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Dokumentenidentifikation DE60125178T2 15.11.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001299320
Titel KUNSTSTOFFFASERN FÜR VERBESSERTEN BETON
Anmelder Dow Global Technologies, Inc., Midland, Mich., US
Erfinder PYZIK, J., Aleksander, Midland, MI 48640, US;
STEWART, B., Kenneth, Lake Jackson, TX 77566, US;
REDDY, P., Hari, Midland, MI 48640, US;
YANG, Kwanho, Midland, MI 48642, US;
ALLEN, M., Sharon, Midland, MI 48640, US;
MORGAN, A., Ted, Midland, MI 48640, US
Vertreter derzeit kein Vertreter bestellt
DE-Aktenzeichen 60125178
Vertragsstaaten AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE, TR
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 14.06.2001
EP-Aktenzeichen 019444991
WO-Anmeldetag 14.06.2001
PCT-Aktenzeichen PCT/US01/19049
WO-Veröffentlichungsnummer 2002000566
WO-Veröffentlichungsdatum 03.01.2002
EP-Offenlegungsdatum 09.04.2003
EP date of grant 13.12.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.11.2007
IPC-Hauptklasse C04B 16/06(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse C04B 20/10(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   D01F 8/06(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   E04C 5/07(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft Kunststofffasern zur Verstärkung von Beton und den die Fasern enthaltenden Beton.

Im Allgemeinen ist Beton ein sprödes Material mit hoher Druckfestigkeit, jedoch geringer Zugfestigkeit. In der Betonindustrie sind alle Betonarbeiten typischerweise auf Basis der Druckfestigkeit spezifiziert. Versuche zur Verbesserung der Rissfestigkeit (Zugfestigkeit) und Zähigkeit des Betons erfordern fast immer den Zusatz einer Verstärkung. Beispielsweise wird Betonrippenstahl (Stahlstangen) zugesetzt, der strukturelle Integrität verleiht, die Rissbildung jedoch nicht verhindert. Zur Reduktion der Rissbildung werden auch Metallnetze hinzugefügt, doch auch sie können nicht zur wirksamen Verstärkung von Beton einer komplexen Geometrie eingesetzt werden.

Kunststofffasern werden ebenfalls zur Verbesserung der Zugfestigkeit und Zähigkeit (Beständigkeit gegen Rissbildung) verwendet. Die Zugabe synthetischer Polymerfasern führt jedoch fast immer zu einer Reduktion der Druckfestigkeit. Darüber hinaus verbessern Kunststofffasern, sofern sie verwendet werden, häufig nur entweder die Zugfestigkeit (Festigkeit vor Auftreten des ersten Risses) oder die Zähigkeit (Beständigkeit gegen Rissbildung), nicht aber beides gleichzeitig.

Beispiele für Kunststofffasern sind z. B. Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Polyethylenterephthalat (PET), Aramide (z. B. KEVLARTM) und Polyvinylalkoholfasern. Bei all diesen Fasern bestehen jedoch ein oder mehr Probleme, z. B. hohe Kosten, geringe Alkalibeständigkeit, geringe Reißfestigkeit oder geringe Grenzflächenbindung zwischen dem Beton und der Faser.

Polypropylen und Polyethylen sind bislang aufgrund ihrer hohen Reißfestigkeit und geringen Kosten die am meisten bevorzugten Fasern. Leider haben diese Fasern eine sehr geringe Grenzflächenbindung. Um dieses Problem zu beheben, werden, wie in der WO 980766 beschrieben, auf der Oberfläche der Fasern durch Aufbringen einer Flüssigkeit wie z. B. Glycerinether oder Glycolether auf die Faseroberfläche Beschichtungen gebildet. Die Beschichtungen werden, wie in der JP 60054950 beschrieben, auch durch Dampfabscheidung aufgebracht. In ähnlicher Weise wird die Oberfläche, wie in der JP 10236855 (Behandlung der Oberfläche eines Polyoxyalkylenphenyletherphosphats und eines Polyoxalkylfettsäureesters) beschrieben, chemisch verändert. Leider führen diese Verfahren natürlicherweise zu erhöhten Kosten, Komplexität und einer potentiell unzureichenden Bindung der Beschichtung an der Faser.

Eine andere Lösung ist der Einbau anorganischer Teilchen in und auf der Faser, wie er in der JP 07002554 beschrieben ist. Leide erschwert dies den Faserprozess erheblich (z. B. Faserbruch), erhöht die Kosten und vermindert im Allgemeinen die Reißfestigkeit der Faser.

Weiterhin ist bekannt, dass größere Fasern für die Verbesserung der Zähigkeit des Betons bevorzugt werden. Leider verschlimmern größere Fasern das Problem der Bindung mit der Betonmatrix aufgrund ihrer reduzierten Oberflächengröße noch weiter. Darüber hinaus löst keines dieser Verfahren ein weiteres Problem im Zusammenhang mit Kunststofffasern in Beton, nämlich die Neigung größerer Fasern, bei Zugabe zu Beton zu schwer aufzubrechenden Knäueln zu verklumpen, was zu einer Reduktion der Betoneigenschaften führt.

Das US-Patent 5,993,537 und die WO 99/46214 beschreiben die unkontrollierte Fibrillation großer Fasern in Beton. Sie beschreiben, dass die Fibrillation großer Fasern in viele kleinere Fasern und teilweise fibrillierte Fasern wünschenswert ist. Sie beschreiben beide, dass die Fibrillation wünschenswerterweise so groß sein sollte, dass die Oberflächengröße der Fasern um das 50-Fache oder mehr zunimmt. Dieser extreme Fibrillationsgrad kann jedoch zu Problemen bei der Bearbeitbarkeit, zum Absacken und zu Problemen beim Mischen führen und die gewünschte Zunahme an Zähigkeit bei größeren Fasern verringern.

Dementsprechend wäre es wünschenswert, eine verbesserte Faser zur Verbesserung der Eigenschaften von Beton bereitzustellen, z. B. eine Faser, die eines oder mehrere der Probleme im Stand der Technik löst, z. B. bei Einsatz kostengünstiger Polypropylenfasern die Zähigkeit verbessert, ohne die Kosten für den Beton zu erhöhen, gleichzeitig aber nicht zu anderen Problemen wie Absacken und reduzierter Bearbeitbarkeit führt.

Wir haben nun eine neue Polymerfaser entdeckt, die eine verbesserte Bindung an Beton aufweist, was zu einem Beton mit im Vergleich zu anderem verstärktem Beton verbesserten Eigenschaften, geringeren Kosten oder beidem führt, was durch eine Faser mit kontrollierter Fibrillation erzielt wird.

Eine Ausgestaltung der Erfindung ist eine Verstärkungsfaser zur Verwendung als Verstärkung von Beton, wobei die Faser 6,3 bis 101,6 mm (0,25 bis 4 Inch) lang ist und aus mindestens zwei miteinander verklebten Filamente besteht, und die Filamente aus einem polymeren Kern bestehen, der zumindest teilweise von einem polymeren Mantel umgeben ist, der aus einem schmelzenden/zerfasernden Polymer mit einer niedrigeren Schmelztemperatur als der Polymerkern besteht, so dass die Verstärkungsfaser, wenn sie für eine Zeit von 30 Sekunden bis 20 Minuten in einem Betonmischer gemischt wird, der eine Betonmischung aus Portlandzement mit 50 bis 70 Gew.-% Zuschlagstoffen und einem Verhältnis von Portlandzement zu Wasser von 0,4 bis 0,6 enthält, hauptsächlich nur an einem Ende oder an den Enden der Faser zerfasert. Dieses kontrollierte Zerfasern der Faser überwindet das Problem der unzureichenden Bindung von Fasern mit großem Durchmesser, indem es eine größere Oberfläche zur Verankerung an den Enden schafft, aber nicht zu einer schädlichen Zunahme der Viskosität bei der vollständigen Fibrillation der Fasern führt.

