DE10152545A1

DE10152545A1 - Verfahren zur Herstellung eines schwer entflammbaren Faserverbundwerkstoffs

Info

Publication number: DE10152545A1
Application number: DE2001152545
Authority: DE
Inventors: Ralf Schneider
Original assignee: BOTTHAEUSER DIRK
Current assignee: BOTTHAEUSER DIRK
Priority date: 2001-10-24
Filing date: 2001-10-24
Publication date: 2003-05-15
Anticipated expiration: 2021-10-25
Also published as: DE10152545B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines schwer entflammbaren Faserverbundwerkstoffes und einen nach dem Verfahren hergestellten Werkstoff als Bau-, Wärmeisolier- und/oder Schallisoliermaterial, nach welchem Fasern eines Naturfaserstoffes auf bestimmte Längen zerkleinert und mit trockenen Schäben mit bestimmter Körnungsgröße gemischt werden. Das Gemisch wird mit Kalk und Kieselsäure unter Zugabe von Wasser benetzt und mit Kohlendioxid beaufschlagt und nach dem Zusetzen von mineralischen Bindemitteln, Porenbildner und Beschleuniger in eine Form zur Porenbildung während einer bestimmten Abbindezeit eingebracht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines schwer entflammbaren Faserverbundwerkstoffs als Bau-, Wärmeisolier- und/oder Schallisoliermaterial, der zur Errichtung und Herstellung von Wärme-, Schall- und/oder Stoß-Dämmschichten sowie als Ersatz von Bausteinen aus gebranntem Ton, Formsandkalksteinen und Gasbetonbausteinen verwendbar ist.
Aus der DE 36 24 164 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Wärme-, Schall- und/oder Stoß-Dämmschichten bekannt, bei dem Recyclingstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen, wie Stroh, Holzwolle, und/oder aus Wertstoffen wie Papier, Kunststoff, Geweben oder dergleichen geringer Wärmeleitfähigkeit, zerkleinert werden und in einer Mischkammer diesen faserhaltigen Mischstoffen Bindemittel solcher Dosierung beigesetzt werden, um die Oberflächen der Stoffe mit den Bindemittel zu benetzen. Die benetzten Stoffe werden danach einem Formungs- und Verfestigungsprozess unterworfen. Als Bindemittel wird dem Gemisch ein Polyurethankomponenten-Gemisch zugesetzt. Die flüssige, benetzte Masse wird auf ein Förderband mit seitlicher Begrenzung aufgebracht und als Bauplatte im Durchlaufverfahren hergestellt. Ein Durchlaufen durch ein Transportbandsystem aus einem oberen und einem unteren Band dient der Höhenbegrenzung des Materials. Die Länge des Transportsystems ist so lang gewählt und die Vorschubsgeschwindigkeit so festgelegt, dass eine vorbestimmte Aktivierungs- oder Verfestigungszeit für die Dämmschicht vorbestimmter Dicke eingehalten wird.
Ähnliche Verfahren sind in der DE 40 18 549 C1, DE 296 18 110 U und in der DE 40 25 694 C1 angegeben. Nach diesen bekannten Verfahren werden faserverstärkte Dämmmaterialien aus faserhaltigen Ausgangsmaterialien durch Zugabe von hydraulisch wirkenden Bindemitteln, Zement, Schlackenfeinpulver, Gipsfeinpulver sowie Schaummitteln und anschließender Dampfhärtung hergestellt.
