Verwendung eines Kompositwerkstoffes

Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung eines Kompositwerkstoffes aus Holz und thermoplastischen Kunststoffen für Komponenten eines Gebäudes, wobei das lignocellulo- sische Material wie Holz in Form von Partikeln, beispielsweise als Holzmehl, Holzfasern oder Holzεchnitzel, in Mischung mit einem thermoplastischen Kunststoff diesen Kompositoder Verbundwerkstoff bildet.

Die US 4717742 beschreibt gattungsgemäfi holzverstärkte thermoplastische Verbundwerkstoffe aus Holzzellstoff und Polyethylen oder isotaktischem Polypropylen, wobei der Kunststoff jeweils Maleinsäureanhydrid enthält. Zur Verbesserung der Haftung zwischen lignocel- lulosischen Fasern einerseits sowie Kunststoff andererseits werden die lignocellulosischen Fasern mit γ-Aminopropyltriethoxysilan in Lösungsmittel behandelt, das Lösungsmittel abgedampft und bei 105 ⁰ C getrocknet. Das Maleinsäureanhydrid dient als Kopplungsmittel zwischen des silanisierten Cellulosefasern und dem Kunststoff.

Gegenüber den bekannten Kompositwerkstoffen aus thermoplastischen Kunststoff und lignocellulosischen Fasern stellt sich der vorliegenden Erfindung die Aufgabe, die Verwendung eines Kompositwerkstoffs mit verbesserten Eigenschaften für Komponenten eines Gebäudes anzugeben, wobei der Kompositwerkstoff insbesondere eine höhere Kerbschlagzähigkeit, ein verbessertes Elastizitätsmodul, eine höhere Zugfestigkeit sowie eine verringerte Wasseraufnahme aufweist und somit die mechanischen und tribologischen Eigenschaften der Bauteile vorteilhaft verbessert, nahezu lösemittelfrei ist und gute Verarbeitungseigenschaften aufweist.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1.

Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung löst die vorgenannte Aufgabe dadurch, dass die Verwendung eines Kompositwerkstoffes aus lignocellulosischen Fasern, durch Behandlung mit Silanen derivatisiert, wodurch einerseits eine haftvermittelnde Wirkung zwischen lignocellulosischen Fasern und thermoplastischem Kunststoff hergestellt ist und andererseits die lignocellulosischen Fasern hydrophobiert sind, und einem thermoplastischen Kunststoff für die Herstellung von Komponenten für Gebäude angegeben ist.

Der Kompositwerkstoff, bestehend aus einem thermoplastischen Kunststoff und lignocellulosischen Fasern, die durch Behandlung mit Silanen derivatisiert sind, zeichnet sich dadurch aus, dass einerseits eine haftvermittelnde Wirkung zwischen den lignocellulosischen Fasern und dem thermoplastischen Kunststoff hergestellt wird und andererseits die lignocellulosischen Fasern hydrophobiert sind.

Die lignocellulosischen Fasern werden durch eine Behandlung mit Organopolysiloxanen bzw. deren Copolymerisaten in einer Mischung auf Wasserbasis umgesetzt. Dadurch wird die Haftvermittlung zwischen lignocellulosischen Fasern und thermoplastischem Kunststoff im Kompositwerkstoff verbessert. Es werden dadurch sowohl die mechanisch-physikalischen Eigenschaften des Kompositwerkstoffs verbessert, als auch die Aufnahme von flüssigem und gasförmigem Wasser reduziert.

Nach diesem Verfahren kann im wesentlichen auf den Einsatz von organischen Lösemitteln verzichtet werden, es sind somit lösemittelfreie Bauteile, die als Komponenten für Gebäude eingesetzt werden können, herstellbar.

Auch die Verarbeitung des Kompositwerkstoffs für die Herstellung dieser Bauteile wird nicht nachteilig beeinflusst.

Der Gehalt von lignocellulosischen Fasern beträgt im erfindungsgemäßen Kompositwerkstoff beispielsweise 10 bis 90 Gewichtsprozent, wobei als lignocellulosische Fasern Holzmehle, Holzspäne, und/oder Holzschnitzel aus Laub- und Nadelhölzern und Gemische daraus eingesetzt werden können.