Hierin bedeutet das Zerfasern hauptsächlich am Ende oder an den Enden, dass sich ein Großteil der Fasern in dem Gegenstand unter typischen Mischbedingungen, wie sie bei der Herstellung anorganischer gehärteter Gegenstände wie z. B. Beton herrschen, nach dem Härten nicht in zwei oder mehr Fasern trennt. Dies ist analog zu dem Zerfasern eines Seils, ohne dass sich das Seil in zwei kleinere Stricke teilt.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist ein Betongegenstand aus Beton mit darin enthaltenen Verstärkungsfasern aus mindestens zwei miteinander verklebten Filamenten, wobei die Filamente aus einem polymeren Kern bestehen, der zumindest teilweise von einem polymeren Mantel aus einem schmelzenden/zerfasernden Polymer mit einer niedrigeren Schmelztemperatur als der Polymerkern umgeben ist, und mindestens 50% der Verstärkungsfasern nur an einem Ende oder den Enden der Verstärkungsfasern zerfasert werden.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Beton, bei dem Beton, Wasser und eine Verstärkungsfaser aus mindestens zwei miteinander verklebten Filamenten gemischt und das Gemisch zur Bildung des Betongegenstandes gehärtet wird, wobei die Filamente aus einem polymeren Kern bestehen, der zumindest teilweise von einem polymeren Mantel aus einem schmelzenden/zerfasernden Polymer mit einer niedrigeren Schmelztemperatur als der polymere Kern umgeben ist, so dass während des Mischens mindestens 50% der Fasern hauptsächlich nur an einem Ende oder an den Enden zerfasern. Im Allgemeinen führt dieser Zerfaserungsgrad zu einer Zunahme der Oberflächengröße von mindestens dem 2- bis allgemein höchstens dem 10-Fachen, vorzugsweise höchstens dem 5-Fachen und mehr bevorzugt höchstens dem 3-Fachen der Oberflächengröße der ursprünglichen Faser.

Eine weitere Ausgestaltung ist eine Verstärkungsfaser aus einem Polypropylenkernpolymer, das zumindest teilweise von einem Mantel aus einem schmelzenden/zerfasernden Polymer mit einer niedrigeren Schmelztemperatur als der Polypropylenkern umgeben ist und aus Polyethylen niedriger Dichte, mit Maleinsäureanhydrid gepfropftem Polyethylen niedriger Dichte, Ethylen-Styrol-Copolymer, Polyethylen mit einem Schmelzindex von 5 bis 35 und einer Dichte von 0,9 g/cm3 bis 0,965 g/cm3, Ethylen-Acrylsäure-Copolymer und Kombinationen davon ausgewählt ist.

Die Verstärkungsfaser kann bei allen, bei niedriger Temperatur gehärteten anorganischen Gegenständen wie Beton, Mörtel, Gips und Leichtbauplatten eingesetzt werden. Der erfindungsgemäße Beton kann bei allen für Beton geeigneten Anwendungszwecken eingesetzt werden, eignet sich aber besonders für Parkgaragen, Brückenfahrbahnen, weiße Straßenbeläge, Tunnel, Bergbau, Hangstabilisierung, bauliche Zwecke wie Landschaftsbausteine, Skateboardbahnen, moderne Architektur, künstlerische Skulpturen, schnell abbindende/nicht absackende Decken, Swimmingpools und die Reparatur und Modernisierung bestehender Strukturen.

Die Verstärkungsfaser

Die Verstärkungsfaser besteht aus mindestens zwei miteinander verschmolzenen Filamenten aus einem Kernpolymer, das zumindest teilweise von einem Mantel aus einem schmelzenden/zerfasernden Polymer umgeben ist, so dass die Faser beim Mischen mit anorganischen Teilchen hauptsächlich nur an einem Ende oder an den Enden der Faser zerfasert.

Zerfasern an einem Ende oder an den Enden bedeutet, dass sich die Faser in mindestens zwei einzelne zerfaserte Fibrillen teilt, wobei ein Ende dieser Fibrillen vollständig von der Faser abgelöst ist und das andere Ende noch an der Faser befestigt ist. Wie gesagt, dies ist ähnlich einem an den Enden zerfasernden Seil. Im Allgemeinen sind die zerfaserten Fibrillen höchstens halb so lang wie die Faser vor der Zerfasern. Vorzugsweise beträgt die Länge der zerfaserten Fibrillen höchsten ein Drittel (1/3), mehr bevorzugt höchstens zwei Fünftel (2/5) und am meisten bevorzugt höchstens ein Viertel (1/4) der Länge der Faser vor dem Zerfasern.

Die Verstärkungsfaser zerfasert, wie gesagt, hauptsächlich an einem Ende oder an den Enden, wenn ein Großteil (d.h. mehr als 50%) der Fasern, wenn diese in einem Betonmischer gemischt werden, der eine Betonmischung aus Portlandzement mit 50 bis 70 Gew.-% Zuschlagstoffen und einem Verhältnis von Portlandzement zu Wasser von 0,4 bis 0,6 enthält, nur an einem Ende oder an den Enden zerfasert. Der Grad des Zerfaserns kann durch bekannte mikroskopische Techniken ermittelt werden. Vorzugsweise mindestens 60 Prozent, mehr bevorzugt mindestens 75 Prozent, noch mehr bevorzugt mindestens 90 Prozent und am meisten bevorzugt mindestens 95 Prozent der Fasern sind nach diesem Mischen nur an einem Ende oder an den Enden zerfasert. In einer ganz bevorzugten Ausführungsform zerfasern im Wesentlichen alle Fasern nur an einem Ende oder an den Enden der Fasern.

Die Zunahme der zerfaserten Oberfläche verbessert die Zähigkeit des verstärkten Betons. Zerfasern die Fasern jedoch zu stark, nimmt die Zähigkeit ab. Mit anderen Worten, das anfängliche Zerfasern führt zu einer Verbesserung der Zähigkeit, doch eine zu starke Zerfaserung/Fibrillation ist schädlich. Im Allgemeinen nimmt die Zähigkeit zu, wenn die Oberflächengröße der Faser aufgrund der Fibrillation auf mindestens das 2-Fache bis 3-Fache zunimmt, bleibt bis zum 5-Fachen gleich, sinkt beim 5- bis 10-Fachen langsam ab und fällt dann beim mehr als 10-Fachen der Oberflächengröße der ursprünglichen Faser drastisch ab.

Die Verstärkungsfaser besteht aus mindestens zwei miteinander verschmolzenen Filamenten. Die Verstärkungsfaser kann aus einer beliebigen nützlichen Menge an Filamenten, die größer als oder gleich zwei ist, bestehen. Im Allgemeinen beträgt die Menge der miteinander verklebten Filamente höchstens 3000. Vorzugsweise beträgt die Menge der Filamente mindestens 12, mehr bevorzugt mindestens 36 und am meisten bevorzugt mindestens 72 bis vorzugsweise höchstens 1000, mehr bevorzugt höchstens 500 und am meisten bevorzugt höchstens 350.

Die Verstärkungsfaser kann jede Form (d.h. Querschnittsform) haben, z. B. rund, quadratisch, dreieckig, blattförmig, sternförmig und flächig (d.h. bandähnlich). Die Filamente können nach jedem geeigneten Verfahren, z. B. durch Verschmelzen der Filamente bei ihrer Herstellung nach einem der nachfolgend beschriebenen Verfahren, verschmolzen werden.

Bei der Herstellung sind die Fasern im Allgemeinen 0,25 bis 4 Inch (6,3 bis 101,6 mm) lang. Vorzugsweise sind die Fasern mindestens 0,6 bis höchstens 3 Inch (15,24 bis 76,2 mm) lang. Im Allgemeinen hat jedes Filament eine Querschnittsfläche von mindestens 0,5 &mgr;m (Mikrometer) bis 1000 &mgr;m (Mikrometer). Vorzugsweise hat jedes Filament eine Querschnittsfläche von mindestens 1 bis höchstens 500 &mgr;m (Mikrometer). Im Allgemeinen hat die Faser eine Querschnittsfläche von mindestens 2 bis höchstens 2000 &mgr;m (Mikrometer). Vorzugsweise hat die Faser eine Querschnittsfläche von mindestens 6 bis höchstens 500 &mgr;m (Mikrometer). Mehr bevorzugt hat die Faser eine Querschnittsfläche von höchstens 100 &mgr;m (Mikrometer) und am meisten bevorzugt höchstens 50 &mgr;m (Mikrometer).

