Verfahren zur Herstellung von Faserverbundwerkstoffen, insbesondere Doppelbodenplatten, sowie mit dem Verfahren hergestellte Platten

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Faserverbundwerkstoffen, insbesondere Doppelbodenplatten, gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches. Die Erfindung betrifft weiterhin die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Platten.

Faserverbundwerkstoffe mit anorganischen Bindemitteln werden zu einem großen Teil in einem sogenannten Naßverfahren hergestellt. Das Naßverfahren wird so durchgeführt, daß aus wasserreichen Suspensionen über einen Siebzylinder oder einen Direktstoffauflauf auf ein umlaufendes Sieb- oder Filzband durch eine Teilentwässerung ein sehr dünnes endloses Vlies entsteht, welches auf einer Formatwalze zu einem mehrschichtigen dickeren Plattenvlies gewickelt wird.

Nach dem Erreichen einer der Plattensolldicke entsprechenden Vliesdicke wird das Vlies von der Formatwalze beginnend von einer Trennlinie abgewickelt. Das Naßverfahren hat den Vorteil einer funktionalen Stoffverteilung und Faserorientierung, ist dabei jedoch mit einer ganzen Reihe von Nachteilen behaftet. Dazu gehören Aufwendigkeit des Verfahrens, Entwässerungs- und Abwasserproblem, zwingende Mehrschichtigkeit der Platten, Notwendigkeit der Umformung des Vlieses von der Zylinderwicklung in die Plattenform und schließlich die Begrenzung der Plattendicke.

Daneben existieren Halbtrockenverfahren, teilweise auch als Trockenverfahren bezeichnet, zur Herstellung von Verbundwerkstoffen. Diese Verfahren versuchen die Nachteile des Naßverfahrens zu vermeiden. KLOS (Asbestzement, Technologie und Projektierung, Springer-Verlag 1967) beschreibt u.a. ein Verfahren, nach dem das Asbest-Faser-Zementgemisch während des Streuens auf eine trockene oder eine mit Wasser angefeuchtete Unterlage mit Wasser besprüht wird. Ein weiterer Vorschlag zur Durchführung des Verfahrens basiert auf dem Durchfeuchten der schwach angefeuchteten Mischung, indem diese durch eine Siebtrommel oder durch ein Rüttelsieb geleitet wird. Ferner wird ein Verfahren beschrieben, nach dem abwechselnd trockene und flüssige Gemischschichten auf ein Band abgelegt und dann verdichtet werden. Auch das Hindurchführen eines trockenen oder halbtrockenen Stoffvlieses zwischen zwei Transportbändern und das Befeuchten des Stoffvlieses durch einen umlaufenden, mit Flüssigkeit gespeisten Siebzylinder wird in der oben genannten Literaturstelle geschildert.

Ferner ist eine Anzahl von Vorschlägen zur Herstellung von Fasergips- und Faserzementplatten bekannt.

Die DE-OS 30 15 734 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen von faserverstärkten Platten, wobei ein wäßriger Schlamm aus Zement und Fasern einem Filtertuch aufgegeben wird, danach Überschußwasser abgezogen und mehrere feuchte Schichten zu einem mehrlagigen Produkt kombiniert werden. Damit die herzustellenden Platten die gewünschten Eigenschaften aufweisen, muß dem wäßrigen Schlamm ein feines Material, dessen Korngröße kleiner als die der Zementteilchen ist, zugesetzt werden.

Die DE-OS 28 54 506 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer asbestfreien Bauplatte, die aus Cellulosefasern und/oder Altpapier, hydraulischem Bindemittel und gegebenenfalls anorganischen oder organischen Zusatzfasern und/oder mineralischen Zuschlagstoffen besteht, wobei die Cellulosefasern und/oder das Altpapier auf einen Mahlgrad von 30-70° SR gebracht wurden.

