Elastomere zum Abdichten gegen dru¨ ckendes Wasser

Transcription

ROHSTOFFE UND ANWENDUNGEN
RAW MATERIALS AND APPLICATIONS
Quellgummi Quellpaste Schutzschicht Dichtigkeit Alterungsbeständigkeit Quellung in Salz- und Zementwasser
Durch die Einbettung einer geeigneten
Kombination verschiedener wasseraufnehmender Füllstoffe in eine Polymermatrix wurden Abdichtmaterialien in
Form von Quellgummis und von zu
Quellgummis aushärtenden Quellpasten
entwickelt, die kostengünstig herstellbar
und alterungsbeständig sind sowie hervorragende Abdichteigenschaften gegen
drückendes Wasser, besonders auch gegen
stark elektrolythaltiges Wasser wie Meeroder Zementwasser aufweisen. Zum
Schutz gegen ein frühzeitiges, unbeabsichtigtes Quellen können Quellgummis
mit einem Schutzlack beschichtet werden,
der sich nach Applikation im alkalischen
Milieu des Zements wieder auflöst.
Elastomer-Based Sealing Materials Against Pressuring Water
Water swellable elastomers Water
swelling paste Protecting lacquer Tightness Long-term stability Swelling in sea and cement water
Sealing materials against pressuring
water have been developed by incorporating a suitable combination of
different water absorbent fillers into an
elastomeric matrix in the form of
sealing elastomers and pastes leading
to sealing elastomers after curing in air.
These sealing materials, which can be
produced cost efficiently, show a good
long term stability and good sealing
properties against pressuring water,
especially against electrolyte containing water like sea water or cement
water. To protect these swelling elastomers against an early unintended
swelling they can be protected with a
lacquer, which disintegrates again in
the alkaline medium of the cement.
Gegen eindringendes Wasser besteht ein
großer Bedarf an Abdichtmaterialien in
der Bauindustrie. Besonders effizient
sind dabei wasserquellende Abdichtmaterialien, die das eindringende Wasser
aufnehmen und dabei ihr Volumen vergrößern. Durch den dabei entstehenden
Quell- und Anpressdruck bleibt eine Fuge
oder Riß auch nach Bewegungen wie Setzungen immer dicht verschlossen [1 – 3].
An potentiell undichten Stellen wie Arbeitsfugen, Schacht- und Rohrdurchführungen sowie Anschlüssen an Altbauten
werden vorzugsweise wasserquellbare
Abdichtbänderund-pastenverlegt[4 – 9].
172
Elastomere zum Abdichten
gegen drückendes Wasser
Problematisch bei derartigen Abdichtmaterialien ist die geforderte Alterungsbeständigkeit an Bauwerken [10] sowie die
stark verringerte Quell- und Abdichtfähigkeit in stark elektrolythaltigem Wasser wie
Meer- oder Zementwasser [11 – 14]. Ziel
war deshalb die Entwicklung von Quellgummis, die einerseits hervorragende mechanische Eigenschaften aufweisen, alterungsbeständig und kostengünstig herstellbar sind. Aufgrund der geforderten Alterungsbeständigkeit im Bereich von 100
Jahren bei Bauwerken kommt hier nur
eine beschleunigte Prüfung mit Extrapolation auf das Langzeitverhalten in Frage
[10, 15, 16]. Andererseits sollen die Quellgummis in allen relevanten wässrigen Medien stark quellen und so überall die Abdichtfunktion erfüllen, wobei die Abdichtfunktion unter praxisnahen Bedingungen
zu prüfen ist.
Experimenteller Teil
Probenherstellung
Mischungsherstellung Die Kautschukmischung für das Dichtungsmaterial wurde
auf einem Laborwalzwerk der Firma
Schwabenthan, Berlin, hergestellt, wobei
das Verhältnis der Drehzahlen von hinterer
zu vorderer Walze (Friktion) ca. 1,2 betrug.
Die vordere Walze drehte mit ca. 12 U/min,
die Walzentemperatur betrug 60 8C.
Zur besseren Verarbeitbarkeit wurde der
Naturkautschuk über 15 min mastifiziert:
100 Teile Naturkautschuk (SMR, Uniroyal
Aachen) wurden bei einer Walzenbreite
von ca. 3 mm auf die Walze gegeben.
Der Walzenspalt wurde so lange verengt,
bis ein zusammenhängendes Fell um die
vordere Walze läuft. Zum beschleunigten
Mastifizieren wurde der Kautschuk wiederholt mit einem Messer eingeschnitten.