Es hat sich gezeigt, dass die bekannten Faserverbundwerkstoffe nur bedingt einsatzfähig sind, insbesondere da sie nur unter Verwendung von chemischen Zusätzen flammhemmend realisiert werden können.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines schwer entflammbaren Faserverbundwerkstoffes sowie Faserverbundwerkstoffe, die nach dem Verfahren hergestellt sind, anzugeben.
Gelöst wird die Aufgabe durch Anwendung des im Anspruch 1 angegebenen Verfahrens zur Herstellung eines schwer entflammbaren Faserverbundwerkstoffes.
Vorteilhafte Verfahrensschritte und Fortbildungen sind in den abhängigen Unteransprüchen 2 bis 23 angegeben, Faserverbundwerkstoffe in Block-, Platten- und Granulatform in den Ansprüchen 24 bis 27.
Der nach dem Verfahren hergestellte Verbundwerkstoff besteht aus nachwachsenden Rohstoffen, insbesondere aus Holz- und Faserpflanzen, wobei den Faserpflanzen Hanf und Sisal sowie Flachs und Kenaf der Vorzug gegeben wird, da diese sehr faserhaltig sind und Schäben aus diesen Pflanzen ebenfalls hergestellt und den Fasern zugemischt werden können. Flachs und Hanf können großflächig angebaut werden und stehen als Ausgangsstoff in ausreichender Menge zur Verfügung. Es handelt sich dabei um Faserpflanzen, die in früheren Zeiten Ausgangsstoffe sowohl für Baumaterialien als auch für Bekleidung und sonstige gewebte Stoffe waren. Solche nachwachsenden Rohstoffe besitzen eine zunehmende Akzeptanz, insbesondere in der Bau- und Möbelindustrie sowie im Fahrzeugbau. Der Einsatz der Rohstoffe ist häufig mit dem Problem verbunden, dass in Folge der teilweise leichten Entflammbarkeit von biologischen Fasern bzw. deren Empfindlichkeit gegen Schädlinge (Pilze, Bakterien, Insekten, Nagetiere) entsprechend chemisch-biologisch wirksame Zusätze erforderlich sind. Um eine entsprechende Schutzwirkung zu erreichen, werden meistens Imprägnierungen mit Salzlösungen oder anderen Substanzen, die als Flammhemmer, Insektizide, Fungizide dienen, vorgenommen, die entweder nur an der Faseroberfläche haften oder durch Nassimprägnierung in die Faser eingebracht werden. Solche Stoffe stellen ein Umweltgefahrenpotential dar, da die Stoffe insbesondere bei der Verarbeitung Dioxin entstehen lassen können.
Mit der Erfindung wird hier Abhilfe geschafft und ein Verfahren angegeben, das in jedem Fall sicherstellt, dass die einzelnen Fasern und Schäben durch Naturstoffe schwer entflammbar sind und gegen Schädlinge und Pilze nachhaltig geschützt werden. Durch eine mechanische Aufbereitung und anschließende hydrothermale Weiterbehandlung der Naturfasern und Schäben unter Zugabe von organischen und mineralischen Zusatzstoffen wird dabei ein druckfester formstabiler und schwer entflammbarer Faserverbundwerkstoff hergestellt. Die als Formbausteine oder in Plattenform hergestellten Faserverbundwerkstoffe nach der Erfindung können z. B. als Leichtbau- oder Dämmstoff für Holzbauwerke, als Material zur Ausfachung von Hohlräumen in Bausegmenten, als miteinander verklebbare oder mit Mörtel verlegbare Formsteine oder als Granulat zum Wärme- und Dämmschutz in hohlen Mauerwerk-, Ständerbau- und Fachwerkbausystemen sowie im Innenausbau verwendet werden.