Als thermoplastischer Kunststoff eignet sich insbesondere Polyethylen, Polypropylen, vorzugsweise isotaktisches Polypropylen, Blockpolymere und Mischpolymere aus Polyethylen- und Polypropyleneinheiten, aber auch Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) und dessen Blockpolymere.

Die lignocellulosischen Fasern werden durch eine Behandlung mit Organopolysiloxanen bzw. deren Copolymerisaten in einer Mischung auf Wasserbasis umgesetzt. Dies wird im folgenden näher erläutert:

Die erfindungsgemäß einzusetzenden Organopolysiloxane sind erhältlich durch Mischen wasserlöslicher Aminoalkyl-Alkoxysilane , die die allgemeine Formel I

R-Si(R ¹ ) _y (OR ^r ) _3-y (I)

aufweisen, mit nicht wasserlöslichen Alkyltrialkoxysilanen, die die allgemeine Formel Il

R ² -Si(OR ^r" ) ₃ (II)

aufweisen, optional zusätzlich in Kombination mit nicht wasserlöslichen Dialkyldialkoxysila- nen der allgemeinen Formel III

AA ^' -Si(OR ^1"' ) ₂ (III).

Dabei ist R eine aminofunktionale Gruppe, aliphatisch verzweigt oder unverzweigt oder aromatisch mit 2 bis 8 Kohlenstoffatomen, die primäre, sekundäre, tertiäre, bevorzugt quar- täre aliphatische oder aromatische Aminogruppen enthält oder die allgemeine Formel IV aufweisen kann:

[Z _(f+g+h) ] ^(f+9th) [NH _2+f (CH ₂ ) _b (NH _g+1 ) _c (CH ₂ ) _d (NH _h+1 ) _e (CH ₂ ) _l ] ^(f+9+h)+ (IV),

bei der b, d und i unabhängig 0 bis 3 sind, c, e, f, g und h unabhängig 0 bis 1 sind und b + d + i = 0 ist, für b = 0 auch c = 0 ist, für d = 0 auch e = 0 ist, für i = 0 auch e = 0 ist und für d = i = 0 auch c = 0 ist. Dabei ist Z ein einwertiger anorganischer oder organischer Säurerest. R ¹ , R ^1* , R ^1" und R ^1"* sind unabhängig ein Methyl- oder Ethylrest, R ² ein linearer, zyklischer oder verzweigter Alkylrest mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen, A ein unverzweigter oder verzweigter Alkylrest mit 1 bis 3 Kohlenstoffatomen und A' ein unverzweigter oder verzweigter Alkylrest mit 1 bis 3 Kohlenstoffatomen ist und y 0 oder 1 ist. Vorzugsweise beträgt das Molverhältnis von Verbindungen der Formel I zur Summe derjenigen der Formeln Il und IM zwischen 0 und 2.

In bevorzugter Ausführungsform ist das wasserlösliche Aminoalkylalkoxysilan 3- Aminopropyltriethoxysilan und das wasserunlösliche Alkyltrialkoxysilan Isobutyltrialkoxysi- lan.

Das Organopolysiloxan, das aus wasserlöslichem Aminoalkylalkoxysilan und zumindest einem wasserunlöslichen Alkyltrialkoxysilan, optional mindestens einem weiteren wasserunlöslichen Dialkyldialkoxysilan besteht, wird vorzugsweise unter Säurekatalyse hergestellt. Dabei bedeutet Säurekatalyse vorzugsweise, dass der pH-Wert einen Wert zwischen 1 bis 8 aufweist, bevorzugt 3 bis 5.

In besonders bevorzugter Ausführungsform wird das Organopolysiloxan auf Wasserbasis im Wesentlichen frei von Alkoholen eingesetzt, wobei das Organopolysiloxan herstellbar ist durch Mischen des wasserlöslichen Aminoalkoxysilans mit dem wasserunlöslichen Dialkyldialkoxysilan in Wasser, Einstellen des pH-Werts auf einen Wert zwischen 1 und 8, vorzugsweise 3 bis 5 und Entfernen von Alkohol, vorzugsweise durch Vakuumdestillation. Für die Säurekatalyse bzw. zum Einstellen des pH-Werts können anorganische oder organische Säuren eingesetzt werden, vorzugsweise Ameisensäure oder Essigsäure.