Zu 100 Teilen mastifiziertem Naturkautschuk wurde auf dem Walzwerk 1,5 Teile
Zinkoxid (aktiv), 2,5 Teile Schwefel (90%
kristallin), 0,1 Teile Dibenzothiozyldisulfid
(Vulkazit DM, Bayer AG), 1,2 Teile ZinkDiethyldithiocarbamat (Vulkazit LDA, Bayer AG), 0,4 Teile Tetramethylthiuramdisulfid (Vulkazit Thiuram, Bayer AG), 1 Teil
Stearinsäure und bei Bedarf 5 Teile Porofor
TSH (Treibmittel, Bayer AG) oder alternativ
Dicumylperoxid eingemischt.
Anschließend wurden zu dieser Kautschukmischung variierende Anteile an Bentonit (aktivierter Natriumbentonit, American Colloid Company, Skokie, Illinoise)
oder einer Mischung aus Kartoffelstärke
(Fa. Müllers Mühle) und Superabsorber
(Cabloc C96, Fa. Stockhausen, Krefeld)
in Portionen auf dem Walzwerk eingemischt, wobei jeweils abgewartet wurde,
bis die jeweilige Bentonit- bzw. Kartoffelstärke-Superabsorber-Menge vom Kautschuk aufgenommen war. Das Fell wird
bei einem Walzenspalt von 3 mm abgezogen.
Extrusion von Bentonit-Quellgummis Die
Felle aus der Naturkautschukmischung
mit Bentonit werden in 2 cm breite Streifen
geschnitten und diese mit einem Brabender Laborextruder über eine Lochdüse
mit einem Durchmesser von 10 mm bei
100 8C in den vier ersten Heizzonen und
125 8C in der letzten Heizzone als Kautschukstrang extrudiert. Der Kautschukstrang wird anschließend bei Bedarf im
Temperierschrank bei 160 8C über
15 min vulkanisiert.
Schäumen, Formen und Vulkanisieren der
Stärke-Superabsorber-Kautschuke
Ca.
120 g der so gewonnenen Felle aus den
Naturkautschukmischungen mit Kartoffelstärke und Superabsorber werden in ca.
1 – 1,5 cm breite Streifen geschnitten.
Diese werden aufeinandergedrückt und
in eine ca. 50 cm lange Schiene mit einem
Innenquerschnitt von 2 cm 2 cm eingelegt. Die Schiene wird mit einem Deckel
fest verschlossen und für 30 min bei
100 8C zum Aufschäumen in einen Temperierschrank gelegt. Anschließend wird der
Temperierschrank zum Ausvulkanisieren
für ca. 20 min auf 160 8C aufgeheizt. Danach wird die Form aus dem Ofen genomTh. Mang, Aachen
Korrespondenz:
Prof. Dr.rer.nat. Thomas Mang
Fachhochschule Aachen
Fachbereich Chemieingenieurwesen
Studienschwerpunkt
Kunststofftechnologie
Worrimger Weg 1
D-52074 Aachen
E-mail: mang@fh-aachen.de
KGK Kautschuk Gummi Kunststoffe 57. Jahrgang, Nr. 4/2004
men, kurz ausgekühlt und das Band aus
der Form entnommen. Die so gewonnenen Abdichtbänder weisen eine Rohdichte
von 0,5 bis 0,7 g/cm3 auf.
Pastenherstellung 40 g a,x-dihydroxypolydimethylsiloxan, (Siliconöl E-18, Bayer AG,
Leverkusen) werden vorgelegt und mit vorgetrocknetem Superabsorber (Cabloc
C 96, Hüls AG) und vorgetrockneter Kartoffelstärke Superior, wasserarm (Südstärke GmbH, Schrobenhausen), in einem
Haushaltskneter (Bosch AG) 10 Minuten
vermischt. Dann werden 5 g Silopren-Vernetzer 3448 (Bayer AG, Leverkusen) innerhalb von 10 Minuten zugegeben und vermischt. Anschließend werden 5 g Aerosil
150 (Degussa AG, Frankfurt/Main) in
zwei Portionen zugegeben und 10 Minuten eingerührt. Die pastöse Mischung
wird dann schnell in eine Kartusche abgefüllt und luftdicht verschlossen.
Prüfmethoden
Quellung
Die Massen- und Volumenquellung wurde
nach DIN 43495 in verschiedenen wässrigen Quellmedien bei Raumtemperatur
durchgeführt. Es wurde entionisiertes
Wasser, Standardwasser mit 10 dt.H.