Daneben beschreibt die CH-PS 505 674 ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Formkörpern aus Gips und voluminösen verfilzenden Fasern durch Aufbringen des trockenen Materials auf eine sich endlos bewegende Formfläche und Befeuchten des Materials mit einer solchen Wassermenge, die wenig über der zur Abbindung notwendigen Menge liegt, wobei die Dosierung und Verteilung der trockenen Materialien aus Vorratssilos auf ein dem Formband vorgelagertes Vorformband so erfolgen, daß ein zweischichtiger lockerer Strang entsteht, der aus einem Faserbett und einem darauf oder darunter liegenden Gipsbett gebildet wird, und die beiden Schichten des Stranges in vertikaler Richtung miteinander vermischt werden, bevor die Zuführung des Abbindewassers während oder nach der Überführung des Stranges vom Vorformband auf das Formband erfolgt und anschließend verdichtet wird.

Die DE-OS 34 04 658 bezieht sich auf ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Platten aus Gips und Faserstoff, wobei in einem ersten Mischvorgang die Befeuchtung erfolgt. Die Wasserzugabe wird bei diesem Verfahren so geregelt, daß die Dosierung des Trockengemisches vor dem zweiten Mischvorgang volumetrisch oder gewichtsmäßig vorgenommen wird.

Aus der DE-OS 27 51 466 ist ein Verfahren zur Herstellung von Platten aus Faserwerkstoffen und Gips bekannt, nach dem das Preßgut auf ein bewegtes Siebband aufgestreut, in feiner Verteilung benetzt und entwässert wird, wobei das Wasser während der Siebbandbewegung auf das fertiggestreute Preßgut aufgegeben, worauf anschließend eine Saugwirkung ausgeübt und das Preßgut entwässert wird.

Die Patentanmeldung P 32 47 009.6 betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Platten aus Abbindewasser enthaltenden Teilchen und pulverförmigem Gips, die auf einer bewegten Unterlage ein Vlies bilden, welches zu einem Plattenstrang gepreßt wird, wobei den Teilchen zunächst das Abbindewasser zugesetzt wird und diese erst unmittelbar vor dem Mischen mit dem Gips zusammengebracht werden. Das homogene Mischen von Gips und Teilchen erfolgt während des Fallweges auf die Unterlage.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß die bekannten Naßverfahren und Halbtrockenverfahren die Forderungen einer optimalen und funktionalen Stoffverteilung, insbesondere Faserorientierung, nicht erfüllen können. Entsprechend gering sind demnach die Festigkeitswerte der hergestellten Platten, die bei vergleichbarer Materialzusammensetzung nur Biegefestigkeiten von höchstens 50 % (6...8 N/mm²) des möglichen Maximums aufweisen. Dies bedeutet, daß von den in der Platte vorhandenen Fasern nur ein kleiner Teil für die Erhöhung der Biegefestigkeit bzw. Bewehrungswirkung genutzt werden kann. Mit dem Ziel, höhere Festigkeitswerte zu erreichen, wird üblicherweise das Faser-Bindemittel-Verhältnis bei gleichem Wasser-Bindemittel-Verhältnis erhöht, was zur Folge hat, daß die Streufähigkeit des Stoffgemisches zwar verbessert wird, aber die durch den höheren Faseranteil hervorgerufenen größeren Rückstellkräfte und geringeren Querzugfestigkeiten der Platten verhindern eine Biegefestigkeitszunahme bei gleichzeitiger Verschlechterung des Brandverhaltens. Unter diesen Bedingungen sind nur Platten herstellbar, deren Dichte unterhalb des Optimums und dementsprechend die Festigkeiten unterhalb des Maximums liegen. Ihre Anwendung für hochbeanspruchte Werkstoffe, z.B. Doppelbodenplatten, ist dadurch nicht oder nur sehr begrenzt möglich.

Die anwendungsrelevanten Nachteile von nach bekannten Halbtrockenverfahren und Naßverfahren hergestellten Faserverbundwerkstoffen sind das Ergebnis von Vorgehensweisen, die einzelne Eigenschaften zwar verbessern können, im Hinblick auf die für die Doppelbodenplatten geforderte Gesamtheit von Eigenschaften, jedoch untauglich sind, um den konträren Einfluß des Wasser-Bindemittel-Verhältnisses (Prozeßwasser) auf die Streufähigkeit (Stoffverteilung), die Hydratbildung und die Werkstoffeigenschaften im nach Anspruch 1 definierten Verdichtungszustand zu berücksichtigen.

Ferner kann aufgrund der noch hohen freien Feuchte dieser Platten (15 bis 27 M%) auf eine technische Trocknung nicht verzichtet werden.

