neutrale Substanz, welche der A-Komponente zugesetzt werden kann. Sie härtet in der wässrigen phosphorsauren Lösung der A-Komponente nicht aus, da Phosphorsaure als Härtungsverzögerer agiert. Durch das Zusammenmischen von A- und B-Komponente findet eine Neutralisation der Phosphorsäure der A-Komponente statt, wodurch sofort eine sehr rasch ablaufende Gipshaltung stattfinden kann. Es ist daher in diesem Fall notwendig die Gipshartung an die Aushärtungseigenschaften des Schaumes (Steigzeit und Aushärtungszeit) anzupassen.
Dies erfolgt bevorzugt durch Zusatz von weiteren auch im neutralen Bereich wirksamen Aushärtungsverzögerern in einer oder beiden Komponenten.
Generell sind Abbindeverzögerer Substanzen, die die Löslichkeit des Gipses vermindern, zum Beispiel Phosphorsäure, Borsäure, etc und deren Alkalisalze, sowie organische Fruchtsäuren (wie Weinsäure oder Zitronensäure), oder Ca-peptide. Sie gestatten den Hydratationsprozess auf die Schaumhärtung einzustellen. Dies kann beispielweise dadurch erzielt werden, dass entsprechende Mengen an Zitronensaure oder auch Natriumphosphat (Na3P04) der B-Komponente zugesetzt werden.
Die Gipsabbndung kann andererseits aber auch durch Abbindebeschleuniger (wie Kaliumsulfat, gemahlener abgebundener Gips) beschleunigt werden. Es ist somit möglich mit Hilfe dieser Substanzen den Abbindeprozess des Gipses mit Wasser so einzustellen, dass der auf Phosphatbindungen beruhende Schaumhärtungsprozess nicht oder nur geringfügig beeinflusst wird und für die Schaumproduktbildung brauchbare Verfahrensparameter erhalten werden
Die Gipsmenge, welche in Komponente A unter Einhalten einer entsprechenden niedrigen Viskosität suspendiert werden kann, ist von der Gipsart, ihrer Korngrösse, etc. abhängig. Beispielsweise können 120 Teile Gips in 100 Teilen 50%iger Monoalummiumphosphatlösung suspendiert werden.
Betrachtet man dieses Beispiel unter dem Aspekt, dass ein Teil Gips für die optimale Aushärtung und Verarbeitung 0,65 Teile Anmachwasser benötigt, so entsprechen die 120 Teile Gips 78 Teilen Wasser, wovon 50 Teile für das 50 %ige Aluminiummonophosphat benötigt werden.
Somit bleiben 28 Teile Wasser für die B-Komponente. Die B-Komponente darf daher nur einen gleich grossen oder kleineren Wasseranteil dem Schaum zuführen. Dies ist dann möglich wenn man die B-Komponente mit einem kleineren Mischungsverhältnis einsetzt. Beispielsweise die 220 Teile der A-Komponente mit 66 Teilen B-Komponente mischt, wobei die B-Komponente aus 28 Teilen Wasser und 38 Teilen Härter und Füllstoffen besteht. Da Härter- und Carbonatanteil einstellbar sind, ist die Härtungszeit und die Schaumdichte in dem für diese Schäume üblichen weiten Rahmen wählbar.
Analog ist die Situation, wenn man nur das chemisch gebundene Wasser in Form des Calziumsulfat-Dihydrates betrachtet. Die chemisch gebundenen Wassermengen sind jedoch wesentlich geringer. Es wird daher generell günstig sein die eingesetzten Wassermengen weiter zu
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reduzieren oder zum Beispiel stärker wasserbindende Substanzen, wie beispielweise Magnesiumsulfat, zu verwenden.
Ein bevorzugter Weg in den Komponenten den Wassergehalt zu reduzieren, von beispielsweise 30 Gew.% bis 35 Gew.% auf Werte um 25 Gew.%, 20 Gew.% bis 15 Gew.%, ist es grobe Füllstoffe mit Korngrössen über 100 oder 200 bis 1000 , einzusetzen.