Eine bevorzugte, wasserbasierte Organopolysiloxan-Zusammensetzung ist aus EP 0 716 128 A2 bekannt und unter dem Namen Dynasilan® von der Degussa AG, Deutschland, erhältlich.

Es ist bevorzugt, dass die Behandlung der lignocellulosischen Fasern über eine längere Zeitdauer stattfindet, beispielweise über zwei Stunden unter Bewegung. Es ist bevorzugt, dass die Silanisierung der lignocellulosischen Fasern bei von ca. 40 bis 70 °C, bevorzugt 40 ⁰ C durchgeführt wird, was zu einer Erhöhung der in das lignocellulosische Material eingetragenen Menge an Organopolysiloxan führt. Weiterhin ist bevorzugt, dass eine wässrige Formulierung der erfindungsgemäßen Organopolysiloxane bei der Behandlung einen pH- Wert von 3 bis 4 aufweist, beispielsweise durch Ameisensäure eingestellt, und durch längeres Mischen der wässrigen Gebrauchslösung vollständig hydrolysiert ist.

Alternativ kann eine organopolysiloxanhaltige Zusammensetzung, vorzugsweise auf Wasserbasis, hergestellt werden durch Mischen wasserlöslicher Aminoalkylalkoxysilane der allgemeinen Formel I:

R-Si(R ¹ ) _y (OR ^1' ) _3-y (I)

im molaren Verhältnis von > 0 bis maximal 2 mit nicht wasserlöslichen Aminoalkoxysilanen der allgemeinen Formel II:

R ² -Si(OR ^1" ) ₃ (II),

wobei R eine aminofunktionelle organische Gruppe der allgemeinen Formel III:

[Z _(f+C . _π ] ^A _d NhV _M , [(CH ₂ ) _a NA ¹ _e H ^" ₍₁ - _e+ n] _c (CH ₂ ) _b ] ^(f+cr)+ (III)

darstellt, bei der a und b 1 bis 6 sind, c 0 bis 6 ist, d und e 0 bis 2 sind, f und f* 0 bis 1 sind, A und A ¹ einen Benzyl- oder Vinylbenzylrest darstellen, N Stickstoff ist und Z ein einwertiger anorganischer oder organischer Säurerest ist, wobei R ¹ , R ^1* , R ^1** einen Methyl- oder Ethylrest und

R ² einen linearen, cyclischen oder verzweigten Alkylrest mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen oder eine Ureido-Alkylgruppe der allgemeinen Formel IV darstellt:

NH ₂ -CO-NH-(CH ₂ ) _b - (IV)

und y 0 bis 1 ist, anschließendes Versetzen des Gemischs mit Wasser,

Einstellen des pH-Wertes auf einen Wert zwischen 1 und 8, und

Entfernen des vorhandenen und/oder bei der Umsetzung entstehenden Alkohols.

Als lignocellulosische Fasern für den Kompositwerkstoff kommen Fasern/Späne - wie beispielsweise Fichtenholzspäne - in einer Größenordnung von 5 μm bis 5 mm Faserlänge in Frage. Die Auswahl der Faserlänge richtet sich dabei nach der Verwendung des Bauteils innerhalb und/oder außerhalb eines Gebäudes.

Die Herstellung des Kompositwerkstoffs, bestehend aus silaniεierten Holzspänen, insbesondere Fichtenholzspänen, und thermoplastischen Kunststoff, wie z. B. granuliertes oder pulverförmiges Polypropylen, erfolgt beispielsweise durch Mischen und mechanisches Kneten in aus dem Stand der Technik bekannten Materialverarbeitungsvorrichtungen/-anlagen der Kunststofftechnik.

Der derart hergestellte Kompositwerkstoff wird als Grundstoff für die Herstellung von Bauteilen verwendet, wobei diese Bauteile innerhalb und/oder außerhalb eines Gebäudes eingesetzt werden.