Hier setzt die vorliegende Erfindung ein, deren Ziel es ist, ein Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffen auf der Basis von durch Hydratbildung erhärtenden Bindemitteln und Fasern zur Verfügung zu stellen, wobei der Prozeßwasserbedarf und der freie Restwassergehalt im fertigen Produkt erheblich reduziert werden soll. Das Verfahren soll weiter dazu geeignet sein, unter Vermeidung der Mehrschichtigkeit Platten mit einer Biegefestigkeit herzustellen, die deutlich über der des Standes der Technik liegt.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

In den Ansprüchen 2 bis 10 sind vorteilhafte Weiterbildungen bezüglich des Verfahrens angegeben.

Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Platten sind durch die Merkmale des Anspruches 11 gekennzeichnet. Die Ansprüche 12 und 13 zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.

Die Verwendung der Verbundwerkstoffe ist durch die Merkmale des Anspruches 13 gekennzeichnet.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß durch eine gezielte Steuerung des Wasser-Bindemittel-Verhältnisses w im Zusammenhang mit dem Hydrat-Wasser-Bindemittel-Verhältnis w₀ sowie in Kombination mit den Verfahrensschritten und einer gezielten Verdichtung der Platten Verbundwerkstoffe hergestellt werden können, deren Biegefestigkeit über 15 N/mm² liegt.

Die Erfindung schließt dabei alle gängigen Bindemittel und Fasern, die aus dem Stand der Technik für die Herstellung von Faser-Verbundwerkstoffen bekannt sind, mit ein. Bevorzugt wird das Verfahren mit β-Halbhydratgips als Bindemittel sowie mit cellulosehaltigen Fasern durchgeführt.

Erfindungsgemäß wird beim Verfahren nun so vorgegangen, daß das Wasser-Bindemittel-Verhältnis w im Vergleich zum Hydrat-Wasser-Bindemittel-Verhältnis bei vollständiger Hydratation w₀ auf w ≦ 1,5 w₀ reduziert wird. Bevorzugterweise wird dabei ein Verhältnis von w ≦ 1,2 w₀ eingehalten. Die Definition w ≦ 1,5 w₀ schließt dabei Werte mit w ≦ w₀ nicht aus, da auch bei Verwendung eines nicht stöchiometrischen Wasserverhältnisses noch ausreichende Festigkeiten des fertigen Produktes erzielt werden. Es hat sich aber in Versuchen gezeigt, daß es besonders günstig ist, wenn w ca. 1,2 w₀ ist. Die Erfindung schließt aber alle Werte von w ≦ 1,5 w₀ mit ein.

Erfindungswesentlich ist nun, daß in einem ersten Verfahrensschritt (Anspruch 1, Merkmal a) ein Mischen aller Einsatzstoffe unter Einhaltung des geforderten Wasser-Bindemittel-Verhältnisses erfolgt. Überraschenderweise hat es sich gezeigt, daß es dabei ausreichend ist, wenn die Mischung aller Einsatzstoffe nur über eine kurze Zeitspanne, d.h. über wenige Sekunden bis maximal eine Minute, erfolgt. Vorteilhafterweise wird der Mischvorgang nur über eine Zeitspanne von höchstens 5 s durchgeführt. Die Einhaltung dieser Bedingung hat sich für den weiteren Prozeßverlauf als besonders günstig erwiesen.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung (Anspruch 4) sieht vor, daß der Verfahrensschritt a in zwei Teilbereiche aufgeteilt wird. Danach ist es vorteilhaft, wenn zuerst eine Mischung des Bindemittels mit den Fasern erfolgt und dann die Wasserzugabe anschließend vorgenommen wird. Nach der Wasserzugabe erfolgt dann ein erneutes Durchmischen. Mit dieser Maßnahme wird eine optimale Verteilung aller Einsatzstoffe erreicht. Dies wirkt sich besonders günstig bei der Hydratation und somit bei der erreichbaren Festigkeit aus.

Die vorteilhafte Maßnahme gemäß Anspruch 8 - die Zugabe von Additiven - bewirkt eine optimale Durchfeuchtung und Verteilung des Anmachwassers.