Es ist weiters möglich statt einer 50 gewichtsprozentigen Aluminiumphosphatlösung von konzentrierten Säuren, beispielsweise 85 gewichtsprozentiger Phosphorsäure, eventuell mit 95 gewichtsprozentiger Schwefelsäure gemischt, auszugehen und diese mit mehrwertigen Metalloxiden zu neutralisieren und so eine höher konzentrierte A-Komponente herzustellen.
Der Einsatz von konzentrierten Säuren zur Wasserreduktion in der A-Komponente besitzt jedoch den Nachteil, dass dann bei der Schaumherstellung oft starke Exothermie auftritt, welche in besonderen Fällen durch Kühlen und hohen Feststoffgehalt der Mischung aufgefangen werden muss
Es ist auf diese Art und Weise möglich einen phosphatgebundenen Gipsschaum herzustellen, wobei es jedoch vorteilhaft sein kann, zusätzlich weitere Füllstoffe einzusetzen
Dieser hier beispielhaft erläuterte Fall gilt auch für andere wasserbindende Substanzen, wie zum Beispiel andere Sulfate, Phosphate, aber auch für diverse Zemente, zum Beispiel Calziumaluminatzemente mit hohem Aluminiumoxidanteil, welche in ihrem hydratationsbedingtem Abbindeverhalten im notwendigen Ausmass beeinflusst, also beispielsweise verzögert oder beschleunigt werden können.
Als neutrale Substanzen können auch Ester, beispielsweise Orthokohlensäureester, eingesetzt werden, die ebenfalls mit Wasser langsam reagieren und so einer der beiden Komponenten kurz vor der Schaumherstellung zugesetzt werden können
Einsatz von alkalischen wasserbindenden Substanzen
Es ist bekannt, Portlandzement zur Wasserbindung, zum Beispiel zur Bodentrocknung im Strassenbau, einzusetzen. Es ist jedoch nicht möglich handelsüblichen Portlandzement durch Zusatz zu den Komponenten zur Wasserbindung in den hier beschriebenen auf Phosphatbasis hergestellten Schäumen zu verwenden, da er, wie in AT 400 840 angeführt, aufgrund seiner alkalischen Natur als Härter wirkt und in den entsprechenden zur Wasserbindung notwendigen Mengen eingesetzt, eine Überhärtung des Schaumes, welche die Zerstörung des Schaumes verursachen kann, bewirkt.
Es sind daher ganz besondere Massnahmen bei Einsatz von Portlandzement für diesen Zweck zu beachten. Es empfiehlt sich den Zement in grobkörniger Form, beispielweise als Zementgries, in die bereits vorgemischte aufgehende Schaummasse einzustreuen oder den Portlandzement gleichsam vom Schaum räumlich in einer eigenen Phase getrennt (durch gezieltes lokales Einstreuen in den aufgehenden Schaum oder durch Einbringen in zum Schaum benachbarte oder in diesem enthaltene Hohlräume) in den auszuschäumenden Raum oder das Schaumprodukt einzubringen.
Als Vorrichtung zum gesonderten Einstreuen der wasserbindenden Substanz bieten sich die üblichen Fördereinrichtungen wie Dosierschnecken an, die, bevorzugt durch eine über der Mischpistole endende Leitung, dosiert die wasserbindende Substanz, in Form von Pulver, Körnern, als Gries, oder als Pellets, auf oder in die aufgehende Schaummasse bringen Dieses Verfahren ist naturgemäss für andere wasserbindende Substanzen ebenfalls anwendbar.
Die hier beschriebenen zementhältigen Schäume sind wesentlich von dem auf hydraulisch härtendem Zement basierenden Porenleichtbeton verschieden. Poren leichtbeton wird durch Einmischen einer flüssigen Betonmischung in einen vorgefertigten stabilen Peptidschaum hergestellt, der während des Erstarrungsprozesses des Zementes stabil bleibt. Eine Einstellung von sehr geringen Dichten, beispielsweise 100 kg/m3, und von Prozessparametern, wie Mischzeit, Steigzeit, Aushärtezeit, ist bei Porenleichtbeton nicht möglich.