Nach der mechanischen Zerkleinerung der Fasern und Mischung mit den Schäben im trockenen Zustand wird diesem Gemisch Brandkalk und Kieselsäure und/oder Quarzsand unter Zugabe von Wasser beigemengt und erreicht, dass die Naturfasern und Schäben damit umhüllt werden. Der Prozess kann beschleunigt und verfeinert werden durch Zugabe temperierten Mischwassers, auch durch Abwasser aus der Trocknung. Als besonders wirkungsvoll hat sich die Mischung des Faser-Schäben-Gemisches in einem drehbaren Zylinder mit Dolomitkalk und Kieselsäure gezeigt. Nach der vollständigen Benetzung wird beispielsweise im Gegenstromverfahren dem Stoffgemisch heißes Kohlendioxidgas zugesetzt. Hierdurch werden die Karbonatisierung der Alkalisilikate bewirkt und die einzelnen Teile des Faser- Schäben-Gemisches vollständig umhüllt, was die gewünschte Eigenschaft, nämlich Brandhemmung und Quellhemmung beim weiteren Prozess und auch bei der Verwendung als Baumaterial bewirkt. Die Naturfasern werden in dem mechanischen Zerkleinerungsprozess vorzugsweise auf Längen von ca. 4 bis ca. 15 mm zerkleinert, die Schäben auf Durchmesser ca. 5 mm granuliert. Die vorbehandelten Naturfasern und Schäben können darüber hinaus auch in der Trockenstufe mit Zement und Branntkalk vorgemischt werden, bevor die Benetzung des Gemisches mit Kalk und Kieselsäure unter Zugabe von Mischwasser erfolgt.
Nach der Karbonatisierung wird dem benetzten Gemisch mineralisches Bindemittel, Porenbildner und Bindebeschleuniger zugesetzt und das gesamte Gemisch zu einem fließfähigen Brei verrührt und dann in eine Form gebracht.
Der Zusatz von Porenbildnern führt zu einem Volumenzuwachs zwischen ca. 25% bis ca. 30%. Der so erhaltene Brei erstarrt nach ca. 35 bis ca. 45 Minuten bei normaler Umgebungsluft und kann anschließend aus der Form entnommen und auf eine Zwischenlage verbracht werden, um die Porosierung fortführen zu können. Dieser Prozess kann auch im Durchlauf bei entsprechend großen Fertigungsanlagen auf dem Fließband erfolgen. Nach Abschluss der Porosierung und des Abbindevorganges wird der Rohling in Autoklaven transportiert und mittels gespanntem Wasserdampf gehärtet und getrocknet. Danach erfolgt der Zuschnitt und - falls gewünscht - eine Oberflächenbehandlung. An definierter Stelle im Ablauf des Misch- und Formgebungsprozesses kann der Zusatz von Binde- und Stabilisierungsfasern zusätzlich erfolgen. Diese Fasern sind Langfasern und werden in einer Schicht oder in mehreren Schichten eingelegt und binden großflächige Formteile insbesondere bei der Ausführung in Plattenform zusätzlich, wodurch eine hohe Stabilität und Belastbarkeit erreicht werden.
Das Herstellungsverfahren wird nachfolgend an Beispielen ergänzend erläutert.

