POLYOLEFINE FIBRES OR FILAMENTS, THEIR PRODUCTION, THEIR USE AS REINFORCING FIBRES IN BUILDING ELEMENTS, AND BUILDING ELEMENT

Abstract: 1. Polyolefine fibres or filaments for use as reinforcing fibres for building material mixtures based on cement and containing, as filler, optionally together with other fillers of inorganic nature, 5-80% by weight, relative to the polyolefine, of cement, characterised in that the cement present as filler has a particle size of less than 90 mu m and that the fibres or filaments have an elongation at break of at most 20%.

Description: Polyolefinfasern oder -fäden, deren Herstellung, Verwendung als Verstärkungsfaser in der Herstellung von Bauelementen und Bauelement Die vorliegende Erfindung betrifft Polyolefinfasern oder -fäden mit einem Gehalt an Zement als Füllstoff, die sich besonders als Verstärkungsfasern für Baustoffmischungen auf Basis Zement eignen, ein Verfahren zu deren Herstellung, deren Verwendung zur Herstellung von Bauelementen und die damit erzeugten Bauelemente. Es ist bekannt, dass man Gegenständen, besonders Rohren und Platten aus Zement durch Zumischung von Verstärkungsfasern eine erhöhte Festigkeit verleihen kann. Am meisten wurden bisher für diesen Zweck Asbestfasern eingesetzt. In letzter Zeit sind jedoch Bestrebungen im Gange, diese Asbestfasern durch anderes Fasermaterial zu ersetzen, da inzwischen deren carcinogene Wirkung festgestellt wurde. Als Ersatz für Asbestfasern wurden u.a. auch schon Polyolefinfasern oder -fasermaterialien in Betracht gezogen. In der GB-PS 1,130.612 wurde vorgeschlagen, Folyolefin-Stapelfasern in Zement einzuarbeiten und gemäss DE-OS 2,728.351 wurden Fasern von thermoplastischen Kunststoffen wie z.B. Polypropylen, in Form eines Netzwerkes, wie es durch Aufspleissen oder Fibrillieren eines unidimensional gereckten Films entstehen, für die Verstärkung von Bauteilen aus Zement eingesetzt. Da Polyolefinfasern jedoch hydrophob sind, stösst die Einmischung auf Schwierigkeiten und die Haftung in der Matrix lässt zu wünschen übrig, d.h. die Fasern werden bei Beanspruchung aus dem zementhältigen Material herausgezogen, sodass ihre Festigkeit nicht zum Tragen kommt. Gemäss GB-PS 1,136.661 wurde zur Verbesserung der Haftfestigkeit von Polyolefinfasern in Zementmörtel oder ähnlichem Material auf Basis Zement vorgeschlagen, Polyolefinfasern, insbesondere Fasern aus Polypropylen oder Polyäthylen, einzusetzen, die 5 - - 80 % Zement als Füllstoff enthalten und ausserdem einen Gehalt von 0,1 bis 5,0 96 an einem hydrophilen oberflächenaktiven Mittel, z.B. ein solches auf Basis eines tertiären Aminsulfonates, aufweisen. Die Herstellung dieser Fasern erfolgt bevorzugt nach dem Schmelzspinnverfahren mit nachfolgender mässiger Verstreckung, nämlich im Verhält nis 1: : 2 bis 1: 4, es ist aber auch die Herstellung über ein Splitfaserverfahren möglich. Als Zement wird ein "normaler Zement" verwendet. Durch den Zementzusatz wird das spezifische Gewicht der Fasern erhöht und die Fasern gemäss GB-PS 1,136.661 besitzen an der Oberfläche einen hydrophilen Charakter, sodass das Einmischen der Faser in den Zement wesentlich günstiger verläuft. Trotzdem liessen die Festigkeitswerte der mit diesen Fasern verstärkten Zementmischungen keinen ausreichenden Zuwachs im Vergleich zu unverstärkten Proben erkennen. Der Grund liegt einerseits darin, dass die relativ gering verstreckten Fasern keine sehr hohe Reissfestigkeit besitzen, eine höhere Verstreckung aber keine Verbesserung bringt, da solche Fasern mit normalem Zement, z.B. solchem der Type PZ 275, als Füllstoff, mit zunehmender Verstreckung an Festigkeit einbüssen. Ausserdem besitzen diese Fasern Bruchdehnungen, die 100 % und mehr betragen