Entstehung der wasserbindenden Substanz in situ
Magnesiumsulfat als wasserbindende Substanz kann auch im Prozess der Schaumbildung entstehen Beispielsweise kann 95%ige Schwefelsäure der A-Komponente und festes Magnesium-
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oxid der B-Komponente zugesetzt werden, sodass sich im Prozess der Schaumentstehung Magnesiumsulfat bildet, welches Wasser bindet. Da die Exothermie dieser Reaktion jedoch erheblich ist, kann es vorteilhaft sein zummdest teilweise bereits in der A-Komponente eine Neutralisation der Schwefelsäure mit Magnesiumoxid durchzuführen oder bereits Magnesiumsulfat der A-Komponente zuzusetzen. Andererseits kann man die Exothermie gezielt zur Verdampfung einer gewissen Wassermenge im Prozess der Schaumbildung verwenden oder sie durch den Einsatz von langsam reagierenden Magnesiumoxidtypen über einen längeren Zeitraum verteilen.
Dieser Prozess kann insoferne günstig sein, als er einer längeren Warmhaltephase des Schaumproduktes entspricht Diese Möglichkeit bietet sich generell für die Entstehung von schwer löslichen Hydraten an, wobei das Kation der einen und das Anion der anderen Komponente zugesetzt wird.
Eine andere Möglichkeit der Bildung einer wasserbindenden Substanz im Prozess der Schaumentstehung ist die Bildung eines Doppelsalzes, zum Beispiel eines Alauns aus Aluminiumsulfat, welches in der sauren Komponente enthalten ist, und aus Kaliumsulfat, welches der zweiten Komponente zugesetzt wurde
Fallweise empfiehlt es sich zur Unterstützung der Schaumtrocknung zusätzlich zur chemischen Wasserbindung physikalische Massnahmen zu treffen, die beispielweise eine Feuchtigkeitsabfuhr aus den inneren Bereichen des Schaumes gestatten.
Dies kann durch konstruktive Massnahmen erzielt werden, welche eine langsame Trocknung des Schaumprodukts gestatten, wie zum Beispiel den Einbau von durchgehenden Lüftungskanälen im Schaumprodukt.
Derartige räumliche Anordnungen sind bekannt, sie werden jedoch üblicherweise nur zur Materialeinsparung, beispielweise bei Platten, verwendet. Als Trocknungskanäle von Schaumprodukten sind sie nicht in Verwendung. Derartige Trocknungskanäle kann man beispielweise durch Eingiessen von Stangen, Rohren, etc., welche nach der Schaumproduktbildung aus dem Schaumprodukt gezogen werden, herstellen. Sie können im Schaumprodukt entweder nach einer oder nach zwei Seiten offen sein und so zur langsamen Trocknung des Schaumes beitragen
Der Einsatz dieser Schäume ist vor allem als anorganischer Wärme-, Kälte- und Schallisolierstoff für Anwendungsgebiete gegeben, in welchen keine oder eine nur sehr schlechte Trocknung der Schäume möglich ist.
Dies ist zum Beispiel bei Paneelen der Fall, wo der Schaum zwischen Blechen eingegossen werden muss oder etwa im Fall von Türfüllungen oder zur Wärmeisolation in diversen Haushaltsgeräten oder im Baugewerbe, wo auf oder zwischen Wanden eine Warmedämmung aufgebracht werden muss. Aber auch generell kann es günstig sein diese Mischungen für Fälle zu verwenden, in welchen der Trocknungsprozess vermieden werden soll, oder wo man die Gefahr einer Rissbildung, insbesondere während des Trocknungsprozesses, ausschalten möchte. Dies ist vor allem bei grossflächigen Anwendungen notwendig, wenn man beispielsweise mit einem derartigen Schaumprodukt Brandschutzaufgaben zu erfüllen hat.