(deionisiertes
Wasser
mit
0,26 g/l
CaCl2 X 2 H2O) sowie 30 dt.H, Zementwasser (deionisiertes Wasser mit 10 g/l
Ca(OH)2) sowie Meerwasser nach ASTM
D-1141-98 verwendet.
Beschleunigte Alterung
an der Luft
Die Prüflinge wurden bei 40 8C, 60 8C,
70 8C und 80 8C über 42 Tage in einem
Umlufttrockenschrank nach DIN 53508
gealtert. Am 1., 7., 14., 28., 42. Tag wurde
die Reißdehnung an jeweils 3 Prüflingen
bestimmt.
neuten Druckaufbau auch bei nachgebender Umgebung nachzuweisen. Ferner wird
die Dichtigkeit bei Raumtemperatur in Leitungswasser gegen Ûberdruck verfolgt, indem der Wasserdruck bis zum Undichtwerden gesteigert wird. Anschließend wird
der Wasserdruck soweit zurückgenommen, bis kein Wasser mehr austritt und
dann der Dichtdruck an einem Manometer
abgelesen. Dabei ist die Prüfapparatur auf
einen maximalen Dichtdruck von 20 bar
begrenzt.
Extrahierbare Anteile
Die extrahierbaren Anteile werden gemäß
der A.F.T.E.S.-Empfehlung [16] bestimmt
nach Quellung in entionisiertem Wasser
bis zum Quellgleichgewicht und anschließender Trocknung bis zu Gewichtskonstanz sowie durch Eindampfen des Eluats
und anschließendem Trocknen im Umlufttrockenschrank aus dem verbleibenden
Rückstand. Hierzu sowie zur Ermittlung
der chemischen Zusammensetzung der extrahierten Bestandteile aus dem Rückstand
wurde ca. 400 ml Eluat im Umlufttrockenschrank bis zur Gewichtskonstanz getrocknet.
Methoden
Zugprüfung In einer Zugprüfmaschine
Zwick 1435 mit einer Messdose 500 N
und einer Messlänge von 200 mm werden
die aus den Prüflingen gestanzten Prüfstäbe S2 mit einer Prüfgeschwindigkeit von
200 mm/min werden die aus den Prüflingen gestanzten Prüfstäbe S2 mit einer
Prüfgeschwindigkeit von 200 mm/min
bei mechanischer Dehnungsaufnahme
vermessen.
Härte Die Shore-A-Härte wurde mit einem
Zwick-Härteprüfgerät nach DIN 53505 bestimmt.
Thermogravimetrie Der eingedampfte
Eluatrückstand wird sofort nach der Trocknung in einem Thermogravimetriegerät
TGA 50 der Firma Shimadzu zwischen
40 8C und 900 8C vermessen.
FTIR-Messung Der eingedampfte Eluatrückstand wird auf ein Silberchloridfenster aufgetragen, getrocknet und in einem
Bruker IFS 28 FTIR-Spektrometer vermessen.
Ergebnisse und Diskussion
Quellgummis
Bentonithaltige Quellgummis Die kostengünstigsten wasserquellbaren Füllstoffe
sind Schichtsilikate wie Betonit [17]. Durch
Einmischen von Bentonit in Gummibänder
wurden wasserquellbare Abdichtbänder
hergestellt mit Quellraten bis zu 400%
in entionisiertem Wasser. Allerdings wird
ein Quellgrad von mehr als 20% erst ab
einem Betonitanteil von 70% (233 phr) erreicht, da vorher die Perkolationskonzentration mit einem kontinuierlich durchgehenden Benntonitgefüge nicht gegeben
ist und somit kein Wassertransport ins Innere des Quellgummis und damit keine
Quellung möglich ist. Für eine in der Praxis
geforderte Quellung von deutlich über
100% innerhalb weniger Tage [1] ist sogar
ein Anteil von mindestens 80% Bentonit
(400 phr) erforderlich (s. Abb. 1).