können. Fasern mit derart hoher Dehnung sind als Verstärkungsfasern ungeeignet, denn bei Beanspruchung von Betonformteilen dehnt sich die Faser in einem Ausmass, dass die Matrix bricht, bevor die Reissfestigkeit der Verstärkungsfaser überhaupt zum Tragen kommen kann. Ausserdem wurden gemäss GB-PS relativ starke Fasern (110 - 280 dtex) eingesetzt, die, wenn nach dem Schmelzspinnverfahren hergestellt,eine glatte Oberfläche besitzen. Uberraschenderweise konnte nun gefunden werden, dass eine sehr gute Verstärkung von Zement mit Hilfe von Fasern aus Polyolefinen mit Zement als Füllstoff dann möglich ist, wenn diese Fasern eine Bruchdehnung von maximal 20 % besitzen und mit einem Zement als Füllstoff hergestellt sind, der eine Korngrösse von unter 90 /um besitzt. Solche Fasern lassen sich dann auch bei Zementgehalten von 40 % und mehr höher, nämlich bis auf 1:10 bis 1:12, verstrecken, als in der GB-PS 1,136.661 geoffenbart, ohne dass Faserbrüche auftreten oder Festigkeitseinbussen mit zunehmendem Verstreckungsgrad zu verzeichnen wären. Fasern der geringen Dehnung von maximal 20 % werden über das Splitfaser verfahren erhalten. Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind demnach Polyolefinfasern oder -fäden zur Verwendung als Verstärkungsfaser für Baustoffmischungen auf Basis Zement enthaltend als Füllstoff gegebenenfalls neben anderen Füllstoffen anorganischer Natur 5 - 80 Gew.% Zement bezogen auf das Polyolefin, die dadurch gekennzeichnet sind, dass der als Füllstoff vorliegende Zement eine Korngrösse von unter 90 /um besitzt und die Fasern oder Fäden eine Dehnung von maximal 20 % aufweisen. Diese Faser, die kein oberflächenaktives Mittel enthält, lässt sich sehr gut in das zementhältige Material einmischen und besitzt eine gute Bindung zur Baustoff mischung. Die geringe Dehnung ermöglicht es, dass die Reissfestigkeit der Faser bei Beanspruchung des daraus hergestellten Beton- oder Zementmörtelformteiles voll zum Tragen kommt. Sie besitzt eine hohe Spleissneigung, was eine unregelmässige Oberfläche mit sich bringt, die ebenfalls vorteilhaft für eine gute Verankerung im Beton ist. Die erfindungsgemäss geforderte maximale Korngrösse des als Füllstoff verwendeten Zements ist sehr wesentlich für die Eigenschaften der damit hergestellten Fasern bzw. deren Festigkeitswerte, besonders bei hohem Verstreckungsgrad. Besonders günstig ist es, wenn der Kornanteil zwischen 60 lum und 90 /um unter 1 % beträgt. Zementsorten, die dieser erfindungsgemässen Forderung genügen, findet man z.B. unter den Zementen der Sorte PZ 475, wobei einfach durch eine Siebanalyse die Eignung feststellbar ist. Zemente der Sorte PZ 275 sind hingegen meist nicht geeignet. Es ist ferner zweckmässig, darauf zu achten, dass die verwendeten Fasern eine Reissfestigkeit von mindestens 5cN/tex besitzen. Vorzugsweise sollte die Reissfestigkeit mindestens 10 cN/tex betragen. Die Reissfestigkeit wird hierbei nach DIN 53 834 bestimmt. Fasern mit dieser Reissfestigkeit und der geforderten geringen Dehnung werden erhalten, wenn sie über ein Splitfaserverfahren hergestellt werden, wobei es der Vorteil der erfindungsgemässe Faser ist, dass sie bei höheren Verstreckungsgraden, vorzugsweise bei solchen von 1 : 7 und mehr, z.B. bis zu 1 : 12 an Reissfestigkeit zunehmen. Das ist für eine so hochgefüllte Faser überraschend, vor allem auch im Hinblick auf die Natur des Füllstoffes. Die erfindungsgemässen Polyolefinfasern oder -fäden können entweder in Stapel geschnittene Einzelfasern oder an manchen Stellen lose zusammenhängende Netzwerkfasern oder auch sogenannte Endlosfäden sein. Im Hinblick darauf, dass möglichst die für Asbestzement entwickelten Verfahren anwendbar sein sollen, sind