In den folgenden Beispielen soll die Erfindung näher erläutert werden, ohne jedoch die Vielzahl an weiteren Möglichkeiten einzuschränken.
Komponente A besteht üblicherweise aus Wasser (15 Gew% oder 25 Gew% bis 60 Gew.%), Phosphatsalzen (beispielsweise Aluminiumphosphat) (10 Gew. % bis 40 Gew.%), freier Säure (0 Gew. % bis 30 Gew.%), wasserbindender Substanz (5 Gew.% bis 50 Gew.%, maximal 75 Gew.%), Füllstoff (kubisch, plättchenformig oder in Form von Stäbchen oder Fasern) (0 Gew.% oder 3 Gew. % bis 66 Gew. %) und fallweise organischen und anorganischen Additiven und Hilfsstoffen (0 Gew. % bis 10 Gew.%, bevorzugt 5 Gew.%).
Komponente B wird als Pulver, Paste oder wässrige Suspension eingesetzt Sie besteht daher fallweise aus Wasser (0 Gew. %, bevorzugt 25 Gew.% bis 60 Gew.%), Härter (0 bis 95 Gew %), Schäumer (härtend oder nicht härtend) (5 Gew. %, bevorzugt 30 Gew. % bis 100 Gew.%), wasserbindender Substanz (5 Gew. % bis 50 Gew.%, maximal 75 Gew.%), Füllstoff (kubisch, plättchenförmig oder in Form von Stäbchen oder Fasern) (0 Gew. % oder 30 bis 70 Gew. %) und fallweise organischen und anorganischen Additiven und Hilfsstoffen, beispielsweise Verzögerer und Beschleuniger (0 Gew. % bis 10 Gew %, bevorzugt 5 Gew.%).
Zu beiden Komponenten können, wenn nötig weitere Stoffe, wie verstärkend wirkende Stoffe (beispielsweise Fasern) in Mengen von 0 Gew. % bis 5 Gew. % oder 20 Gew. % zugesetzt werden, oder Teile der beschriebenen Komponenten können als eigene Komponenten eingesetzt werden.
Die Herstellung der Mischungen in Form der Komponenten erfolgt durch Homogenisieren der
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eingewogenen Bestandteile in Behältern bevorzugt mit Dispergierscheiben oder anderen Mischorganen unter Einhalten einer bestimmten Reihenfolge der Zugabe der Bestandteile. Hierbei sind neben der Verteilung der Teilchengrössen der Füllstoffe im Verhältnis zueinander, um eine optimale Schaumstruktur bilden zu können, vor allem auch diverse Additive zu berücksichtigen. So wird die Viskosität durch Verflüssiger, das Schäumungs- und Benetzungsverhalten durch diverse oberflächenaktive Additive, das rheologische Verhalten durch Thixotropierungsmittel einzustellen sein, sodass eine für die Durchmischung und Schaumbildung optimale Viskosität der Komponenten erhalten wird.
Die Komponenten werden dann entweder kontinuierlich durch Pumpen oder andere geeignete Vorrichtungen in genau einzuhaltenden Mischungsverhältnissen zu einer Mischkammer gefördert und dort rasch homogenisiert oder diskontinuierlich innerhalb von 5 s, 10 s oder 20 s in Behältern bevorzugt mit Dispergierscheiben homogen vermischt und sofort in eine Form oder auf eine Unterlage gegossen. Die Mischzeit der Schaummasse ist allgemein im Bereich von 5 s bis 10 s, die Steigzeit unter 10 min, bevorzugt unter 5 min und die Abbindezeit bevorzugt zwischen 10 s und 30 min oder 60 min und soll einen Wert von 24 Stunden nicht überschreiten. Die Reaktionszeit der wasserbindenden Substanzen, bis es zum Vorliegen des endgültigen Schaumkörpers kommt, kann daher von 20 s bis 60 min, fallweise bis 24 Stunden oder 4 Wochen und darüber, beispielweise bei Einsatz von Zementgries, betragen.