Die Quellung der Quellgummis mit Bentonit als Quellpartikel zeigt eine sehr starke
Abnahme der Quellung mit steigendem
Salzgehalt im Quellmedium: so reduziert
sich die Quellung von 350% in entionisiertem Wasser über 250% in Wasser mit
10 dt. Härte auf unter 100% in Wasser
mit 30 dt. Härte (s. Abb. 2). Die Ursache
ist in einer Reduktion des osmotischen
Druckes ins Innere der Bentonitteilchen sowie einer Abschirmung der sich abstoßen-
Quelldruck- und Dichtigkeitstest
Zwischen 2 Betonplatten wird der Prüfling
so eingespannt und abgedichtet, daß ein
geschlossener Raum zwischen den Meßplatten entsteht. Die Spaltöffnung wird
über ein Abstandsblech zu Anfang mit
4 mm, 7 mm und 8 mm eingestellt. Bei Zufuhr von Leitungswasser wird der sich bei
Raumtemperatur aufbauende Quelldruck
mittels einer Messuhr an 4 zylindrischen
Meßstellen mit einem Durchmesser von
17 mm bestimmt.
Die Spaltöffnung wird im Verlauf der Prüfung bei zunehmendem Quelldruck bis auf
maximal 10 mm vergrößert, um einen er-
Abb. 1. Quellung von
Naturkautschukbändern mit variablen
Bentonitanteilen in
entionisiertem Wasser
173
Naturkautschukbändern mit 400 pHr Bentonit in verschiedenen Quellmedien
Abb. 3. Quellung und
Wiederquellung nach
Trocknung von Naturkautschukbändern
mit 400 pHr Bentonit
in Wasser 10 dH
den Ladungen zwischen den Silikatschichten mit zunehmendem Salzgehalt im
Quellmedium bedingt.
Werden die bentonithaltigen Quellgummis
nach der Quellung getrocknet, so geht die
Wiederquellung je nach Salzgehalt im
Quellmedium stark zurück: in Wasser mit
10 dt. Härte geht die ursprüngliche Quellung von ca. 250% nach Trocknen und
Wiederquellen auf unter 100% zurück
und nach einem weiteren Trocknen und
Wiederquellen auf unter 50% (s.
Abb. 3). Die Reduktion der Quellung resultiert aus der mit jeder Trocknung stattfindenden Aufkonzentration der Salze im
Gummi, die zu einem verringerten osmotischen Druck ins Bentonitgefüge hinein
führen. Solche Quellbänder erfüllen nur
ungenügend die Anforderungen in der
Praxis mit Naß- und Trockenzyklen.
Aufgrund des hohen Füllstoffanteils sind
diese Quellgummis auch brüchig und weisen mit einer Reißdehnung von 60% nur
ungenügende mechanische Eigenschaften
auf. Ferner ergeben sich infolge des hohen
Bentonitanteils Probleme mit Abrasionen
bei der Extrusion der Quellgummis.
Superabsorberhaltige
Quellgummis
Quelleigenschaften Es wurden deshalb effektivere wasserquellbare Füllstoffe mit höheren Quellgraden in Form von Superabsorbern eingesetzt [12 – 14]. Die üblichen
und auch hier verwendeten Superabsorber
sind vernetzte Acrylsäuregele mit teilweise
neutralisierten Natrium-Carboxylatgruppen mit einem Durchmesser von ca. 50 –
800 Mikrometern. Die Superabsorberpartikel quellen in entionisiertem Wasser um
ca. 15 000% aufgrund des starken osmotischen Druckes infolge der hohen Natriumionenkonzentration im Superabsorberpartikel sowie der Abstoßung der geladenen Polyacrylatketten untereinander.
Es wurden unterschiedliche Anteile an Superabsorber in Naturkautschuk eingemischt und die Mischungen zu einem
Quellgummi ausvulkanisiert. Bis zu Superabsorberanteilen von ca. 100 phr findet
dabei nahezu keine Quellung des Quellgummis in Wasser statt, da keine durchgehende Kanäle an Superabsorberpartikeln
vorliegen. Ab einem Anteil von ca.
100 phr wird die Perkolationskonzentration überschritten und der mit Superabsorber gefüllte Gummi quillt. Dabei wird jedoch in entionisiertem Wasser die Quellung und der Quelldruck der Superabsorberpartikel im Gummi so groß, daß die
Gummistruktur zerstört wird und der
Quellgummi zerfällt, was eine Anwendung
in der Praxis ausschließt.
Zur Schaffung wassertransportierender
Kanäle und damit zur Erniedrigung der
Perkolationskonzentration der extrem
stark quellenden und dabei den Quellgummi zerstörenden Superabsorberpartikel
wurde deshalb die wenig quellende,
aber saugfähige Stärke in größeren Anteilen zugemischt. Der dadurch erzielte immer noch unbefriedigende Quellgrad,
z. B. von 10% bei einem Stärkeanteil
von 80 phr und einem Superabsorberanteil von 10 phr, konnte schließlich stark erhöht werden auf 500% durch Aufschäumen der Gummimatrix. Durch die offenporige Schaumstruktur mit einer Dichte von
0,6 g/cm3 ist eine mechanisch freiere Quellung der Füllstoffe möglich, die bei Vernetzung aufgrund der mechanischen Restriktionen des Gumminetzwerkes wiederum
leicht zurückgeht (s. Tab. 1).