Im Allgemeinen umfasst das Kernpolymer mindestens 50 Vol.-% bis höchstens 95 Vol.-% der Verstärkungsfaser. Vorzugsweise umfasst das Kernpolymer mindestens 55 Vol.-%, mehr bevorzugt mindestens 60 Vol.-% und am meisten bevorzugt mindestens 65 Vol.-% bis vorzugsweise höchstens 75 Vol.-%.

Das Kernpolymer kann jedes für die Bildung der Verstärkungsfaser nützliche Polymer sein, solange sich das Kernpolymer von einem den Mantel umfassenden Polymer unterscheidet. Ein Polymer unterscheidet sich, wenn sich die Chemie (z. B. Polycarbonat versus Polyethylen) oder die Eigenschaften (Struktur) unterscheiden (z. B. verzweigtes versus lineares Polyethylen und Polyethylen hoher Dichte versus Polyethylen niedriger Dichte).

Das Kernpolymer kann z. B. ein Polyolefin, ein thermoplastischer hydroxyfunktionalisierter Polyether oder Polyester, ein Polyester, ein Polyamid, ein Polyether, ein Polysaccharid, ein modifiziertes Polysaccharid oder eine natürlich vorkommende Faser oder ein partikulärer Füllstoff sein; ein thermoplastisches Polyurethan, ein thermoplastisches Elastomer und ein glycolmodifizierter Copolyester (PETG). Andere Polymere vom Polyester- oder Polyamidtyp können ebenfalls bei der Anwendung der vorliegenden Erfindung zur Herstellung der Faser verwendet werden. Solche Polymere schließen Polyhexamethylenadipamid, Polycaprolacton, Polyhexamethylensebacamid, Polyethylen-2,6-naphthalat und Polyethylen-1,5-naphthalat, Polytetramethylen-1,2-dioxybenzoat und Copolymere von Ethylenterephthalat und Ethylenisophthalat ein.

Der thermoplastische hydroxyfunktionalisierte Polyether oder Polyester kann von jeder geeigneten Art sein, z. B. ein im Stand der Technik bekannter. Er kann z. B. einer der in den US-Patenten 5,171,820; 5,275,853; 5,496,910; 5,149,768 und 3,305,528 beschriebenen sein.

Die Polyester und Verfahren zur ihrer Herstellung sind im Stand der Technik wohlbekannt, und für die Zwecke dieser Erfindung wird darauf Bezug genommen. Zur Veranschaulichung und nicht als Einschränkung wird besonders auf die Seiten 1–62 von Band 12 der Encyclopedia of Polymer Science and Engineering, Fassung von 1988, John Wiley & Sons, verwiesen.

Die Polyamide können die veschiedenen Nylonsorten wie z. B. Nylon 6, Nylon 6,6 und Nylon 12 einschließen.

Mit dem Begriff "Polyolefin" ist ein von einfachen Olefinmonomeren, z. B. Ethylen, Propylen, Butylen, Isopren und einem oder mehreren der damit copolymerisierbaren Monomere, hergeleitetes Polymer oder Copolymer gemeint. Solche Polymere (einschließlich Rohmaterialien, ihre Anteile, Polymerisationstemperaturen, Katalysatoren und sonstige Bedingungen) sind im Stand der Technik wohlbekannt, und für die Zwecke dieser Erfindung wird darauf Bezug genommen. Weitere mit Ethylen polymerisierbare Comonomere sind z. B. Olefinmonomere mit 3 bis 12 Kohlenstoffatomen, ethylenisch ungesättigte Carbonsäuren (sowohl mono- als auch difunktionell) und Derivate solcher Säuren, z. B. Ester (z. B. Alkylacrylate) und Anhydride. Beispielhafte, mit Ethylen polymerisierbare Monomere sind 1-Octen, Acrylsäure, Methacrylsäure, Vinylacetat und Maleinsäureanhydrid.

Die Polyolefine schließen z. B. Polypropylen, Polyethylen und Copolymere und Mischungen davon sowie Ethylen-Propylen-Dien-Terpolymere ein. Bevorzugte Polyolefine sind Polypropylen, lineares Polyethylen hoher Dichte (HDPE), heterogen verzweigtes, lineares Polyethylen niedriger Dichte (LLDPE) wie das Polyethylenharz DOWLEX (ein Warenzeichen von The Dow Chemical Company), heterogen verzweigtes, lineares Polyethylen ultraniedriger Dichte (ULDPE) wie ATTANE ULDPE (ein Warenzeichen von The Dow Chemical Company); homogen verzweigte, lineare Ethylen/&agr;-Olefin-Copolymere wie TAFMER (ein Warenzeichen von Mitsui Petrochemicals Company Limited) und EXACT (ein Warenzeichen von Exxon Chemical Company); homogen verzweigte, im Wesentlichen lineare Ethylen/&agr;-Olefin-Polymere wie die Polyolefinelastomere AFFINITY (ein Warenzeichen von The Dow Chemical Company) und ENGAGE (ein Warenzeichen von DuPont Dow Elastomers L.L.C.), die sich wie in den US-Patenten 5,272,236 und 5,278,272 offenbart herstellen lassen; sowie unter hohem Druck radikalisch polymerisierte Ethylenpolymere und -copolymere, z. B. Polyethylen niedriger Dichte (LDPE), Ethylen-Acrylsäure(EAA)-Copolymere wie PRIMACOR (ein Warenzeichen von The Dow Chemical Company) und Ethylen-Vinylacetat(EVA)-Copolymere wie die Polymere ESCORENE (ein Warenzeichen von Exxon Chemical Company) und ELVAX (ein Warenzeichen von E.I. DuPont de Nemours & Co.). Die mehr bevorzugten Polyolefine sind die homogen verzweigten und im Wesentlichen linearen Ethylencopolymere mit einer Dichte von 0,85 bis 0,99 g/cm3 (gemessen gemäß ASTM D-792), einem Verhältnis von gewichtsgemitteltem zu zahlengemitteltem Molekulargewicht (Mw/Mn) von 1,5 bis 3,0, einem gemessenen Schmelzindex von 0,01 bis 100 Gramm pro 10 Minuten (gemessen gemäß ASTM D-1238 (190/2,16)) und einem l10/l2 von 6 bis 20 (gemessen gemäß ASTM D-1238 (190/10)).

Im Allgemeinen hat das Polyethylen hoher Dichte (HDPE) eine Dichte von mindestens 0,94 g/cm3 (ASTM-Testverfahren D-1505). HDPE wird üblicherweise mit Hilfe von Techniken hergestellt, die denen zur Herstellung linearer Polyethylene niedriger Dichte ähnlich sind. Solche Techniken sind in den US-Patenten 2,825,721; 2,993,876; 3,250,825 und 4,204,050 beschrieben. Das bei der Anwendung der vorliegenden Erfindung eingesetzte bevorzugte HDPE hat eine Dichte von 0,94 bis 0,99 g/cm3 und einen Schmelzindex von 0,01 bis 35 Gramm pro 10 Minuten (ermittelt nach dem ASTM-Testverfahren D-1238).

Die bei der Anwendung der vorliegenden Erfindung einsetzbaren Polysaccharide sind verschiedene Stärken, Cellulosen, Halbcellulosen, Xylane, Gummiarten, Pektine und Pullulane. Polysaccharide sind bekannt und z. B. in der Encyclopedia of Polymer Science and Engineering, 2. Auflage, 1987 beschrieben. Die bevorzugten Polysaccharide sind Stärke und Cellulose.

Die bei der Anwendung der vorliegenden Erfindung einsetzbaren modifizierten Polysaccharide sind die Ester und Ether von Polysacchariden, z. B. Celluloseether und Celluloseester oder Stärkeester und Stärkeether. Modifizierte Polysaccharide sind bekannt und z. B. in der Encyclopedia of Polymer Science and Engineering, 2. Auflage, 1987 beschrieben.