Das Äquivalentverhältnis von Basen (rasch härtend wirkenden Substanzen) zu den Protonen der Phosphorsäure ist so einzustellen, dass überwiegend die sekundären Protonen der Phosphatgruppen neutralisiert werden Das heisst, wenn man zur Neutralisation der Phosphorsäure ein Äquivalent einer Base benötigt, so werden jeweils 0,33 Äquivalente zur Neutralisation jeweils eines Protons der dreibasigen Phosphorsäure benötigt. Somit wäre das Äquivalentverhältnis (E) zur vollständigen Neutralisation der sekundären Protonen E = 0,66.
Da dieser Wert nicht erreicht werden soll, da er einem alkalischen pH entspricht, bei welchem beispielsweise die Carbonate nicht mehr Kohlendioxid entwickeln, und es günstig ist einen pH-Wert unter pH 7, insbesondere zwischen pH 6 und pH 7, bevorzugt pH 6,2 bis pH 6,8 im Schaum einzustellen, ist es empfehlenswert unter Äquivalentwerten von 0,65, beispielsweise unter 0,64 oder 0,62 zu bleiben.
In Sonderfällen können die auf die Phosphorsäure bezogenen Aquivalentwerte von 0,65 jedoch überschritten werden Dies ist zum Beispiel beim Einsatz von konzentrierten Säuren in der A-Komponente der Fall. Hier ist es fallweise günstig langsam lösliche Magnesiumoxidtypen (etwa gröbere Korngrössen) einzusetzen, um die Exothermie der Magnesiumsulfatbildung auf einen längeren Zeitraum zu verteilen. In diesem Fall kann ein gewisser Anteil an unreagiertem Magnesiumoxid im Schaumkörper zurück bleiben. Dadurch kann das Äquivalentverhältnis von Säure zu Base naturgemäss grösser sein, als alleine zur überwiegenden Neutralisation der sekundären Phosphorsäureprotonen notwendig sind.
Für die Neutralisation der sekundären Phosphatgruppen im Schaumbildungsprozess gelten jedoch obigen Bedingungen, da sie ein festes vernetztes Phosphatgerüst garantieren.
Das Mischungsverhältnis der Komponenten A:B kann im Bereich [A] : [B] = [1 Teil] : [0,05 Teilen, (bevorzugt 0,1 Teil), bis zu 3 Teilen, (bevorzugt 2 Teilen)] sein. Die Mischungsverhältnisse werden, auch bei Einsatz von mehreren Komponenten, so eingestellt, dass unter Berücksichtigung einer zur Schaumfestigkeit beitragenden Hydratbildung hauptsächlich die sekundären Protonen der Phosphatgruppen neutralisiert werden.
Der Wassergehalt der Schaummasse soll zwischen 15 Gew.% und maximal 45 Gew.%, bevorzugt 30 Gew. % betragen. In das Schaumprodukt können Netze, Gitter und ähnliche Verstärkungsmaterialien eingeschlossen werden.
Es kann unter gegebenen Umständen vorteilhaft sein, die vorgemischten Komponenten als trockene oder in Wasser angeteigte Zwischenprodukte zu lagern und für eine spätere Verwendung bereit zu halten, wobei die Mischungsverhältnisse dann in einer derartigen Weise eingestellt werden, dass überwiegend die sekundaren Protonen der Phosphatgruppen neutralisiert werden.