Stapelfasern bevorzugt, wobei mit solchen einer Stapellänge von 0,2 - 2,0 cm besonders günstige Eigenschaften erzielt werden und gleichzeitig gute Verarbeitungsmöglichkeiten bestehen. Die Feinheit der Faser ist an sich nicht kritisch. Da es sich um eine Splitfaser handelt, variiert sie sehr stark und beträgt beispielsweise von 1 - 180 dtex, wobei das gleichzeitige Vorliegen von dünnen und starken Fasern oder Faserteilen günstig ist. Zweckmässigerweise wird die Faser oberflächlich mit einer Avivage versehen. Als solche kommt z.B. eine solche auf Basis von äthoxylierten Alkoholen oder äthoxylierten anderen organischen Verbindungen in Frage. Die erfindungsgemässe Faser kann ausser dem Zementgehalt auch noch andere Füllstoffe enthalten, wobei die Mindestmenge an Zement von 5 Gew.% einzuhalten ist Solche Füllstoffe können z.B. Talkum, Calciumcarbonat, Bariumsulfat und ähnlich sein. Es ist allerdings dabei zu beachten, dass diese Füllstoffe nur in solchen Mengen angewendet werden, dass die kennzeichnenden Eigenschaften der erfindungsgemässen Faser, wie hydrophile Oberfläche, Spleissneigung, unregelmässige Oberfläche, nicht verloren gehen. So ist z.B. Talkum dafür bekannt, dass er wesentlich hydrophober ist und die Spleissneigung von Polyolefinfasern herabsetzt. Zweckmässigerweise sollte daher die Talkummenge gegenüber dem Zement nicht überwiegen. Wie schon erwähnt, gelingt die Herstellung der erfindungsgemässen Fasern über ein Splitfaserverfahren, gemäss dem zunächst eine Primärfolie erzeugt wird, die nach Verstrecken entweder von selbst spleisst oder in der Spleissung durch mechanische Mittel wie z.B. Stachelwalzen unterstützt wird. Die Anwendung eines Splitfaserverfahrens ist wesentlich, da solche Fasern ausser der erfindungsgemäss geforderten niedrigen Dehnung auch durch das Aufspleissen Ver ästelungen und eine ungleichmässigere Oberfläche besitzen als schmelzgesponnene Fasern, was alles zur besseren Verankerung in der zementhältigen Mischung beiträgt und einen besseren Verbund herbeiführt. Vorzugsweise wird die Folie dabei mindestens im Verhältnis 1 : 7 verstreckt. Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind Bauelemente wie Platten, Rohre usw., auf Basis von Zement, die die erfindungsgemässe Faser als Vestärkungsfaser enthalten. Die Faser kann hierbei in Form von Stapelfasern, Multifilamenten oder als Netzwerke, wie es bei Spleissen von Folien entsteht, zugegen sein, wobei Stapelfasern bevorzugt sind. Die Menge an Faser richtet sich nach den gewünschten Eigenschaften des Bauelementes. In der Regel hat sich eine Menge von 0,2 bis 10 Vol.% Faser bezogen auf das Bauelement als zweckmässig erwiesen. Die erfindungsgemässen Bauelemente können zusätzlich auch andere übliche Verstärkungsfasern wie z.B. Kohlenstoffasern, Stahlfasern und ähnliche enthalten. Die folgenden Beispiele sollen die erfindungsgemässe Polyolefinfaser, deren Herstell ungsverfahren und Anwendung näher darstellen. Beispiel 1: Polypropylenpulver wird mit 30 Gew.% bezogen auf die Gesamtmischung eines Portlandzementes der Type 475 und der Korngrössenverteilung > 75 /um 0 ) 60zum 0,1% )40 zum 0,8 % > 331um 1,6 % < 33 /um Rest im Intensivmischer gemischt und anschliessend granuliert. Aus dem Granulat wird nach dem Chill-roll-Verfahren eine Primärfolie hergestellt, die nach Verstreckung bei 1200C mit einem Reckverhältnis von 1 : 7,67 unter Verwendung eines Fibrillators zu Splitfasern verarbeitet wird, die auf eine Stapellänge von 0,2 cm geschnitten wurden. Die so erhaltenen Fasern besitzen eine Reissfestigkeit nach DIN 53834 von 9,4 cN/tex und eine Bruchdehnung von 4,3 %. Wird bei der Herstellung der Folie nicht das Chill-roll-Verfahren sondern ein Verfahren mit