Der Begriff "Stärke", wie er hierin verwendet wird, bezieht sich auf Kohlehydrate natürlichen pflanzlichen Ursprungs, die hauptsächlich aus Amylose und/oder Amylopektin bestehen und folgende Substanzen einschließen: nicht modifizierte Stärken, entwässerte, aber nicht getrocknete Stärken, physikalisch modifizierte Stärken wie thermoplastische, gelatinierte oder gekochte Stärken, Stärken mit einem modifizierten Säurewert (pH), bei denen zur Senkung des Säurewertes der Stärke auf einen Bereich von 3 bis 6 Säure zugesetzt wurde, gelatinierte Stärken, nicht gelatinierte Stärken, vernetzte Stärken und zerrissene Stärken (nicht teilchenförmige Stärken). Die Stärken können in Form von Granulat, Teilchen oder Pulver vorliegen. Sie können aus verschiedenen Pflanzen, z. B. Kartoffeln, Reis, Tapioka, Mais, Erbsen und Getreide wie Roggen, Hafer und Weizen extrahiert werden.

Cellulosen sind bekannt und z. B. in der Encyclopedia of Polymer Science and Engineering, 2. Auflage, 1987 beschrieben: Cellulosen sind natürliche, kohlehydratreiche Polymere (Polysaccharide), die aus wasserfreien Glucoseeinheiten bestehen, die mittels einer Sauerstoffbindung zu langen Molekülketten verbunden sind, die im Wesentlichen linear sind. Cellulose kann zu Glucose hydrolysiert werden. Der Polymerisationsgrad reicht von 1000 bei Holzstoff bis 3500 bei Baumwollfasern, was ein Molekulargewicht von 160.000 bis 560.000 ergibt. Cellulose kann aus pflanzlichen Geweben (Holz, Gras und Baumwolle) extrahiert werden. Cellulosen können in Form von Fasern verwendet werden.

Der Mantel umgibt das Kernpolymer zumindest teilweise. "Teilweise" bedeutet im Allgemeinen, dass mindestens 10 Prozent der Oberfläche des Kernpolymers mit dem Mantelpolymer bedeckt sind. Vorzugsweise sind mindestens 20 Prozent, mehr bevorzugt mindestens 50 Prozent, noch mehr bevorzugt mindestens 75 Prozent und am meisten bevorzugt mindestens 90 Prozent der Oberfläche des Kernpolymers mit dem Mantel bedeckt. Eine bevorzugte Ausführungsform schließt einen Mantel ein, der im Wesentlichen die gesamte Oberfläche des Kernpolymers bzw. das gesamte Kernpolymer bedeckt.

Das Kernpolymer ist vorzugsweise Polyolefin, Nylon oder Polyester. Mehr bevorzugt ist das Kernpolymer Polypropylen, ein Homopolymer von Polyethylen, Nylon oder Polyester. Am meisten bevorzugt ist das Kernpolymer Polypropylen mit einem Schmelzindex von 4 bis 20.

Der Mantel besteht aus einem schmelzenden/zerfasernden Polymer (FF-Polymer). Das FF-Polymer ermöglicht das Verschmelzen der Filamente bei der Bildung der Verstärkungsfaser und das kontrollierte Zerfasern an den Enden beim Mischen der Fasern mit anorganischen Teilchen, z. B. Beton. Das FF-Polymer erlaubt es dem Kern unter Umständen auch, mit anderen Mantelkomponenten wie z. B. einem nachfolgend beschriebenen mechanischen Aktivatorpolymer kompatibel zu sein. "Kompatibel" bedeutet, dass der Mantel ausreichend an dem Kern haftet, so dass sich die Fasern beim Mischen mit z. B. Beton unter typischen Mischbedingungen, wie sie z. B. bei der Herstellung von Beton herrschen, nicht vollständig trennen. Man glaubt außerdem, dass dies die Abgabe und Verteilung der Fasern beim Mischen mit Beton unterstützt.

Das FF-Polymer kann jedes Polymer sein, solange es eine niedrigere Schmelztemperatur als das Kernpolymer aufweist und zu einer ausreichenden Haftung des Mantels an dem Kernpolymer führt. Die Schmelztemperatur des FF-Polymers sollte so niedrig sein, dass es beim Faserspinnen ein Schmelzen des Mantels erlaubt, wodurch das Verschmelzen der Filamente erfolgt, ohne dass das Kernpolymer wesentlich beeinträchtigt wird. Dieses kontrollierte Verschmelzen, so glaubt man, erlaubt das kontrollierte Zerfasern beim späteren Mischen der Fasern mit anorganischen Teilchen wie z. B. Beton. Das FF-Polymer kann auch zu einer verbesserten chemischen Bindung der Faser z. B. an Beton führen.

Im Allgemeinen liegt die Schmelztemperatur des FF-Polymers um mindestens 10°C niedriger als die des Kernpolymers. Vorzugsweise liegt die Schmelztemperatur des FF-Polymers bei mindestens 15, mehr bevorzugt mindestens 20 und am meisten bevorzugt mindestens 30 bis vorzugsweise höchstens 100°C.

Ist beispielsweise der Faserkern Polypropylen mit einem Schmelzindex von 12, ist das FF-Polymer wünschenswerterweise Polyethylen mit einem Schmelzindex zwischen 5 und 35 und einer Dichte von 0,9 bis 0,965 g/cm3 in Kombination mit entweder einem Ethylen-Styrol-Copolymer mit einem niedrigen Styrolgehalt oder einem PE niedriger Dichte (0,870 g/cm3).

Vorzugsweise ist das FF-Polymer ein Ethylen-Styrol-Copolymer mit einem niedrigen Styrolgehalt (unter 30 Gew.-% Styrol), ein Ethylen-Styrol-Copolymer mit einem hohen Styrolgehalt (über 60 Gew.-% Styrol), PE niedriger Dichte (z. B. 0,870 g/cm3), mit Maleinsäureanhydrid (MAH) gepfropftes Polyethylen niedriger Dichte, mit Maleinsäureanhydrid gepfropftes Polypropylen, ein Ethylen-Acrylsäure-Copolymer (z. B. PRIMACOR), Polyethylen, ein Ethylen-Methacrylsäure-Copolymer oder eine Kombination davon. Am meisten bevorzugt ist das FF-Polymer ein Ethylen-Acrylsäure-Copolymer. Das Ethylen-Acrylsäure-Copolymer ist vorzugsweise eines mit 5 bis 20 Gew.-% und mehr bevorzugt 9 bis 14 Gew.-% Acrylsäuregruppen.

Der Mantel kann andere Komponenten, z. B. ein mechanisches Aktivatorpolymer enthalten. Das mechanische Aktivatorpolymer kann zur Erhöhung der Oberflächenrauhigkeit der Verstärkungsfaser eingesetzt werden, wodurch, so glaubt man, die mechanische Bindung der Faser an z. B. eine Betonmatrix erhöht wird. Das mechanische Aktivatorpolymer kann in jeder nützlichen Menge bis zu einer Menge von höchstens typischerweise 20 Vol.-% des Mantels eingesetzt werden. Für das mechanische Aktivatorpolymer gelten einer oder mehrere der folgenden Punkte: (i) seine Wärmeausdehnung unterscheidet sich ausreichend von der des FF-Polymers, (ii) es ist mit dem FF-Polymer nicht mischbar, (iii) es kann in Wasser löslich gemacht werden oder quellen und (iv) es zeigt ein Schmelzbruchverhalten, so dass die Oberfläche der Verstärkungsfaser rauher ist als eine ohne das mechanische Aktivatorpolymer gebildete Faser. Beispiele sind Nylon, Polyvinylalkohol und thermoplastischer, hydroxyfunktionalisierter Polyether oder Polyester.

Herstellung der Verstärkungsfaser

Im Allgemeinen können die Fasern nach wohlbekannten Verfahren wie Schmelzspinnen, Nassspinnen oder Bikomponentenspinnen hergestellt werden. Die erfindungsgemäßen Fasern können zu jeder gewünschten Größe oder Länge extrudiert werden. Sie können auch zu jeder gewünschten Form, z. B. mit zylindrischem, kreuzförmigem, trilobalem oder bandartigem Querschnitt extrudiert werden.