Die auf diese Weise hergestellte Frischmasse wird nun homogen zu einem Vlies gestreut. Die Höhe des Vlieses richtet sich dabei nach der gewünschten Solldicke d_soll der herzustellenden Platte unter Berücksichtigung der angestrebten Rohdichte ρ, die mindestens 0,9 ρ₀ betragen muß. Die Vlieshöhe der Platte muß demnach das zirka Fünf- bis Zehnfache der Plattensolldicke betragen.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung (Anspruch 9) wird vorgeschlagen, daß die Vliesbildung (Formgebung) mittels Separier- bzw. Mahlaggregaten erfolgt. Diese Maßnahme ist dahingehend vorteilhaft, daß sie die Bildung von Agglomeraten verhindert bzw. diese auflöst. Zu diesem Zweck durchläuft die Frischmasse unmittelbar vor der Vliesbildung z.B. eine Schlagkreuzmühle, so daß eine Homogenisierung derselben erreicht wird.

Erfindungswesentlich ist weiterhin nun, daß das so ausgestreute Vlies auf mindestens 0,9 ρ₀ verdichtet wird. Diese Verdichtung wird z.B. mittels einer Presse erreicht. Die Erfindung schließt selbstverständlich jegliche Vorrichtung mit ein, die dazu geeignet ist, auf das Vlies einen entsprechenden Druck auszuüben. Die Ausübung dieses Flächendruckes gewährleistet eine optimale Verteilung des Anmachwassers im Vlies. Damit kann eine nahezu vollständige Hydratation einsetzen.

Die auf diese Weise gebildete Platte verbleibt dann bis zum Hydratationsende in einem Verdichtungszustand (Merkmal 1d), für den die Aufrechterhatlung der konstanten Plattendicke (d_soll) und ein von der Hydratationszeit des Bindemittels abhängiger Druckabfall bis auf einen Restdruck nahe Null kennzeichnend ist. Die auf diese Weise hergestellte Platte besitzt dann unmittelbar nach der Entnahme aus der Presse nur noch max. 5 % freies Wasser und bedarf bis zur Einstellung des Gleichgewichtszustandes nur noch einer sehr kurzen oder keiner Trocknung.

Die Erfindung schließt auch die Herstellung von Verbundwerkstoffen geringerer Dichte als 0,9 ρ₀ mit ein (Anspruch 4). Erfindungsgemäß wird dazu frühestens 5 s nach dem Verdichten auf eine Dichte ≧ 0,9 ρ₀ eine Entspannung des Stoffvlieses auf minimal 0,5 ρ₀ durchgeführt. Dies wird dadurch erreicht, daß die Presse für die entsprechende Zeit geöffnet wird. In diesem Fall tritt dann eine Rückfederung des Fasermaterials ein. Durch diese einfache Maßnahme ist somit nun gewährleistet, daß mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens auch Verbundwerkstoffe mit geringerer Dichte hergestellt werden können.

Es hat sich nun gezeigt, daß die nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellten Platten ausgezeichnete Eigenschaften in bezug auf die Nennlast, Biegefestigkeit und E-Modul aufweisen. Die erfindungsgemäß hergestellten Platten weisen dabei eine Nennlast von mehr als 3000 N bei 2 mm Durchbiegung auf, was einer Biegefestigkeit von mehr als 15 N/mm² und einem E-Modul von mehr als 10 KN/m² entspricht. Damit stehen erstmalig Platten zur Verfügung, die für extrem hohe Belastungen ausgelegt sind. Die erfindungsgemäß hergestellten Platten eignen sich demnach besonders gut als Doppelbodenplatten für höchste Beanspruchungen. Die Dicke der Platten kann dabei je nach Anforderung zwischen 20 und 50 mm variieren.

Die Erfindung wird anhand von sechs Beispielen näher erläutert.