Der Kompositwerkstoff, bestehend aus silanisiertem lignocellulosischen Material und einem thermoplastischen Kunststoff, kann vorteilhaft noch mit Zusatzstoffen versehen werden, die seine physikalisch-technischen Eigenschaften im Hinblick auf die Erfordernisse der unterschiedlichen daraus hergestellten Bauteile und der Verarbeitung dazu verbessern.

Als Zusatzstoffe eignen sich:

Füllstoffe, Nanopartikel, Pigmente, Leitfähigkeitsadditive, Treibmittel bzw. Schaumbildner, Verarbeitungshilfsstoffe, Thermostabilisatoren, externe und interne Gleitmittel bzw. Fließmittel, Lichtschutzmittel, Flammschutzmittel, Schlagzähmodifikatoren, Antioxidantien, Nukleierungsmittel bzw. Keimbildner, Weichmacher, Antistatika, antimikrobiell wirkende Stoffe, anorganische Fasern, Riechstoffe.

Es sind auch Mischkombinationen der Zusatzstoffe untereinander in dem Kompositwerkstoff verwendbar.

Als Füllstoffe lassen sich mineralische Füllstoffe einsetzen. Beispiele sind Calciumcarbonat, d.h. Kreide, Kalkstein, Marmor, Dolomit; Silikate (auch Schichtsilikate) des Natriums, Kaliums, Calciums, Magnesiums (Talkum) und Aluminiums, Eisens, Zirkons; Kieselsäure; Metallhydroxide wie beispielsweise Magnesiumhydroxid und Aluminiumhydroxid. Dabei sind die Füllstoffe in unterschiedlichen Formen ausgeprägt, wie z.B. stäbchenförmig, blattförmig, faserförmig oder sphärolithisch und dem silanisierten lignocellulosischem und/oder dem thermoplastischen Kunststoff beigemischt, so dass eine Verarbeitung des erfindungsgemäßen Kompositwerkstoffs mittels der vorgenannten Herstellungsverfahren für die Bauteile erfolgen kann.

Die jeweiligen Füllstoffe dienen unter anderem zur Erhöhung des E-Moduls oder zur gezielten Einstellung der Materialhärte für bpslw. Rohre.

Es können auch nanoförmige mineralische Füllstoffe mit einer Partikelgröße von kleiner 1 μm gezielt zur Elastizitätseinstellung des Kompositwerkstoffes eingesetzt werden, wie dies beispielsweise bei Montagerahmen notwendig ist.

Weiterhin werden Pigmente, umfassend Ruß, Titandioxid, Eisenoxid, beschichtetem Glimmer, spinellartigen Pigmentverbindungen sowie Metallkomplexverbindungen eingesetzt. Ruß dient dabei beispielsweise auch dazu, die elektrischen Eigenschaften von Oberflächen, bestehend aus dem Kompositmaterial, spezifisch hinsichtlich ihres elektrischen Flä- chenwiderstandverhaltens einzustellen. Beispiele hierfür sind Rohre und Behälter, bei denen elektrostatische Ladungen abzuführen sind.

In diesem Zusammenhang wurde auch erkannt, dass durch die Zugabe von Leitfähigkeitsadditiven, wie Graphit oder Metallpartikel, es möglich ist, die für bestimmte Bauteile notwendige abschnittsweise elektrische Leitfähigkeit zur Abschirmung von elektrischer Streustrahlung vorteilhaft vorzusehen.

Das silanisierte lignocellulosische Material in Verbindung mit dem thermoplastischen Kunststoff sowie das in die Matrix eingebrachte Leitfähigkeitsadditiv gestatten die Ausbildung hochdotierter LeitfähigkeitsbereicheAzonen, neben Bereichen/Zonen mit geringerer Leitfähigkeit (Isolationsbereiche). Dadurch lassen sich gezielt leitfähige Bereiche entlang einer Oberfläche der Bauteile einstellen und beisplw. elektrostatische Aufladungsphänomene im Innen- und/oder Außenbereich eines Gebäudes vorteilhaft reduzieren.