Die Fasern können folgende Querschnittsstrukturen aufweisen:

  • (1) Side-by-side
  • (2) Sheath-core
  • (3) Islands-in-the-sea und
  • (4) Citrus (Segmented-pie)

(1) Side-by-side

Ein Verfahren zur Herstellung von Side-by-side-Bikomponentenfasern ist in dem US-Patent 5,093,061 beschrieben. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: (1) zwei Polymerströme werden getrennt durch Öffnungen geleitet und mit im Wesentlichen derselben Geschwindigkeit zusammengeführt, so dass sie als kombinierter Strom unter der Vorderseite der Spinndüse Seite an Seite verschmelzen; oder (2) zwei Polymerströme werden getrennt durch Öffnungen geleitet und auf der Oberfläche der Spinndüse mit im Wesentlichen derselben Geschwindigkeit zusammengeführt, so dass sie als kombinierter Strom auf der Oberfläche der Spinndüse Seite an Seite verschmelzen. In beiden Fällen wird die Geschwindigkeit der einzelnen Polymerströme zum Zeitpunkt des Verschmelzens durch die Geschwindigkeit der Dosierpumpe und die Größe der Öffnung bestimmt. Der Faserquerschnitt besitzt eine glatte Grenzfläche zwischen den beiden Komponenten.

Side-by-side-Fasern werden im Allgemeinen zur Herstellung selbstkräuselnder Fasern verwendet. Sämtliche im Handel erhältlichen selbstkräuselnden Fasern werden mit Hilfe eines Systems auf der Basis unterschiedlicher Schrumpfcharakteristiken der einzelnen Komponenten hergestellt.

(2) Sheath-core

Sheath-core-Bikomponentenfasern sind Fasern, bei denen eine der Komponenten (core/Kern) von einer zweiten Komponente (sheath/Mantel) umgeben ist. Die Haftung ist für die Faserintegrität nicht immer wesentlich.

Am häufigsten werden Sheath-core-Fasern mittels einer Technik hergestellt, bei der zwei Polymerflüssigkeiten (Schmelzen) getrennt an eine Stelle ganz in der Nähe der Spinndüsenöffnungen geleitet und dann als Kern und Mantel extrudiert werden. Im Falle konzentrischer Fasern befindet sich die das "Kern" polymer liefernde Öffnung in der Mitte der Spinndüsenöffnung, und die Fließbedingungen der Kernpolymerflüssigkeit werden streng kontrolliert, damit beide Komponenten beim Spinnen konzentrisch bleiben. Modifikationen der Spinndüsenöffnungen ergeben unterschiedliche Formen des Kerns und/oder des Mantels im Faserquerschnitt.

Die Mantel-Kern-Struktur wird eingesetzt, wenn die Oberfläche die Eigenschaft eines der Polymere haben soll, wie z. B. Glanz, Färbbarkeit oder Stabilität, während der Kern zu Festigkeit und reduzierten Kosten beitragen kann. Die Sheath-core-Fasern werden als Kräuselfasern und als Bindungsfasern in der Vliesindustrie verwendet.

Verfahren zur Herstellung von Sheath-core-Bikomponentenfasern sind in den US-Patenten 3,315,021 und 3,316,336 beschrieben.

(3) Islands-in-the-sea

Islands-in-the-sea-Fasern werden auch als Matrixfilamentfasern bezeichnet und schließen heterogene Bikomponentenfasern ein. Ein Verfahren zur Herstellung von Islands-in-the-sea-Fasern ist in dem US-Patent 4,445,833 beschrieben. Bei dem Verfahren werden Kernpolymerströme durch kleine Röhren in Mantelpolymerströme injiziert (eine Röhre pro Kernpolymerstrom). Die kombinierten Sheath-core-Ströme werden in der Spinndüsenöffnung zusammengeführt und bilden einen Islands-in-the-sea-Bikomponentenstrom.

Das Mischen der unterschiedlichen Polymerströme mit einem statischen Mischer während des Spinnens führt ebenfalls zu Islands-in-the-sea-Bikomponentenfasern. Der statische Mischer teilt den Polymerstrom mehrmals, so dass ein Matrixstrom mit einer Vielzahl von Kernen entsteht. Dieses Verfahren zur Herstellung von Islands-in-the-sea-Fasern ist in dem US-Patent 4,414,276 beschrieben.

Die Islands-in-the-sea-Struktur wird verwendet, wenn es wünschenswert ist, den Fasermodul zu erhöhen, die Feuchtigkeitsaufnahme und Färbbarkeit zu verringern, die Texturierbarkeit zu verbessern oder der Faser ein einzigartiges glänzendes Aussehen zu verleihen.

(4) Citrus-Typ (Segmented-pie)

Die Citrus- bzw. Segmented-pie-Bikomponentenfasern können durch Polymerverteilung und/oder Spinndüsenmodifikationen der bei den zuvor beschriebenen Verfahren zur Herstellung der Side-by-side-, Sheath-core- oder Islands-in-the-sea-Fasern verwendeten Paketbaugruppen hergestellt werden. Durch abwechselndes Einleiten eines ersten Polymerstroms und eines zweiten Polymerstroms in die Spinndüsenöffnung durch acht und nicht zwei radiale Kanäle ist die entstehende Faser eine Faser vom Citrus-Typ mit acht Segmenten. Besitzt die Spinndüsenöffnung die Konfiguration von drei oder vier Schlitzen auf einem Kreis (eine übliche Öffnungskonfiguration zur Herstellung von Hohlfasern), ist die Faser eine Hohlfaser vom Citrus-Typ mit acht Segmenten. Die Hohlfaser vom Citrus-Typ kann, wie in den US-Patenten 4,246,219 und 4,357,290 beschrieben, auch durch Verwendung spezieller Konfigurationen der Spinndüsenöffnung mit einem Mantel/Kern-Spinnpaket hergestellt werden.

Der Betongegenstand

Ein Betongegenstand besteht aus Beton mit einer darin befindlichen Verstärkungsfaser, wobei mindestens 50 Prozent der Verstärkungsfaser nur an den Enden der Verstärkungsfasern zerfasert sind. Der Begriff "zerfasert" wird wie oben beschrieben verwendet.

Der zur Bildung des erfindungsgemäßen Betongegenstandes verwendete Beton kann jeder geeignete Beton sein, z. B. ein im Stand der Technik bekannter. Im Allgemeinen ist der Beton ein Gemisch aus Portlandzement. Portlandzement wird, wie im Stand der Technik üblicherweise verstanden und in Hawley's Condensed Chemical Dictionary, 12. Ausgabe, R. Lewis, Van Nostrand Co., NY, S. 239, 1993 definiert, eingesetzt.

Es versteht sich, dass die Verstärkungsfaser in dem Beton bei Umgebungsbedingungen ein Feststoff ist. Das heißt, das Polymer wird in fester Form zugesetzt und ist nach dem Härten des Betons fest.

Die Menge der Verstärkungsfaser in dem Beton liegt im Allgemeinen im Bereich von 0,05 Vol.-% bis 10 Vol.-% des Betongegenstandes. Vorzugsweise beträgt die Menge des Verstärkungspolymers mindestens 0,1, mehr bevorzugt mindestens 0,3 und am meisten bevorzugt mindestens 0,5 Vol.-% bis vorzugsweise höchstens 3, mehr bevorzugt höchstens 2 und am meisten bevorzugt höchstens 1,5 Vol.-% des Gegenstandes.

Herstellung des Betongegenstandes

Der Betongegenstand kann durch geeignetes Mischen von Verstärkungsfaser, Wasser und Beton hergestellt werden. Vorzugsweise werden die trockenen Betonkomponenten (z. B. Zement, Sand und Kies) zuerst trocken und anschließend mit Wasser zu einem nassen Gemisch gemischt. Dann wird die Verstärkungsfaser mit dem nassen Gemisch über einen Zeitraum gemischt, der ausreicht, dass die Enden von mindestens 50 Prozent der Fasern zerfasern, aber nicht so lang ist, dass die Faser anfangen vollständig zu fibrillieren, so dass z. B. die Oberflächengröße der Fasern um erheblich mehr als das 10-Fache der Oberflächengröße der ursprünglichen Fasern zunimmt. Dieses Gemisch wird nun nach jedem geeigneten Verfahren, z. B. einem im Stand der Technik bekannten, gegossen, zu Spritzbeton geformt, modelliert oder verteilt.