Beispiele
Folgende Rohstoffe wurden in den angeführten Beispielen, welche zugleich drei unterschiedliche Methoden des Einsatzes der wasserbindenden Stoffe beschreiben, verwendet:
Wässrige 50%ige Aluminiummonophosphatlösung; Phosphorsäure (85 %ig); Schwefelsäure
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(95%ig) ; Gesteinsmehl Typ I ( < 100 ) und Typ II (100 bis 800 u) [bestehend aus 38 Gew % Glimmer, 18 Gew.% Glimmer, 19 Gew.% Quarz, 21 Gew.% Albit und 4 Gew.% Calcit]; Stuckgips ; Kreide ( < 100 ); Magnesiumoxid schwer ( < 150 ); basisches Magnesiumcarbonat ; mm Glas- fasern (Faserdurchmesser 8 ).
Beispiel 1. Gips als wasserbindende Substanz Komponente A : g 50%ige Aluminiummonophosphatlösung werden mit 120 g Stuckgips (Wasserbindewert- 65 Gewichtsprozent), einem im sauren Bereich wirksamen Netz- und Schaummittel und 6 g Glasfasern von 3 mm Lange versetzt.
Komponente B : g Wasser werden mit 3,65 g einer bei Raumtemperatur gesättigten tertiären Natriumphosphat-Lösung (Na3P04) als Verzögerer, 10 g Calziumcarbonatpulver und 7,5 g Magnesiumoxid schwer homogen vermischt.
Die Schaummasse entstehend aus den beiden Komponenten hatte folgende Prozessparameter.
Mischzeit Steigzeit Aushärtezeit Dichte 8 s etwa 30 s 2 min 0,30 g/cm3
Der Schaum wurde zwischen Aluminiumbleche gegossen und zeigte sehr gute Haftung.
Beispiel 2 Einstreuen von Zementkies
Eine Schaummasse wurde durch Vermischen der beiden folgenden Komponenten im Mischungsverhältnis A : B = 100 : 16produziert.
Komponente A : g Aluminiummonophosphatlösung, 100 g Gesteinsmehl Typ I,
Komponente B. 55 g Wasser, 80 g Gesteinsmehl Typ 1,90 g Magnesiumoxid, 18 g basisches Magnesiumcarbonat. g/CM3
Der Schaum mit der Dichte 0,40 g/cm3 enthält etwa 25 Gewichtsprozent Wasser. Während der Schaumbildungsphase wurden in 300 g Schaum (enthaltend etwa 75 g Wasser) 200 g eines Zementgrieses mit der Teilchengrösse von 60 bis 500 eingestreut Im Vergleich dazu wurde ein Schaumkörper ohne Zementgries hergestellt. Die Muster wurden in verschlossenen Gefässen aufbewahrt. Der Zementgries enthaltende Schaum war bereits nach einigen Tagen merkbar trocken und fest, während der andere Schaum feucht und weich blieb.
Die Lagerung einer weiteren Probe des Zementgries enthaltenden Schaumproduktes bei 75 C, wobei ein Temperaturbereich von 30 C-90 C, bevorzugt bei 40 C-75 C, empfehlenswert ist, bewirkte eine wesentliche Beschleunigung im Prozess der Wasserbindung
Beispiel 3 Entstehung der wasserbindenden Substanz Magnesiumsulfat in situ
Als wasserbindende Substanz wurde Magnesiumsulfat ausgewählt, welches sich durch Reaktion aus Schwefelsaure, die in der B-Komponente enthalten war und zusätzlichem Magnesiumoxid, welches der B-Komponente zugesetzt wurde, während und nach dem Prozess der Vermischung bildete. Die Viskosität der B-Komponente wurde durch Zusatz von geringen Mengen eines Verflüssigers in den Schaummassen B und C eingestellt
Die Schaummassen A, B und C wurden durch Mischen von folgenden Komponenten produziert.