Insbesondere geschäumte Bauteile lassen sich durch anorganische und/oder organische Schaumbildner wie beispielsweise Azodicarbonamid bzw. Natriumhydrogencarbonat herstellen. Hierdurch können in Bauteilen Abschnitte erzeugt werden, die eine Isolationswirkung im Hinblick auf die Wärmeleitung und/oder der Leitung von Schall oder die Absorption von einwirkenden Kräften ermöglichen.

Zur besseren Verarbeitung des Kompositwerkstoffs zu Bauteilen können auch Verarbeitungshilfsstoffe, wie hochmolekulare Acryl-Polymere, zugesetzt werden, sowie Stabilisatoren, wobei beispielsweise ein organisches Zinncarboxylat und/oder ein Zinnmercaptid und/oder eine Barium-Zink-Verbindung und/oder Tris(nonyiphenyl)phosphit und/oder Tris(2,4-di-tert-butylphenyl)phosphit zum Einsatz kommt.

Für die Herstellung von Bauteilen im Extrusionsverfahren können Fließ- und Gleitmittel, wie Metallsalze, Fettsäuren und/oder Wachse (Paraffin) und/oder Fettsäureester verwendet werden.

Weiterhin können dem Kompositwerkstoff Lichtschutzmittel, wie HALS-Stabilisatoren (ste- risch gehinderte Amin-Lichtschutzmittel) zugegeben werden.

Durch ein Lichtschutzmittel im Werkstoff wird erreicht, dass die physikalisch-chemischen Eigenschaften von Bauteilen, die im Außeneinsatz der Einstrahlung von Licht ausgesetzt sind, erhalten bleiben oder sich zumindest zeitlich verzögert verschlechtern.

Es wurde weiterhin erfindungsgemäß erkannt, dass Flammschutzmittel, wie Deca-, Octa-, Pentabromdiphenylether oder Hexabromdiphenoxyethan oder Tetrabromphthalsäurean- hydrid oder Tetrabromphthalsäurediol und -polyether oder Tetrabrom bisphenol A (TBBA) für Bauteile verwendet werden können, die besonderen brandschutztechnischen Anforderungen unterliegen. Hierzu werden die entsprechenden Zusätze dem Kompositwerkstoff zugemischt.

Schlagzähmodifikatoren, wie Acrylate, eignen sich im Kompositwerkstoff für mechanisch beanspruchte Bauteile, die damit wesentlich widerstandsfähiger werden.

Es ist auch möglich, Antioxidantien, umfassend sterisch gehinderte Phenole, sterisch gehinderte Amine, Lactone, dem Kompositwerkstoff zuzufügen, wobei damit verbesserte Werkstoffeigenschaften erreicht werden.

Ebenso ist es möglich, dem Kompositwerkstoff Keimbildner bzw. Nukleierungsmittel, wie Kreide oder Talkum zuzusetzen, um so die Werkstoffeigenschaften günstig beeinflussen zu können, wobei vorteilhaft erhöhte Temperaturstabilitäten der Bauteile resultieren.

Verschiedene Bauteile können Weichmacher benötigen, die aus Phthalat und/oder Citrat und/oder öl auswählbar sind.

Antistatika, wie beispielsweise epoxylierte Amine, Polyethylenglykolester, Glyzerinmono- und/oder -distearate, Alkylsulfonate eignen sich zur Ableitung von auf Bauteilen bei der Herstellung und/oder Anwendung auftretender statischer Elektrizität.

Antibakteriell wirkende Stoffe, wie Silber und/oder Silberionen oder Kupferionen oder Tric- losan werden im Kompositwerkstoff verwendet, wenn Bauteile beispielsweise für hygienisch sensible Bereiche in der Wasser- und insbesondere Trinkwasserversorgungstechnik, der Luftversorgungstechnik oder der Sanitärtechnik, hergestellt werden sollen.

Als anorganische Fasern, die gemäß der vorliegenden Erfindung dem Kompositwerkstoff zugegeben werden können, eignen sich Glasfasern oder Gesteinsfasern, die natürlichen oder synthetischen Ursprungs sind.