Beispiel 1:

Altpapier der Gruppe II/E12 wird mittels Trommelhakker zu Papierschnitzeln von ca. 20x20 mm² zerkleinert und anschließend mittels einer Mühle zu Fasern (R_F = 1,5 g/cm³) aufbereitet. Ein handelsüblicher Stuckgips (mit ca. 85 % β-Halbhydratanteil, R_B = 2,63 g/cm³) wird mit 15 Masse-% (x_F = 0,15) dieser Fasern innig vermischt. Dieser Trockenmasse wird das Anmachwasser w = 1,5w₀ = 0,25, das zur Abbindesteuerung Additive enthält, feinverteilt zugemischt. Unmittelbar nach dieser Wasserzugabe wird die Frischmasse zur Vliesbildung nochmals aufgemahlen oder aufgelockert und auf eine Unterlage gestreut. Nach dem Streuvorgang beträgt die Vlieshöhe für die Plattendicke von d_soll = 36 mm und einer Trockenrohdichte von 1690 kg/m³ ca. 250 mm. Das Vlies wird mittels einer Presse auf eine Vlieshöhe von d_soll verdichtet. Die auf diese Weise gebildete Platte verbleibt bis zum Hydratationsende im nach Anspruch 1 definierten Verdichtungszustand. Die Platte besitzt unmittelbar nach der Entnahme aus der Presse noch rund 5 % freies Wasser und bedarf bis zum Gleichgewichtszustand 20°C/65 % rel.Lf. (entspricht rund 2,5 % Feuchte) nur einer sehr kurzen Trocknung.

Die entsprechend der RAL-Vorschrift (RAL-GZ 941) erfolgte Prüfung ergibt eine Nennlast von mehr als 5000 N bei einer Durchbiegung von 2 mm. Die dementsprechende Biegefestigkeit beträgt mehr als 28 N/mm².

Beispiel 2:

Gemäß Beispiel 1 wird durch eine entsprechende Entspannung nach Anspruch 4 eine Platte mit einer Trokkenrohdichte von 1550 kg/m³ hergestellt. Die Prüfung nach RAL ergibt eine Nennlast von mehr als 4000 N bei 2 mm Durchbiegung. Die entsprechende Biegefestigkeit über 22 N/mm².

Beispiel 3:

Papierschnitzel werden mit einem Masseanteil von 15 % (bezogen auf das Bindemittel) mit diesem nach einem Vormischprozeß in einer Mühle gemeinsam vermahlen. Das Bindemittel besteht zu 70 % aus Stuckgips, zu 25 % aus Hüttensand (bindemittelfein) und zu 5 % aus Portlandzement. Wasserzugabe und Verdichtung erfolgen nach Beispiel 1. Mit dem Hydratationsende des Stuckgipses ist die erzeugte Platte weitgehend formstabil und manipulierbar, bedarf aber zur Hydratation der hydraulischen Komponente einer Reifelagerung von ca. 28 Tagen. Nach kurzer Trocknung ergeben sich bei einer Rohdichte von 1550 kg/m³ Nennlasten von mehr als 4500 N bei 2 mm Durchbiegung, und die Biegefestigkeit beträgt mehr als 25 N/mm².

Beispiel 4:

Beispiel 1 wird dahingehend modifiziert, daß der Faserstoff einen Anteil von 10 Masse-% und die Rohdichte 1600 kg/m³ aufweisen. Die Nennlast beträgt mehr als 3500 N bei 2 mm Durchbiegung. Die Biegefestigkeit beträgt mehr als 20 N/mm².

Beispiel 5:

Herstellung einer Platte gemäß Beispiel 1, jedoch mit verringertem Wasser-Bindemittel-Verhältnis von w = 1,2w₀ = 0,20. Die Dichte der fertigen Platte (im nach Anspruch 1 definierten Zustand) beträgt 1800 kg/m³. Die Platte besitzt unmittelbar nach Entnahme aus der Presse noch rund 2,3 % freies Wasser, was dem praktischen Gleichgewichtszustand 20°C/65 % rel.Lf. entspricht. Eine Trocknung der Platte ist nicht mehr erforderlich.

Die entsprechend der RAL-Vorschrift (RAL-GZ 941) erfolgte Prüfung ergibt eine Nennlast von mehr als 6000 N bei 2 mm Durchbiegung und eine Bruchlast von mehr als 13000 N. Die entsprechende Biegefestigkeit beträgt mehr als 30 N/mm².

Beispiel 6:

Platte wie nach Beispiel 5 hergestellt, jedoch betrug ihre Dichte nach einer entsprechenden Entspannung gemäß Anspruch 2 nur noch 1500 kg/m³. Die Nennlast betrug mehr als 4000 N bei 2 mm Durchbiegung, die Biegefestigkeit mehr als 23 N/mm².