Im Allgemeinen wird der Beton mit der Verstärkungsfaser mindestens 30 Sekunden bis höchstens 20 Minuten lang gemischt. Vorzugsweise beträgt die Mischzeit mindestens 1 Minute, mehr bevorzugt mindestens 2 Minuten und am meisten bevorzugt mindestens 3 Minuten bis vorzugsweise höchstens 15 Minuten, mehr bevorzugt höchstens 10 Minuten und am meisten bevorzugt höchstens 5 Minuten.

Dem Gemisch können andere, für die Herstellung des Betons nützliche Zusatzstoffe zugesetzt werden, z. B. die im Stand der Technik bekannten. Beispiele sind Superweichmacher, Wasserreduktoren, Quarzstaub, Ofenschlacke, Luftschleppmittel, Korrosionsinhibitoren und Polymeremulsionen.

BEISPIELE Beispiele für Verstärkungsfasern:

Sofern nicht anders angegeben, sind alle Prozentsätze Gewichtsprozent.

Beispiel 1

Es wurden ein Mantel aus 80 Prozent Polyethylen (PE) (Dichte: 0,913 g/cm3), 10 Prozent mit Maleinsäureanhydrid (MAH) gepfropftem PE (0,955 g/cm3) und 10 Prozent Ethylen-Styrol-Copolymer mit einem Styrolgehalt von 30 Prozent sowie ein Polypropylen(PP)-Kern mit einem Schmelzindex von 12 hergestellt. Alle Substanzen wurden von The Dow Chemical Company, Midland, MI bezogen.

Die Faser wurde von Hills Inc. (W. Melbourne, FI) mittels im Handel erhältlicher Schmelzspinnvorrichtungen hergestellt. Es wurde eine runde Konfiguration gewählt, es können aber auch andere Formen verwendet werden, z. B. trilobal, spitztrilobal und kreuzförmig, Segmented-pie in Mikrodenier-Größe, Islands-in-the-sea und gestreift. Die Sheath-core-Fasern wurde mit einem Gewichtsverhältnis von Mantel zu Kern von 25:75 bis 40:60 hergestellt. Die Bedingungen für die Herstellung der Faser waren wie folgt:

  • Extruderdruck: 750 psi (5,2 MPa)
  • Drehzahl der Denier-Walze: 160 U/min
  • Drehzahl der Spannwalze: 163 U/min
  • Streckverhältnis: 8:1
  • Abschrecktemperatur: 55°F (13°C)
  • Temperatur der Spannwalze: 93°C
  • Temperatur der Abzugswalze Nr. 1: 110°C
  • Temperatur der Abzugswalze Nr. 2: 130°C
  • Temperatur des Spinnkopfes: 270°C
  • Optionaler Spinnzusatz (Tensid): (5656 von Gouldstone Technologies, Monroe, N. Carolina), 12 Gew.-% in Wasser (vor dem Faserverschmelzen aufgetragen)

Die Verstärkungsfaser bestand aus 72 verschmolzenen Mikrofasern (Filamenten) und hatte ein Gesamt-Denier von 1800 (2 mg/cm, 200 tex) (72 Filamente), eine Reißfestigkeit von 4,5 Gramm pro Denier (40,5 g/tex) und eine Dehnung von 29 Prozent.

Beispiel 2

Es wurden ein Mantel aus 80 Prozent PE (Dichte: 0,913 g/cm3), 10 Prozent Ethylen-Acrylsäure-Copolymer (PRIMACORTM) und 10 Prozent Ethylen-Styrol-Copolymer mit einem Styrolgehalt von 30 Prozent sowie ein PP-Kern mit einem Schmelzindex von 12 hergestellt. Alle Substanzen wurden von The Dow Chemical Company, Midland, MI bezogen. Diese Verstärkungsfaser wurde auf ähnliche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt.

Beispiel 3

Es wurden ein Mantel aus 80 Prozent PE (0,913 g/cm3), 10 Prozent mit MAH gepfropftem PE (0,870 g/cm3) und 10 Prozent mit MAH gepfropftem PE (0,955 g/cm3) sowie ein PP-Kern mit einem Schmelzindex von 20 hergestellt. Alle Substanzen wurden von The Dow Chemical Company, Midland, MI bezogen. Diese Verstärkungsfaser wurde auf ähnliche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt.

Beispiel 4

Es wurden ein Mantel aus 80 Prozent PE (0,913 g/cm3), 10 Prozent Ethylen-Methacrylsäure-Copolymer (EMAA) und 10 Prozent Ethylen-Styrol-Copolymer mit einem Styrolgehalt von 30 Prozent sowie ein PP-Kern mit einem Schmelzindex von 4 hergestellt. Alle Substanzen wurden von The Dow Chemical Company, Midland, MI bezogen. Diese Verstärkungsfaser wurde auf ähnliche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt.

Beispiel 5

Es wurden ein Mantel aus 70 Prozent PE (0,913 g/cm3), 10 Prozent Ethylen-Acrylsäure-Copolymer und 10 Prozent Ethylen-Styrol-Copolymer mit einem Styrolgehalt von 20 bis 35 Prozent sowie ein PP-Kern mit einem Schmelzindex von 12 hergestellt. Alle Substanzen wurden von The Dow Chemical Company, Midland, MI bezogen. Diese Verstärkungsfaser wurde auf ähnliche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt.

Beispiel 6

Es wurde ein Mantel aus 80 Prozent PE (0,913 g/cm3), 10 Prozent Ethylen-Acrylsäure-Copolymer mit 9,6 Prozent Säuregruppen und 10 Prozent mit Maleinsäureanhydrid gepfropftem PE niedriger Dichte (0,870 g/cm3) sowie ein PP-Kern mit einem Schmelzindex von 12 hergestellt. Alle Substanzen wurden von The Dow Chemical Company, Midland, MI bezogen. Diese Verstärkungsfaser wurde auf ähnliche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt.

Beispiel 7

Durch Mischen von 12,95 Vol.-% Portlandzement (HolnamTM Typ 1), 35,28 Vol.-% Sand (2NS), 28,9 Vol.-% Feinkies, 21,38 Vol.-% Leitungswasser, 0,49 Vol.-% Superweichmacher (40 Vol.-% festes WRDA-19 von WR Grace) und 1,0 Vol.-% Polymerfasern wurde eine Betonmischung hergestellt. Das Verhältnis von Zement zu Wasser betrug 0,52.

Die Polymerfasern waren Bikomponentenfasern aus einem Polypropylenkern und einem Mantel aus einem Gemisch auf PE-Basis. Das Polypropylen war ein Polypropylen mit einem Schmelzindex von 12 (Polypropylen INSPIRETM H509-12G, erhältlich von The Dow Chemical Company, Midland, MI) und machte 70 Gew.-% der Faser aus.

Die trockenen Bestandteile (z. B. Zement, Sand und Kies) wurden zuerst zugesetzt, dann wurde Wasser zugesetzt, so dass eine Grundmischung entstand. Anschließend wurde dem Grundgemisch die Verstärkungsfaser (2 Inch (50,8 mm) lang) zugesetzt. Die Verteilung erfolgte problemlos und die Fasern zeigten keine Neigung zum Verhaken und Zusammenballen. Die Gesamtmischzeit betrug 5 Minuten. Das bei dieser Betonmischung gemessene Absacken betrug 120 mm, der Luftgehalt 6 Prozent. Die Fasern fibrillieren an den Faserenden ausreichend, um die Oberflächengröße auf das 2-Fache der ursprünglichen Oberflächengröße der Fasern zu erhöhen. (Zum Vergleich: Das Absacken einer Betonmischung mit fibrillierten Fasern (bis 5-fach vergrößerte Oberfläche) beträgt 75 mm und in einzelnen Monofilamenten 40 mm). Die faserhaltige Betonmischung wurde in 4 Inch (101,6 mm) × 4 Inch (101,6 mm) × 14 Inch (355,6 mm) große rechtwinklige Stangenformen gefüllt und in einem Wasserbad bei einer konstanten Temperatur von 20°C 14 Tage lang gehärtet. Darüber hinaus wurde die faserhaltige Betonmischung 1 bzw. 14 Tage lang unter denselben Bedingungen in zylindrischen Formen (Durchmesser: 3 Inch (76,2 mm), Höhe: 6 Inch (152,4 mm)) gehärtet.