Beispiel 1

Die Naturfasern, beispielsweise Hanffasern, die in Ballenform vorliegen, werden mit einer Zerkleinerungssmaschine auf 5 bis 15 mm Länge zerrissen oder zerschnitten. Diese Naturfasern werden in trockenem Zustand mit Schäben, die eine Körnung ≤ 5 mm aufweisen, trocken gemischt. Die Schäben können lose in einem Spänebunker deponiert sein und werden beispielsweise mittels Schneckenförderer in den Mischer transportiert. Das Mischungsverhältnis aus Faseranteil und körnigen Schäben beträgt zweckmäßigerweise ca. 15%. Das vorgemischte Faserschäbengemisch wird in einen Trommelmischer eingebracht und hier mit Dolomitkalk und Kieselsäure, ggf. auch unter Zusatz von Zement und Beimischung von Wasser, vorzugsweise temperiertes Mischwasser, benetzt. Die biogene Kieselsäure oder der Quarzsand werden in fein gemahlenem Zustand beigegeben. Durch die Rotation des zylinderförmigen Trommelmischers erfolgt eine intensive Oberflächenbehandlung der Fasern und Schäben, so dass eine vollständige Umhüllung der Ausgangsmaterialien erreicht wird. Der Dolomitkalk, die Kieselsäure und ggf. der Quarzsand sowie der ggf. zugesetzte Zement werden lose in Silos gelagert und über Schneckenförderer dosiert zugeführt.
Im Gegenstromprinzip wird durch den Trommelmischer (Applikator) heißes Kohlendioxid sodann geleitet, so dass in Verbindung mit in der Kieselsäure enthaltenen Alkalioxide in eine Carbonatisierung erfolgt und die einzelnen Fasern und Schäben des Faserschäbengemisches von einem wenigen mikrometerdicken Carbonfilm vollständig umhüllt werden, wodurch in gewünschter Weise eine Brand- und Quellhemmung erzielt wird. Dem so erhaltenen Gemisch wird in einem gesonderten Mischer Porenbildner dosiert zugegeben, z. B. Al-Paste und Abbindebeschleuniger, z. B. CaCl₂, Al₂(SO₄)₃, Na₂SO₄ und mehrere Minuten, ca. 3 Minuten, intensiv gemischt.
Die fließfähige Masse wird sodann in Formen eingegeben, in welchen sie bis zum Abschluss der Porenbildung und Abbindezeit, die ca. 35 bis 45 Minuten beträgt, verbleibt. Die Form kann beispielsweise ein fahrbarer Trog in Quaderform sein.
Nach der Abbindezeit wird der Rohling auf einen Transportwagen oder ein Förderband gegeben und der Trog gereinigt und für die weitere Verwendung zum leichteren Herauslösen der Masse eingeölt.
Mittels gespanntem Wasserdampf wird der Rohling in einer Autoklave ausgehärtet und durch Vakuumziehen das Wasser wieder entzogen, das für den Mischprozess mit den Zusatzstoffen verwendbar ist. Danach werden der Rohling in Plattenblöcke oder Formsteine zersägt, die Teile gefräst und die Oberfläche behandelt.

Beispiel 2

Die vorher in Beispiel 1 angegebene fließfähige Masse wird nach einem zweiten Verfahren nicht in einen Trog eingegeben, sondern zur Formgebung auf ein Transportband kontinuierlich aufgegeben, das seitliche Begrenzungen aufweist, so dass in Platten- oder Blockform im Fließverfahren ein Endlosrohling hergestellt werden kann. Die Vorschubsgeschwindigkeit ist dem langsamsten Prozess unter Berücksichtigung der Länge des Transportandes angepasst. Die im Vorschubverfahren mittels eines Transportbandes während der Abbindezeit vorgeschobene Masse wird abgetrennt und im Durchlaufofen zunächst mit gespanntem Wasserdampf gehärtet und dann getrocknet, und zwar ohne Vakuumbildung. Danach werden die in langen Blöcken vorliegenden Tafeln oder Blöcke durch mechanische Trennung oder durch Trennung mittels Laserstrahlen in die Verarbeitungsform des Baumaterials gebracht.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines schwer entflammbaren Faserverbundwerkstoffs als Bau-, Wärmeisolier- und/oder Schallisoliermaterial mit folgenden Verfahrensschritten:

a) Zerkleinern der Fasern eines Naturfaserstoffes auf bestimmte Längen;

b) Mischen der zerkleinerten, trockenen Naturfasern mit trockenen Schäben mit bestimmter Körnungsgröße;

c) Benetzen des Gemisches mit Kalk und Kieselsäure unter Zugabe von Wasser;

d) Einleiten von Kohlendioxid in das benetzte Gemisch;

e) Dosiertes Zusetzen von mineralischen Bindemitteln, Porenbildner und Bindebeschleuniger und Durchmischen des Gemisches;

f) Einbringen der fließfähigen Masse in eine Form zur Porenbildung während einer bestimmten Abbindezeit;