Der Einfluß der Vernetzung der Gummimatrix auf die Quellung wurde anhand verschiedener Mengen an Vulkanisationsmitteln bestimmt, hier am Beispiel der Peroxidvernetzung mit Dicumylperoxid. In
den Rheometerkurven von mit Quellfüllstoffen hochgefüllten Kautschuken führen
dabei steigende Vulkanisationmittelmengen bei sonst gleichen Vulkanisationsbedingungen erwartungsgemäß zu höheren
Tab. 1. Quellung von Kautschuk- und Gummidichtbänderna)
Stärke/phr
Superabsorber/phr
Dichte/g/cm3
–
30
0,6
1
100
–
0,6
2
(nach 7 Tagen)
80
10
1,05
10
(nach 11 Tagen)
80
10
0,6
500
(nach 7 Tagen)
80
10
0,6
300
(nach 7 Tagen)
Volumenquellung/%
(nach 3 Tagen)
vulkanisiert
a)
in Wasser 10 dt. H. bei pH 7 und 23 8C; Prüfkörper 5 cm 2 cm 2 cm
174
Abb. 4. Vulkanisation
von mit Superabsorber und Stärke hochgefülltem Kautschuk
mit verschiedenen
Mengen Dicumylperoxid
mit Stärke und Superabsorber hochgefüllten Quellgummis, mit
verschiedenen Mengen Dicumylperoxid
vulkanisiert, in entionisiertem Wasser
mechanischen Werten (s. Abb. 4), was sich
aufgrund der dem osmotischen Druck zunehmend entgegenwirkenden mechanischen Spannung in einer signifikanten Reduzierung der Quellung bemerkbar macht
(s. Abb. 5): der hohe Quellgrad des mit
Quellfüllstoffen hochgefüllten Kautschuks
von über 2000% in entionisiertem Wasser
geht mit zunehmender Vernetzung sukzessive auf bis unter 400% zurück, während der Schubmodul sukzessive auf
etwa den dreifachen Wert ansteigt.
Durch Variation von Menge und Verhältnis
der Füllstoffe ist der Quellgrad in weiten
Grenzen variierbar (s. Tab. 1). Dabei können auch in der Praxis zur Materialersparnis und Verbesserung der mechanischen
Eigenschaften sowie zur Optimierung
des Quellverhaltens weniger stark quellende Schichten mit stärker quellenden
Schichten kombiniert werden.
Um eine ausreichende Alterungsbeständigkeit zu erzielen, wurde Naturkautschuk
durch EPDM als Gummimatrix ersetzt.
Diese hauptsächlich aus EPDM bestehenden und mit Stärke und Superabsorber gefüllten und geschäumten Elastomere wei-
sen für die Praxis geeignete mechanische
Eigenschaften wie eine Reißdehnung von
über 400% oder einen ausreichenden
Druckverformungsrest auf.
Alterungsbeständigkeit Die geforderten
Alterungsbeständigkeiten im Bereich von
100 Jahren können nur über modellhafte
Prüfungen abgeschätzt werden [10, 15,
16]. Hierzu wurden die Quellgummis einer
beschleunigten Alterung bei erhöhten
Temperaturen (40 8C, 60 8C, 70 8C,
80 8C) unterworfen und jeweils der Abfall
der mechanischen Eigenschaften am Beispiel der Reißdehnung über die Zeit gemessen. Die logarithmische Auftragung
der daraus ermittelten Halbwertszeiten
des Abfalls der Reißdehnung bei den verschiedenen Alterungstemperaturen gegen
die reziproke absolute Temperatur erlaubt
nach dem Arrhenius-Modell die Extrapolation der Halbwertszeit des mechanischen
Abbaus auf Raumtemperatur [15, 16]. Dabei wurde für die beschriebenen Quellgummis bei einer ursprünglichen Reißdehnung von ca. 400% eine Halbwertszeit
von deutlich über 100 Jahren extrapoliert
(s. Abb. 6), wobei eine Reißdehnung von
200% für die Praxis bei weitem ausreichend ist.