Wasserbadkühlung angewendet, so besitzen die Fasern beim gleichen Reckverhältnis folgende Kennzahlen: Reissfestigkeit 10,7 cN/tex Bruchdehnung 5,3 % Beispiel 2: Aus einem Granulat gemäss Beispiel 1 werden, wie in Beispiel 1 beschrieben, Splitfasern hergestellt und zu Stapelfasern einer Länge von 0,2 cm geschnitten, wobei jedoch ein Reckverhältnis von 1: 8,15 gewählt wurde. Die so erhaltenen Fasern besitzen eine Reissfestigkeit von 10,8 cN/tex und eine Bruchdehnung von 4,8 %. Beispiel 3: Aus einem Granulat gemäss Beispiel 1 werden, wie in Beispiel 1 beschrieben, Stapelfasern einer Länge von 0,2 und 0,5 cm hergestellt, wobei ein Reckverhältnis von 1 : 9,35 angewendet wurde. Die so erhaltenen Fasern besitzen eine Reissfestigkeit von 13,5 cN/tex und eine Bruchdehnung von 5,3 %. Wird bei der Herstellung der Folie nicht das Chill-roll-Verfahren sondern ein Breitschlitzdüsenverfahren mit Wasserbadkühlung angewendet, besitzen die Fasern bei Einhaltung des gleichen Reckverhältnisses folgende Kennzahlen: Reissfestigkeit 10,3 cN/tex Bruchdehnung 4,7 % Beispiel 4: Polypropylenpulver wird mit 50 Gew.% eines Portlandzementes der Type 475 mit einem Kornanteil > 60 /um von 0,2 % und über 75 /um von 0 im Intensivmischer gemischt und anschliessend granuliert. Aus dem Granulat wird über eine Breitschlitzdüse mit anschliessender Wasserbadkühlung eine Primärfolie hergestellt, die anschliessend bei 1300C im Verhältnis 1: 8,77 verstreckt wird. Sie wird unter Anwendung eines mechanischen Fibrillators zu Splitfasern verarbeitet, die auf Schnittlängen von 0,6 cm und 1,3 cm geschnitten werden. Die Fasern besitzen eine Reissfestigkeit nach DIN 53 834 von 10,8 cN/tex und eine Bruchdehnung von 1,97 %. Beispiel 5: Aus Polypropylenpulver und dem gleichen Zement wie in Beispiel 4, jedoch unter Verwendung von 40 Gew.% Zement bezogen auf die Mischung wurde wie in Beispiel 4 beschrieben eine Mischung erzeugt, die mit Hilfe einer Chill-roll Anlage zu einer Primärfolie verarbeitet, bei 1300C einmal im Verhältnis 1 10,77 und ein anderesmal im Verhältnis 1 : 12,5 verstreckt und anschliessend mechanisch fibrilliert wird. Die Faser wird dann zu einer Länge von 0,6 cm geschnitten. Sie besitzt folgende Eigenschaften: Reckverhältnis 1 : 10,77, Reissfestigkeit 9,1 cN/tex, Bruchdehnung 5,07 % Reckverhältnis 1:12,5, Reissfestigkeit 11,2 cN/tex Dehnung 3,12 %. Beispiel 6: Gemäss den Beispielen 1 bis 3 hergestellte Fasern wurden in einer Menge von 3 Vol.% in einen für die Herstellung von Asbestzementplatten üblichen Portlandzement eingemischt und aus der Mischung wurden in üblicher Weise Platten geformt. Die Platten wurden zu schmalen Stäben gesägt und diese Stäbe bis zum Reissen einer Zugspannung in Anlehnung an die Methode nach DIN 53 455 unterworfen. Die in der nachfolgenden Tabelle mit max. bereich neten Maximalwerte sind bei vollständigem Bruch des Probestabes gemessen worden Probe gemäss Verstreckungsgrad max.in N/cm2 Beispiel 1 1: 7,67 192 Beispiel 2 1: 8,15 243 Beispiel 3 1: 9,35 238 Schnittlänge 0,2 cm Beispiel 3 i 1: 9,35 284 Schnittlänge 0,5 cm Beispiel 7: Gemäss den Beispielen 4 und 5 hergestellte Fasern wurden mit verschiedenen handelsüblichen Avivagen auf Basis äthoxylierter Fettalkohole und eine Probe nur mit Wasser behandelt und in einer Menge von 3 Vol.