Nach 14-tägigem Härten zeigten die rechtwinkligen Stangen, wie in einem 4-Punkt-Biegetest ermittelt, eine Biegefestigkeit bis zum ersten Riss von durchschnittlich 4,1 MPa (im Bereich zwischen 3,9 und 4,6). Die Zähigkeit betrug 30 bis 40 Nm (gemessen nach dem japanischen Zähigkeitsverfahren JSCE SF4). Die Druckfestigkeit der zylindrischen Stangen betrug nach 1- bzw. 14-tägigem Härten 16 MPa bzw. 36 MPa, gemessen nach einem Standarddruckversuch.

Vergleichsbeispiel 1

Es wurden wie in Beispiel 1 beschrieben Betonstangen ohne Fasern hergestellt. Der Wert für das Absacken betrug 200 mm. Die Ergebnisse für diese Stangen waren wie folgt. Die durchschnittliche Biegefestigkeit bis zum ersten Riss nach 14-tägigem Härten betrug 4,5 MPa. Die durchschnittliche Zähigkeit betrug 1 Nm. Die Druckfestigkeit der Stangen nach 1- bzw. 14-tägigem Härten betrug 15 MPa bzw. 42 MPa.

Vergleichsbeispiel 2

Es wurden wie in Beispiel 1 Betonstangen hergestellt, mit der Ausnahme, dass die Fasern im Handel erhältliche Polypropylen-Kräuselfasern von Synthetic Ind. (Synthetic Ind., Chatanooga, TN) waren. Die Faser war 2 Inch (50,8 mm) lang, hatte einen Querschnitt von 0,6 mm2 und eine Reißfestigkeit von 4,5 Gramm pro Denier (40 g/tex). Die Fasern verteilten sich in der Betonmischung, ohne dass ein Verhaken oder Zusammenballen beobachtet wurde. Da die Faser nicht fibrilliert, ist das Absacken nicht beeinträchtigt (200 mm). Die durchschnittliche Biegefestigkeit bis zum ersten Riss nach 14-tägigem Härten betrug 3,8 MPa. Die Zähigkeit betrug 25 Nm. Die Druckfestigkeit der Stangen nach 1- bzw. 14-tägigem Härten betrug 15 MPa bzw. 37 MPa.

Vergleichsbeispiel 3

Es wurden wie in Beispiel 1 Betonstangen hergestellt, mit der Ausnahme, dass die Fasern im Handel erhältliche Polypropylenfasern von WR Grace Corp. (Boston, MA) waren. Die Faser war 2 Inch (50,8 mm) lang. Die Faser zeigte eine Neigung zu sehr starkem Verhaken und musste einzeln in dem Beton verteilt werden. Der Wert für das Absacken der Betonmischung betrug 125 mm. Die Faser zeigte (selbst bei Erhöhung der Mischzeit auf 10 bzw. 20 Minuten) sehr wenig Fibrillation, nämlich das 1,3-Fache der ursprünglichen Oberflächengröße. Die durchschnittliche Biegefestigkeit bis zum ersten Riss nach 14-tägigem Härten betrug 4,2 MPa. Die durchschnittliche Zähigkeit betrug 28 Nm. Die Druckfestigkeit der Stangen nach 1- bzw. 14-tägigem Härten betrug 12 MPa bzw. 35 MPa.

Beispiel 8

Die Faser von Beispiel 2 wurde nach dem Verfahren von Beispiel 7 zur Herstellung verschiedener Mischungen verwendet. Die Mischzeit der Faser in dem Beton wurde verändert, um verschiedene Zerfaserungsgrade zu erzielen. Die faserhaltigen Betonmischungen wurden in eine 4 × 4 × 14 Inch (101,6 × 101,6 × 355,6 mm) große Form gegossen und 28 Tage lang gehärtet. Die Zähigkeit wurde nach dem japanischen Zähigkeitsstandard gemessen.

TABELLE I

Die Zunahme der Oberflächengröße wurde durch Zählen der einzelnen Monofilamente, die von der ursprünglichen Faser abfaserten, unter dem Mikroskop und Umrechnen der Anzahl und Länge der zerfaserten Stücke in die Oberflächengröße gemessen. Zur Berechnung der durchschnittlichen Anzahl der abgefaserten Monofilamente wurden in jedem Fall 20 Fasern gemessen.

Beispiel 9

Die Faser von Beispiel 5 wurde nach dem Verfahren von Beispiel 7 zur Herstellung verschiedener Betonchargen verwendet; dabei wurde die Mischzeit wie in Beispiel 8 verändert.

TABELLE II

Die Beispiele 8 und 9 belegen, dass unterschiedliche Mantelpolymere eine unterschiedliche Fibrillationsrate besitzen. Sie zeigen außerdem, dass die mit dem Mikroskop ermittelte Zunahme der Oberflächengröße als Indikator dafür genutzt werden kann, ob die Fasern zu stark fibrillieren (d.h. ob die Fasern nicht hauptsächlich an den Enden zerfasern).