Diese verstärken die Bauteile aus dem dieserart modifizierten Kompositwerkstoff beispielsweise in ihrer Zugfestigkeit. Ebenso verringern sie die Wärmeausdehnung.

Es lassen sich dem Kompositwerkstoff auch Riechstoffe, wie beispielsweise Ester und/oder Terpene und/oder Aldehyde und/oder Arylverbindungen, zusetzen, um so Bauteile, die im Innenraum eines Gebäudes eingesetzt werden, einen angenehmen Geruch zu verleihen.

Der Kompositwerkstoff kann bei der Herstellung einer Komponente für ein Gebäude auch so verwendet werden, dass ein Bauteil abschnittweise, beispielsweise in Form einer Schichtanordnung oder einer Sandwichstruktur, daraus besteht.

Damit gelingt es, die Eigenschaften des Kompositwerkstoffes entsprechend den Anforderungen für die Verwendung der daraus hergestellten Komponenten für ein Gebäude durch Zugabe von Zusätzen und/oder durch Auswahl einer bestimmten Werkstoffanordnung exakt anzupassen.

Auf diese Weise ist ein Kompositwerkstoff erhältlich, der eine verbesserte Haftvermittlung zwischen lignocellulosischen Fasern und thermoplastischem Kunststoff aufweist, verbunden mit einer reduzierten Aufnahme von flüssigem und gasförmigem Wasser, wodurch die mechanisch-physikalischen Eigenschaften deutlich verbessert sind, und der dadurch für die Herstellung von Komponenten für Gebäude besser geeignet ist.

Erfindungsgemäß eignet sich der Kompositwerkstoff zur Verwendung für die Herstellung von Komponenten, die im Innenbereich eines Gebäudes eingesetzt sind. Diese können ausgewählt sein aus einem Rohr oder einem Rohrregister/-modul oder einem Rohrverbindungsstück oder einem Mittel, Rohre zu befestigen, wie ein Dübel, eine Klemmschiene, ein Kabelbinder, eine Haltenadel, ein Rohrführungsbogen, oder einem Behälter oder einem Schachtbauteil oder einer Rigole oder einem Boden oder einer Wandverkleidung oder einer Deckenverkleidung oder einer Platte oder einer Noppenplatte oder einem Abdeckprofil oder einem Randdämmstreifen oder einem Dehnfugenprofil oder einem Montagerahmen oder einer Muffe oder einem Kabelkanalprofil oder einem Verdrahtungskanalprofil oder einem Leitungskanalprofil oder einem Installationskanalprofil oder einem

Stromschienenabdeckprofil oder einem Wasserabweisprofil oder einem Wandanschlussprofil oder einem Verglasungsprofil oder einem Scharnierprofil oder einem Handlaufprofil oder einem Sockelleistenprofil oder einem Kantenband oder einem Rollladenprofil oder einem Griffleistenprofil oder einem Sockelleistenprofil oder einem Sockelblendenprofil oder einem Dichtungsprofil oder einem Kranzleistenprofil oder einem Dekorationselement, wobei diese Aufzählung nicht abschließend zu sehen ist.

Der Kompositwerkstoff eignet sich erfindungsgemäß auch zur Verwendung für die Herstellung von Komponenten, die im Außenbereich eines Gebäudes eingesetzt sind. Diese könne ausgewählt sein aus einem Rohr oder einem Rohrregister/-modul oder einem Rohrverbindungsstück oder einem Mittel, Rohre zu befestigen, wie ein Dübel, eine Klemmschiene, ein Kabelbinder, eine Haltenadel, ein Rohrführungsbogen, oder einem Behälter oder einem Schachtbauteil oder einer Rigole oder einem Dachentwässerungssystem oder einem Begrenzungselement oder einem Schalungselement oder einem Montagerahmen oder einer Muffe oder einer Schwimmbadabdeckung, wobei diese Aufzählung nicht abschließend zu sehen ist.

Der Kompositwerkstoff kann zur Herstellung von Bauteilen im Spritzgussverfahren oder im Blasverfahren oder im Extrusionsverfahren oder im Tiefziehverfahren oder im Thermoform- verfahren oder in einer Kombination der genannten Verfahren verwendet werden.

- Patentansprüche -