g) Entnehmen des abgebundenen Formkörpers und Unterziehung einer hydrothermalen Behandlung zur Härtung und Trocknung.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern des Naturfaserstoffes auf eine Länge < 30 mm, vorzugsweise ca. 3 mm bis ca. 16 mm, zerkleinert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Körnung der Schäben ≤ 8 mm, vorzugsweise ≤ 5 mm ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Fasern und Schäben des Faser-Schäbengemischs in einem sich drehenden Zylinder mit Dolomitkalk und biologischer Kieselsäure oder Quarzsand und/oder Calcium/Magnesiumoxidfeinpulver unter Zugabe von Wasser benetzt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Gegenstromprinzip durch das benetzte Faser-Schäbengemisch heißes Kohlendioxid zur Karbonatisierung der in der Kieselsäure enthaltenen Alkalioxyde eingebracht wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigmasse auf ein Transportband mit seitlicher Fließbegrenzung zur Porenbildung kontinuierlich fließt.

7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass während des Verfüllens der Form ein Geflecht oder Fließstoff aus langen Naturfasern ein- oder mehrschichtig in die Masse eingebettet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Trocknung und Aushärtung der abgeformten aufgeschäumten Masse oder Formsteine im Durchlaufverfahren während des Transports durch einen Sprühtunnel und Tunnelofen oder in seiner Autoklave mit anschließender Vakuumierung erfolgen.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die der Form entnommene Masse von der hydrothermischen Behandlung granuliert wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrothermische Behandlung mittels gespanntem Wasserdampf erfolgt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Flächenmaterial mit einer Oberflächenbeschichtung versehen wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Materialrohling Blöcke, Platten oder Formsteine vor oder nach dem Aushärteprozess ausgeschnitten werden.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die sichtbaren Oberflächen der Formsteine oberflächenbehandelt werden.

14. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern von Hanf, Flachs, Sisal oder Kenaf als Naturfaserstoffe eingesetzt werden.

15. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass Schäben der Naturstoffe Flachs, Hanf, Holz, Stroh verwendet werden.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass weitere gekörnte Naturstoffe, wie Kork, granulierte oder geschäumte Materialien und mineralische Bindemittel, zugesetzt werden.

17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass Kalzium, Magnesium, Feinkalk, organische Kieselsäure oder Silikathydrate und Portlandzement und Abbindebeschleuniger sowie Porenbildner zugesetzt werden.

18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Faseranteil im körnigen Ausgangsgemisch bis zu ca. 15% beträgt.

19. Verfahren nach Anspruch 1 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass Quarzsand und temperiertes Wasser dem Gemisch zugeführt werden.

20. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Abbindebeschleuniger CaCl₂, Al₂, (SO₄)₃, Na₂SO₄ verwendet wird.

21. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Benetzen des Gemisches mit Kalk und Kieselsäure dem Faser-Schäben-Trockengemisch Zement und Branntkalk in Trockenform zugesetzt werden.

22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Porenbildner Al-Paste zugesetzt wird.

23. Verfahren nach Anspruch 1 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbindezeit ca. 35 min. bis 45 min. beträgt.

24. Faserverbundwerkstoff in Blockform, hergestellt nach dem Verfahren nach Anspruch 1 in Verbindung mit einem oder mehreren der Unteransprüche 2 bis 8 und 10 bis 23.

25. Faserverbundwerkstoff in Plattenform, hergestellt nach dem Verfahren nach Anspruch 1 in Verbindung mit einem oder mehreren der Unteransprüche 2 bis 8 und 10 bis 23.

26. Faserverbundwerkstoff in Granulatform, hergestellt nach dem Verfahren nach Anspruch 1 in Verbindung mit einem oder mehreren der Unteransprüche 2 bis 8 und 10 bis 23 mit nachträglicher Granulierung in einer Zerkleinerungsmaschine.

27. Faserverbundwerkstoff in Granulatform, hergestellt nach dem Verfahren nach Anspruch 1 in Verbindung mit Anspruch 9 und einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 8, und 10 bis 23.