Anspruch[de]
Verfahren zur Herstellung eines Gegenstands aus Beton, bei dem Beton, Wasser und Verstärkungsfasern gemischt werden, die aus mindestens zwei miteinander verklebten Filamenten bestehen, und bei dem die Mischung gehärtet wird, um den Gegenstand aus Beton zu bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Filamente aus einem polymeren Kern bestehen, von dem mindestens 10% der Oberfläche von einem polymeren Mantel bedeckt sind, der aus einem schmelzenden/zerfasernden Polymer besteht, das eine niedrigere Schmelztemperatur hat als der polymere Kern, so dass beim Mischen mindestens 50% der Verstärkungsfasern nur an einem Ende oder an Enden der Faser zerfasern, ohne sich in zwei oder mehr Fasern zu trennen. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem beim Mischen mindestens 60% der Verstärkungsfasern nur an einem Ende oder an Enden zerfasern. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem mindestens 75% der Verstärkungsfasern nur an einem Ende oder an Enden der Verstärkungsfasern zerfasern. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem mindestens 90% der Verstärkungsfasern nur an einem Ende oder an Enden der Verstärkungsfasern zerfasern. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem mindestens 95% der Verstärkungsfasern nur an einem Ende oder an Enden der Verstärkungsfasern zerfasern. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Mischzeit mindestens 30 Sekunden bis höchstens 20 Minuten beträgt. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Mischzeit 1 bis 15 Minuten beträgt. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Mischzeit 2 bis 10 Minuten beträgt. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Mischzeit 3 bis 5 Minuten beträgt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Kernpolymer ein Polyolefin, Nylon oder Polyester ist. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das Kernpolymer ein Polypropylen ist. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das Kernpolymer Polypropylen mit einem Schmelzindex von 4 bis 20 ist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das schmelzende/zerfasernde Polymer eine Schmelztemperatur hat, die mindestens 10°C niedriger ist als die Schmelztemperatur des Kernpolymers. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem das schmelzende/zerfasernde Polymer eine Schmelztemperatur hat, die mindestens 15°C niedriger ist als die Schmelztemperatur des Kernpolymers. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem das schmelzende/zerfasernde Polymer eine Schmelztemperatur hat, die 20 bis 100°C niedriger ist als die Schmelztemperatur des Kernpolymers. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem das schmelzende/zerfasernde Polymer eine Schmelztemperatur hat, die 30 bis 100°C niedriger ist als die Schmelztemperatur des Kernpolymers. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das schmelzende/zerfasernde Polymer ein Polyethylen niedriger Dichte, ein Ethylen-Styrol-Copolymer, ein mit Maleinsäureanhydrid gepfropftes Polyethylen niedriger Dichte, ein mit Maleinsäureanhydrid gepfropftes Polypropylen, ein Ethylen-Acrylsäure-Copolymer, Polyethylen, Ethylen-Methacrylsäure oder Kombinationen davon ist. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem das schmelzende/zerfasernde Polymer ein Ethylen-Acrylsäure-Copolymer ist. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem das schmelzende/zerfasernde Polymer ein Ethylen-Acrylsäure-Copolymer ist, das 5 bis 20 Gew.-% Acrylsäuregruppen enthält. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem das schmelzende/zerfasernde Polymer ein Ethylen-Acrylsäure-Copolymer ist, das 9 bis 14 Gew.-% Acrylsäuregruppen enthält. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Mantel ein mechanisches Aktivatorpolymer enthält. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem das mechanische Aktivatorpolymer Nylon, Polyvinylalkohol, thermoplastischer hydroxyfunktionalisierter Polyether oder Polyester oder Kombinationen davon ist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Fasern nach dem Mischen eine Oberflächengröße haben, die das Zwei- bis Zehnfache der Oberfläche der Fasern vor dem Mischen beträgt. Verfahren nach Anspruch 23, bei dem die Oberflächengröße nach dem Mischen das Zwei- bis Fünffache der Oberfläche der Fasern vor dem Mischen beträgt. Verfahren nach Anspruch 24, bei dem die Oberflächengröße nach dem Mischen das Zwei- bis Dreifache der Oberflächengröße vor dem Mischen beträgt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zerfaserten Fibrillen höchstens die Hälfte der Länge der Faser vor dem Zerfasern haben. Verfahren nach Anspruch 26, bei dem die zerfaserten Fibrillen höchstens zwei Fünftel der Länge der Faser vor dem Zerfasern haben. Verfahren nach Anspruch 27, bei dem die zerfaserten Fibrillen höchstens ein Drittel der Länge der Faser vor dem Zerfasern haben. Verfahren nach Anspruch 28, bei dem die zerfaserten Fibrillen höchstens ein Viertel der Länge der Faser vor dem Zerfasern haben. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem jede Faser 12 bis 1000 miteinander verklebte Filamente umfasst. Verfahren nach Anspruch 30, bei dem jede Faser 36 bis 500 miteinander verklebte Filamente umfasst. Verfahren nach Anspruch 31, bei dem jede Faser 72 bis 350 miteinander verklebte Filamente umfasst. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Fasern 6,3 bis 101,6 mm (0,25 bis 4 Inch) lang sind. Verfahren nach Anspruch 33, bei dem die Fasern 15,24 bis 76,2 mm (0,6 bis 3 Inch) lang sind. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem jedes Filament eine Querschnittsfläche von 0,5 bis 1000 &mgr;m besitzt. Verfahren nach Anspruch 35, bei dem jedes Filament eine Querschnittsfläche von 1 bis 500 &mgr;m besitzt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem jede Faser eine Querschnittsfläche von 2 bis 2000 &mgr;m besitzt. Verfahren nach Anspruch 37, bei dem jede Faser eine Querschnittsfläche von 6 bis 500 &mgr;m besitzt. Verfahren nach Anspruch 38, bei dem jede Faser eine Querschnittsfläche von höchstens 100 &mgr;m besitzt. Verfahren nach Anspruch 39, bei dem jede Faser eine Querschnittsfläche von höchstens 50 &mgr;m besitzt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Kernpolymer 50 bis 95 Vol.-% der Verstärkungsfaser ausmacht. Verfahren nach Anspruch 41, bei dem das Kernpolymer 55 bis 75 Vol.-% der Verstärkungsfaser ausmacht. Verfahren nach Anspruch 42, bei dem das Kernpolymer 60 bis 75 Vol.-% der Verstärkungsfaser ausmacht. Verfahren nach Anspruch 43, bei dem das Kernpolymer 65 bis 75 Vol.-% der Verstärkungsfaser ausmacht. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Mantel mindestens 20% der Oberfläche des Kernpolymers bedeckt. Verfahren nach Anspruch 45, bei dem der Mantel mindestens 50% der Oberfläche des Kernpolymers bedeckt. Verfahren nach Anspruch 46, bei dem der Mantel mindestens 75% der Oberfläche des Kernpolymers bedeckt. Verfahren nach Anspruch 47, bei dem der Mantel die gesamte Oberfläche des Kernpolymers bedeckt. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Kernpolymer Polypropylen mit einem Schmelzindex von 8 bis 16 ist. Verfahren nach Anspruch 49, bei dem das schmelzende/zerfasernde Polymer ein Ethylen-Acrylsäure-Copolymer oder Ethylen-Styrol-Copolymer ist. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der polymere Kern ein Polypropylen-Kernpolymer ist und das schmelzende/zerfasernde Polymer ausgewählt ist aus Polyethylen niedriger Dichte, mit Maleinsäureanhydrid gepfropftem Polyethylen niedriger Dichte, Ethylen-Styrol-Copolymer, Polyethylen mit einem Schmelzindex von 5 bis 35 und einer Dichte von 0,9 g/cm3 bis 0,965 g/cm3, Ethylen-Acrylsäure-Copolymer und Kombinationen davon. Verfahren nach Anspruch 51, bei dem das schmelzende/zerfasernde Polymer ein Ethylen-Acrylsäure-Copolymer ist. Verfahren nach Anspruch 51, bei dem sich die Verstärkungsfaser bei Zugabe zu der Mischung in einem Papierbeutel befindet und die Fasern sich innerhalb einer Mischzeit von 5 Minuten vollständig und gleichmäßig in die Mischung hinein verteilen. Betongegenstand aus Beton, der Verstärkungsfasern enthält, die aus mindestens zwei miteinander verklebten Filamenten bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass die Filamente aus einem polymeren Kern bestehen, von dem mindestens 10% der Oberfläche von einem polymeren Mantel bedeckt sind, der aus einem schmelzenden/zerfasernden Polymer besteht, das eine niedrigere Schmelztemperatur hat als der polymere Kern, und mindestens 50% der Verstärkungsfasern nur an einem Ende oder an Enden der Verstärkungsfasern zerfasern, ohne sich in zwei oder mehr Fasern zu trennen. Betongegenstand nach Anspruch 54, bei dem die Verstärkungsfasern der Definition nach einem der Ansprüche 10 bis 51 entsprechen. Verstärkungsfaser zur Verwendung beim Verstärken von Beton, wobei die Faser eine Länge von 6,3 bis 101,6 mm (0,25 bis 4 Inch) hat und aus mindestens zwei miteinander verklebten Filamenten besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Filamente aus einem polymeren Kern bestehen, von dem mindestens 10% der Oberfläche von einem polymeren Mantel bedeckt sind, der aus einem schmelzenden/zerfasernden Polymer besteht, das eine niedrigere Schmelztemperatur hat als der polymere Kern, so dass die Verstärkungsfaser, wenn sie für eine Zeit von 30 Sekunden bis 20 Minuten mit einem Betonmischer gemischt wird, der eine Betonmischung aus Portlandzement mit 50 bis 70 Gew.-% Zuschlagstoffen und mit einem Verhältnis von Portlandzement zu Wasser von 0,4 bis 0,6 enthält, nur an einem Ende oder an Enden der Faser zerfasert, ohne sich in zwei oder mehr Fasern zu trennen. Verstärkungsfaser nach Anspruch 56, bei der der polymere Kern ein Polypropylen-Kernpolymer ist und das schmelzende/zerfasernde Polymer ausgewählt ist aus Polyethylen niedriger Dichte, mit Maleinsäureanhydrid gepfropftem Polyethylen niedriger Dichte, Ethylen-Styrol-Copolymer, Polyethylen mit einem Schmelzindex von 5 bis 35 und einer Dichte von 0,9 g/cm3 bis 0,965 g/cm3, Ethylen-Acrylsäure-Copolymer und Kombinationen davon. Verstärkungsfaser nach Anspruch 56, bei der die Verstärkungsfasern der Definition nach einem der Ansprüche 10 bis 49 und 51 entsprechen.






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