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Dokumentenidentifikation DE102004006172B4 05.07.2007
Titel Sinterkörper, Verfahren zu seiner Herstellung und seine Verwendung
Anmelder Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, 76133 Karlsruhe, DE
Erfinder Nüesch, Rolf, Prof. Dr., 76137 Karlsruhe, DE;
Burkhard, Dorothee, Dr., 76297 Stutensee, DE
DE-Anmeldedatum 07.02.2004
DE-Aktenzeichen 102004006172
Offenlegungstag 01.09.2005
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 05.07.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 05.07.2007
IPC-Hauptklasse C04B 38/02(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse C04B 14/18(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Sinterkörper, ein Verfahren zu seiner Herstellung und seine Verwendung.

Seit Jahren sind im Bausektor Wärmedämmstoffe in Plattenform (Dämmstoffplatten) oder als Schüttungen erhältlich. Mineralische Wärmedämmstoffe z.B. auf der Basis von Silikaten wie natürlichem und geblähtem Perlit, Vermiculit, Natur- und Hüttenbims, Blähton und Blähglas sind feuerfest, im Allgemeinen chemisch resistent und umweltfreundlich.

Von besonderem Interesse ist hierbei das vulkanische Gestein Perlit, das durch schockartiges Erhitzen und Expandieren oberhalb von 1000°C gebläht werden kann. Geblähter Perlit weist eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit von 0,045 W/m·K auf und wird daher als körnige Hohlraumfüllung (Haufwerk) in der Fassadendämmung oder als Ausgleichsschüttung unter Trockenestrich eingesetzt.

Perlit-Platten finden insbesondere bei Flachdächern oder Parkdecks Verwendung, wobei deren Wärmedämmung im Vergleich zur Schüttung deutlich geringer ist. Aus der DE 197 12 835 A1 sind Formkörper aus Leichtzuschlagstoffen wie Perlit und Vermiculit bekannt, die unter Zugabe eines Alkalisilikats als Bindemittel durch Sinterung bei einer Temperatur zwischen 400°C und 1000°C hergestellt werden. Die EP 0 475 302 A1 offenbart ein Verfahren, Perlit-Platten durch Zugabe eines Natriumsilikatbinders bei einem Druck zwischen 2,07 und 35,49 bar und einer Temperatur zwischen 65 und 204°C herzustellen.

Aus der DE 199 23 144 A1 ist ein feuerfester Wärmedämmstoff aus Vermiculiten oder Perliten bekannt, dem 5-30 % Mikrohohlkugeln zugesetzt werden. Die DE 198 09 590 A1 beschreibt Feuerfestformkörper, die aus Metakaolin, Siliziumdioxid, Alkalisilkat (Wasserglas) sowie 30-70 Gew.-% Perlit und/oder Vermiculit gebildet werden.

Schließlich sind aus der DE 198 41 054 A1 Hohlkammerziegel bekannt, deren Luftkammern zur Steigerung der Wärmedämmung mit einem Trocken-Dünnbettmörtel, der Perlit, Vermiculit oder Bims als Leichtzuschlag enthält, gefüllt werden.

Aus H. Schmidt, Herstellung und Verwendung von Blähtongranulat im Spiegel der Literatur, In: Sprechsaal, 1070, Seite 867 bis 882, geht die Herstellung von Blähtongranulat hervor. Demnach werden Tonen, die von Natur aus keine oder nur ungenügende Bläheigenschaften aufweisen, Blähhilfsmittel z.B. in Form von Kalkstein oder Dolomit zugesetzt. Bei der Aufheizung bis ca. 1100°C setzen sie CO2 frei.

Die DE 696 17 889 T2 offenbart ein Filter-Verbundmedium, das hergestellt wird, indem eine Mischung aus Diatomit, expandiertem Perlit und Soda-Asche in einem Muffelofen bei 930°C 30 Minuten gesintert wird, aus dem Ofen und auf Raumtemperatur zu dem porösen Filter abgekühlt wird.

Die DE 100 20 955 A1 beschreibt die Herstellung eines Formkörpers, bei der thermisch vorexpandiertes Perlit als Granulat in eine Form gegeben wird, anschließend eine Erwärmung bis oberhalb der Erweichungstemperatur des Granulats durchgeführt und der Formkörper entformt wird.

Ausgehend hiervon ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen weiteren Sinterkörper vorzuschlagen. Es ist weiterhin die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Sinterkörpers sowie dessen Verwendung anzugeben.

Diese Aufgabe wird in Bezug auf den Sinterkörper durch die Merkmale des Anspruchs 1, in Bezug auf das Verfahren durch die Verfahrensschritte des Anspruchs 3 und in Bezug auf die Verwendung durch den Anspruch 4 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben jeweils vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Ein erfindungsgemäßer Sinterkörper umfasst das Sinterprodukt einer Mischung aus dem Silikat geblähter Perlit und der anorganischen Verbindung Natriumcarbonat Na2CO3, die im Bereich der Sintertemperatur des gewählten Silikats ein Gas freisetzt.