EMI8.1
<tb>
<tb>
Schaummasse <SEP> A <SEP> B <SEP> C <SEP>
<tb> Komponente <SEP> A
<tb> 50%ige <SEP> Al(H2PO4)3 <SEP> Lsg <SEP> 40 <SEP> g <SEP> 40 <SEP> g <SEP> 40 <SEP> g
<tb> Gesteinsmehl <SEP> Typ <SEP> I <SEP> 28,8 <SEP> g <SEP> 28,8 <SEP> g <SEP> 28,8 <SEP> g
<tb> Gesteinsmehl <SEP> Typ <SEP> II <SEP> 23,2 <SEP> g <SEP> 23,2 <SEP> g <SEP> 23,2 <SEP> g
<tb> 95%iqe <SEP> Schwefelsäure <SEP> 0 <SEP> g <SEP> 10 <SEP> g <SEP> 20 <SEP> g
<tb> Wassergehalt <SEP> 21,7 <SEP> % <SEP> 20,0% <SEP> 18,75%
<tb> Komponente <SEP> B
<tb> Wasser <SEP> 12 <SEP> 12 <SEP> g <SEP> 12 <SEP> g <SEP>
<tb> Magnesiumoxid <SEP> 3,8 <SEP> g <SEP> 10 <SEP> g*) <SEP> 14 <SEP> g*) <SEP>
<tb> Calziumcarbonat <SEP> 2,4 <SEP> g <SEP> 2,4 <SEP> g <SEP> 2,4 <SEP> g
<tb> Gesteinsmehl <SEP> Typ <SEP> II <SEP> 6 <SEP> g <SEP> 6 <SEP> g <SEP> 6 <SEP> g <SEP> q
<tb> Wassergehalt <SEP> 49,6 <SEP> % <SEP> 39,5% <SEP> 34,
9%
<tb>
<Desc/Clms Page number 9>
EMI9.1
<tb>
<tb> Schaummasse <SEP> A <SEP> B <SEP> C <SEP>
<tb> Schaummasse
<tb> Wassergehalt <SEP> in <SEP> der <SEP> Masse <SEP> 27,5% <SEP> 24,5% <SEP> 22,5%
<tb> g <SEP> Wasser <SEP> in <SEP> der <SEP> Masse <SEP> 32 <SEP> g <SEP> 32,5 <SEP> g <SEP> 33 <SEP> g
<tb> Wasserbindung <SEP> durch <SEP> Magnesiumsulfat <SEP> **) <SEP> 0 <SEP> g <SEP> 12,2 <SEP> g <SEP> 24,4 <SEP> g
<tb> verbleibt <SEP> eine <SEP> Restfeuchte <SEP> von <SEP> 32 <SEP> g <SEP> 20,3 <SEP> g <SEP> 8,6 <SEP> g
<tb> Wassergehalt <SEP> in <SEP> der <SEP> Schaummasse <SEP> 27,5 <SEP> % <SEP> 15,3 <SEP> % <SEP> 5,9 <SEP> % <SEP>
<tb>
*) Ein Überschuss an Magnesiumoxid wurde eingesetzt, um die Schwefelsäure rasch und vollständig zu neutralisieren.
**) Die Wasserbindung wurde durch die Tatsache, dass ein Mol Schwefelsäure (Mol.gew.: 98) als Magnesiumsulfat sieben Mol Wasser (Mol gew : 18) bindet, berechnet.
(x g Schwefelsäure x 0,95) x (7 x 18/98) = y g gebundenes Wasser
Die Schaummassen wurden in geschlossenen Behältern 3 Stunden bei 70 C gelagert und nach einem anschliessenden Abkühlprozess auf Raumtemperatur beurteilt.
Schaumprodukt A B C war feucht weich hart
Die erhaltenen Resultate stehen in guter Übereinstimmung mit den berechneten Werten.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Überwiegend anorganische Schaummasse hergestellt durch Zusammenmischen von zwei oder mehr Komponenten wovon mindestens eine flüssig und sauer ist und Wasser, Phos- phate oder Phosphorsäure als Bindemittel enthält und zumindest eine zweite Komponente, welche mehrwertige Kationen in einer mit Säure reaktiven Form enthält, dadurch gekenn- zeichnet, dass eine wasserbindende Substanz zur Bindung zumindest eines wesentlichen
Teiles des in der Schaummasse enthaltenen Wassers enthalten ist.