% in einen für die Herstellung von Asbestzementplatten üblichen Portlandzement eingearbeitet. Aus der Mischung wurden in üblicher Weise Platten geformt und aus diesen schmale, stabförmige Probekörper gesägt, die auf ihre Zugspannung in Anlehnung an die Methode nach DIN 53 455 untersucht wurden. Die Werte, die in der Tabelle mit max. angegeben sind, wurden bei vollständigem Bruch des Stabes gemessen. Als'Vergleich wurden in gleicher Weise hergestellte Probestäbe getestet, die die gleiche Menge einer Polypropylenfaser einer Stapellänge von 0,6 cm aus dem gleichen Polypropylen wie die erfindungsgemässe Faser, aber ohne Zementzusatz, jedoch ebenfalls mit der gleichen Menge Avivage versehen, enthielten. Die Polypropylenfaser wurde bei der Herstellung im Verhältnis 1: 3,3 verstreckt und besass eine Reissfestigkeit von 28 - 32 cN/tex und eine Bruchdehnung von 80 - 100 %. Bei den drei Proben mit 40 % Zement enthaltenden Fasern und einer Verstreckung von 1 : 12,5 handelt es sich um drei Proben mit drei verschiedenen Avivagen. Die Avivage jener Faser, mit der 2 ein max.-Wert von 389 N/cm2 erzielt wurde sowie jene der Vergleichsfaser war die gleiche, wie sie für die Proben mit 50 % Zementgehalt der Faser eingesetzt wurde. Tabell e Probe gemäss Schnitt Verstreckungsgrad max länge N/cm2 cm Beispiel 4 0,6 1: 8,77 442 mit Wasser beh. Beispiel 4 0,6 1: 8,77 482 aviviert Beispiel 4 1,3 1: 8,77 494 aviviert Beispiel 5 0,6 1:10,77 304 aviviert Beispiel 5 0,6 1:12,5 327 aviviert Beispiel 5 0,6 1:12,5 362 aviviert Beispiel 5 0,6 1:12,5 389 Beton mit PP-Faser 0,6 1: 3,3 154 aviviert

Claims: Patentansprüche: 1. Polyolefinfasern oder -fäden zur Verwendung als Verstärkungsfaser für Baustoff mischungen auf Basis Zement enthaltend als Füllstoff gegebenen falls neben anderen Füllstoffen anorganischer Natur 5 - 80 Gew.% Zement bezogen auf das Polyolefin, dadurch gekennzeichnet, dass der als Füllstoff vorliegende Zement eine Korngrösse von unter 90 /um besitzt und die Fasern oder Fäden eine Dehnung von maximal 20 % aufweisen. 2. Polyolefinfasern oder -fäden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem als Füllstoff vorliegenden Zement der Kornanteil zwischen 60 /um und 90 1um unter 1 % beträgt. 3. Polyolefinfasern oder -fäden nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstreckungsgrad mindestens 1 : 7 beträgt. 4. Polyolefinfasern oder -fäden nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, dass sie eine Reissfestigkeit von mindestens 5 cN/tex besitzen. 5. Polyolefinfasern oder -fäden nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, dass sie Stapelfasern mit einer Stapellänge von 0,2 - 2,0 cm sind. 6. Polyolefinfasern oder -fäden nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, dass sie mit einer Avivage versehen sind. 7. Verfahren zur Herstellung von Polyolefinfasern oder -fäden nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Polyolefine mit einem Gehalt von 5 - 80 % gezogen auf das Polyolefin, an einem Zement mit einer Korngrösse unter 90 /um, vorzugsweise einer Korngrössenverteilung, gemäss der der Kornanteil zwischen 60 /um und 90 lum unter 1 % beträgt, einem Splitfaserverfahren mit oder ohne mechanische Fibrillierung unterworfen werden. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der im Zuge des Splitfaserverfahrens hergestellte Film vor der Fibrillierung mindestens im Verhältnis 1 : 7 verstreckt wurde. 9. Verwendung von Polyolefinfasern oder -fäden gemäss den Ansprüchen 1 bis 6 als Verstärkungsfasern in der Herstellung von Bauelementen auf Basis Zement. 10. Bauelement auf Basis von Zement mit einem Gehalt an Fasern oder Fäden aus Polyolefinen, die Zement als Füllstoff enthalten, als Verstärkungsfa sern, dadurch gekennzeichnet, dass die Polyolefinfasern oder -fäden solche gemäss den Ansprüchen 1 bis 6 sind und in Form von Stapelfasern, Multifilament oder Netzwerk vorliegen.

Inventors: CHODURA, ECKHART, DR., FUCHS, WOLFGANG, KATHAN, WOLFGANG, DR., WEWERKA, MANFRED
Applicants: CHEMIE LINZ AKTIENGESELLSCHAFT, LENTIA GESELLSCHAFT MIT BESCHRANKTER HAFTUNG
Application year: 1980
Main classification: C04B31
IPC codes: E04C5, D01F1, C04B16