Die Erfindung basiert darauf, dass durch Zugabe der anorganischen Komponente zu einem Silikatglas oder -mineral durch gezieltes Aufschmelzen ein poröses Silikatglas hergestellt wird, dessen Dichte im Bereich zwischen 0,2 und 0,6 g/cm3 liegt. Das erfindungsgemäße Sinterprodukt besteht aus einem porösen Silikat, das eine multi-modale Porenverteilung im &mgr;m- und mm-Bereich besitzt, wobei die einzelnen Poren miteinander verbunden sind (kommunizieren).

Zur Herstellung erfindungsgemäßer Werkstoffe wird geblähter Perlit als Silikat-Komponente in Verfahrensschritt a) bereitgestellt und in Verfahrensschritt b) mit der anorganischen Verbindung Natriumcarbonat Na2CO3 vermischt. Die Mischung wird rasch und kurzzeitig bis zum Schmelzpunkt dieser Mischung erhitzt, so dass partiell das Gas Kohlendioxid CO2 entweicht und hierbei die Schmelze porosiert. Die Verfahrensschritte c) und d), d. h. das Erhitzen und Sintern der Mischung, dauern zusammen 15 Minuten. Der Sinterkörper wird schließlich gemäß den Verfahrensschritten e) und f) nach Abkühlen der gesinterten Mischung entnommen.

Der Silikat-Komponente wird ein Blähmaterial beigefügt, dessen Entgasung bei einer Temperatur erfolgt, die vorzugsweise im Bereich der Sintertemperatur des Silikats liegt. In der Praxis ist hierbei zu berücksichtigen, dass es bei der Mischung der beiden Komponenten Silikat und Blähmaterial zu einer Schmelzpunkterniedrigung kommt, d.h. die Entgasung muss möglichst in der Nähe der Schmelztemperatur liegen. Entweicht zu viel Kohlendioxid bzw. stickstoffhaltiges Gas steigt der Schmelzpunkt der Mischung an.

Erfindungsgemäß wird geblähter Perlit zur Herstellung eines formstabilen Wärmedämmstoffes auf mineralischer Basis gewählt. Geblähter Perlit ist ein Haufwerk eines hochporösen Granulates, das jedoch keine eigene Formstabilität aufweist. Als mineralischer Rohstoff ist er jedoch bereits feuerfest und chemisch weitestgehend resistent.

Überraschenderweise lässt sich erfindungsgemäß ein Wärmedämmstoff mit geringer Dichte herstellen, der gleichzeitig feuchteregulierend wirkt. Es wurde beobachtet, dass beim Abkühlen des Sinterprodukts aus einer Mischung aus geblähtem Perlit und Natriumcarbonat eine neue Komponente mit feuchteregulierenden Eigenschaften ausfällt. So erreicht man die Herstellung eines feuchteregulierenden Wärmedämmstoffs in einem einzigen Herstellungsschritt.

Es gibt eine Vielzahl von Wärmedämmstoffen auf mineralischer Basis. Diese Materialien regulieren jedoch die Feuchte nicht, sondern verlieren bei der Aufnahme von Feuchte einen Großteil ihrer Wärmedämmeigenschaften. Die Bereitstellung einer zusätzlichen Eigenschaft wie der Feuchteregulierung stellt einen erheblichen Vorteil für die Baubranche dar.

Erfindungsgemäß besitzt der Werkstoff aus Perlit und Natriumcarbonat Na2CO3 zusätzlich zur Wärmedämmung die Eigenschaft der Raumfeuchteregulierung, die insbesondere dazu geeignet ist, um gezielt Baufeuchte abzuleiten, Schimmelpilzbildung zu vermeiden oder einfach, um ein angenehmes Raum- und Wohnklima zu schaffen. Während in herkömmlichen Wärmedämmstoffen die Wärmedämmung mit zunehmender Luftfeuchte abnimmt, ist in erfindungsgemäßen Sinterkörpern darüber hinaus die Wärmedämmung vom Feuchtigkeitsgrad abgekoppelt, da die Wärmebrücken nicht identisch mit dem feuchteregulierenden Material (Natrium-Zeolith) sind.

Erfindungsgemäße Sinterkörper lassen sich daher als Wärmedämmstoff zum Beispiel in Form von Dämmstoffplatten verwenden, sie sind aber insbesondere als feuchteregulierender Wärmedämmstoff etwa in Form einer Dämmstoffplatte mit feuchteregulierenden Eigenschaften einsetzbar. Generell lassen sich erfindungsgemäße Sinterkörper oder hieraus hergestellte Granulate als Baustoff oder Bauhilfsstoff einsetzen.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Abbildungen zeigen

1 Differentiale Thermoanalyse (Differential Scanning Calorimetry DSC) von geblähtem Perlit in Luft. Die Heizrate betrug 20 K/min. Bei ca. 700°C beginnt exotherm der Sinterprozess.

2 Differentiale Thermoanalyse (DSC) eines Gemisches aus geblähtem Perlit und Natriumcarbonat im Gewichtsverhältnis 1:1, aufgenommen an Luft. Die Heizrate betrug 20 K/min. Der endotherme Peak bei ca. 850°C liegt bei der Schmelztemperatur des Carbonats (852°C).

3 Aufnahme eines verfestigten formstabilen Perlits, der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde.

4 Aufnahmen mit dem Bin-Okular zeigen Poren im Sinterprodukt aus geblähtem Perlit und Natriumcarbonat in mm-Größe. Maßstab: 1000 &mgr;m und 500 &mgr;m.

5 Aufnahmen mit dem ESEM (Environmental Scanning Electron Microscope) zeigen die poröse Struktur im Sinterprodukt aus geblähtem Perlit und Natriumcarbonat in multimodaler Verteilung im &mgr;m-Bereich. Im rechten Bild sind die beim Abkühlen ausgeblühten Natrium-Zeolithe, die Feuchtigkeit regulieren können, zu erkennen.

2 g geblähter Perlit wird mit 2 g Natriumcarbonat Na2CO3 im Gewichtsverhältnis 1:1 vermischt und in einem zylindrischen Tiegel in einem Kammerofen bei 800°C für 15 Minuten getempert. Man erhält so einen formstabilen Zylinder (3), der Poren im Mikrometer-Bereich aufweist (4), in denen Natrium-Zeolith ausgeblüht ist (5). Abweichungen des anfänglichen Gewichtsverhältnisses um wenige Prozent sind belanglos für das Ergebnis. Wird für die angegebene Menge an Perlit und Carbonat eine Temperzeit von 10-15 Minuten überschritten, verliert das Sinterprodukt seine Formstabilität.

Die DSC-Aufnahme (Differential Scanning Calorimetry) in 1 zeigt, dass geblähter Perlit ab ca. 700°C zu sintern beginnt. Der Schmelzpunkt von Natriumcarbonat Na2CO3 liegt bei 852°C. DSC-Aufnahmen eines Gemisches aus Na2CO3 und geblähtem Perlit im Gewichtsverhältnis von 1:1 zeigen, dass die Mischung bei ca. 800°C aufzuschmelzen beginnt und dass der endotherme Schmelzpeak praktisch mit demjenigen von Na2CO3 zusammenfällt (852°C). Beim Abkühlen wird Natrium-Zeolith, der feuchteregulierend wirkt, zur Ausfällung gebracht. Da die Feuchteregulierung über die Natrium-Zeolithe erfolgt und nicht über das Glas, bleibt die Wärmedämmung von der jeweils herrschenden Feuchtigkeit unbeeinträchtigt.

Aufgrund von Schmelzpunkterniedrigung kommt es bereits beim Tempern bei 800°C zur Aufschmelzung des Gemisches von geblähtem Perlit und Na2CO3. Hierbei werden zwei Glaskomponenten mit unterschiedlichem Natrium-Gehalt gebildet. EDS-Analyse ergab, dass der ursprüngliche Perlit angeschmolzen wird und sich zwei Mischschmelzen mit verschiedenem Natrium-Gehalt bilden. Während des Aufschmelzens entweicht Kohlendioxid partiell, was aufgrund der relativ hohen Viskosität des Silikatglases zur Ausbildung von Poren im Bereich von einigen &mgr;m bis einigen mm führt.

Die Dichte des erfindungsgemäß hergestellten Sinterkörpers liegt bei ca. 0,5 g/cm3, während dessen Stoffdichte 2,1 g/cm3 beträgt. Dessen Druckfestigkeit ist größer als 1500 kN/m2. ESEM-Aufnahmen (5) zeigen, dass auf der Oberfläche des Materials Natrium-Zeolithe ausgeblüht sind, die für ihre gute Feuchtigkeits-Adsorption und -Desorption bekannt sind. Legt man das Sinterprodukt in Wasser, werden die Natrium-Zeolithe herausgelöst, und zwar bereits nach 5 Minuten. Der Wärmedämmstoff selbst bleibt unversehrt, auch nach dreiwöchiger Lagerung in Wasser.


Anspruch[de]
Sinterkörper, dadurch erhältlich, dass geblähter Perlit mit Natriumcarbonat im Gewichtsverhältnis 1:1 vermischt und in einem Kammerofen bei 800°C für 15 Minuten getempert wird. Sinterkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dessen Dichte im Bereich zwischen 0,2 g/cm3 und 0,6 g/cm3 liegt. Verfahren zur Herstellung eines Sinterkörpers, umfassend die folgenden Verfahrensschritte:

a) Bereitstellen von geblähtem Perlit,

b) Mischen des geblähten Perlits im Gewichtsverhältnis 1:1 mit Natriumcarbonat,

c) Erhitzen der Mischung in einem Kammerofen auf 800°C und Tempern für 15 Minuten,

d) Abkühlen und Entnehmen des so hergestellten Sinterkörpers.
Verwendung eines Sinterkörpers nach Anspruch 1 oder 2 als Wärmedämmstoff. Verwendung eines Sinterkörpers nach Anspruch 4 als Dämmstoffplatte. Verwendung eines Sinterkörpers nach Anspruch 4 oder 5 zur Feuchteregulierung.






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