Quell- und Dichtdruck Entscheidend für
eine einwandfreie Abdichtwirkung ist der
sich bei Wasserkontakt aufbauende Quelldruck sowie der Dichtdruck. Zur Bestimmung von Quell- und Dichtdruck wurden
die Quellgummis so zwischen zwei Betonplatten eingespannt, daß ein geschlossener Raum zwischen den Platten entsteht.
Bei Zufuhr von Leitungswasser durch
eine Bohrung wird der sich aufbauende
Quelldruck mit einer Meßuhr bestimmt sowie die Dichtigkeit gegen Ûberdruck, indem der Wasserdruck bis zum Undichtwerden gesteigert wird. Ein Quelldruck von
8 bar, der sich auch bei Erweiterung des
Fugenspaltes immer wieder in kurzer Zeit
aufbaut, sowie ein Dichtdruck von mindestens 20 bar innerhalb von 25 Tagen (s.
Abb. 7) gewährleisten dabei eine einwandfreie Dichtfunktion in der Anwendung.
Eluierbare Bestandteile Die eluierbaren Bestandteile liegen unterhalt 1% und genügen den Anforderungen aus der Praxis
[16]. Deutlich erkennbar sind dabei im
Rückstand aus dem Band ausgeschwemmte gequollene Superabsorber-
Abb. 6. Extrapolation
der Halbwertszeiten
des Abfalls der Reißdehnung in Tagen bei
40 8C, 60 8C, 70 8C und
80 8C auf Raumtemperatur von Superabsorber-Stärke-Quellgummis
175
Abb. 7. Sich aufbauender Dichtdruck von
Superabsorber-Stärke-Quellgummis bei
Lagerung in Leitungswasser
gen Hohlkammern enthalten können. Ferner werden aus Kostengründen sowie zur
Optimierung des Quellverhaltens weniger
stark quellende Schichten mit stark quellenden Schichten kombiniert (s. Abb. 8).
Zusammen mit der Schaumstruktur ergibt
sich so eine kostengünstige Herstellung.
Die Kautschukmischungen werden bei
der technischen Realisierung in der Praxis
unter Aufschäumen extrudiert bzw. coextrudiert und anschließend in einem Salzbad vulkanisiert.
Quellpasten
Analog zu den Rezepturen der Quellgummis wurden Quellpasten hergestellt, die
nach Applikation an Luft zu wasserquellbarem Gummi vernetzen. Der Vorteil liegt
in der beliebigen Formbarkeit je nach den
örtlichen Gegebenheiten. Als Matrixsystem wurden bei Raumtemperatur unter
Feuchteeinfluß aushärtende einkomponentige Silikone verwendet, als wasserquellende Füllstoffe Superabsorber, Stärke
und Bentonit. Hierbei ist es gelungen,
durch Kombination von Superabsorber
mit Stärke und Bentonit beliebig variierbare Quellgrade bis über 200% Quellung bei
den zu Gummi ausgehärteten Pasten zu
erzielen (s. Tab. 2). Das ausgehärtete, chemikalienbeständige Produkt hat eine Shore A Härte von 50, im nassen Zustand von
15. Die Hautbildung der über ein Jahr lagerstabilen Paste setzt an der Luft nach
einer Stunde ein.
Salzunabhängig wasserquellende
Abdichtmaterialien
Abb. 8. Quellgummiprofile (Maße in mm;
schwarz: weniger
stark quellende
Schicht)
partikel. In der Thermogravimetrie ergab
sich ein nicht pyrolisierbarer Anteil aus
dem Feststoff des getrockneten Eluats
von ca. 30 Gewichtsprozent. Hierbei handelt es sich aufgrund der Einsatzstoffe vor
allem um Natriumsalze aus dem Superabsorber. Im IR-Spektrum des Rückstandes
sind die dominierenden Absorptionsbanden bei 1561 cmÿ1 und 1405 cmÿ1 charakteristisch für die antisymmetrische
und symmetrische Valenzschwingung
von Carboxylat-Ionen. Aufgrund der Intensitätsverhältnisse der Banden und der verwendeten Einsatzstoffe läßt sich schließen,
daß der organische Anteil von ca. 70%
vornehmlich aus von der Oberfläche aus-
176
geschwemmtem Superabsorber auf Polyacrylatbasis besteht.
Quellgummiprofile Für verschiedene Applikationen wurden unterschiedliche Profiltypen entwickelt, die zur Kostenersparnis sowie zum optimalen Einpassen in Fu-
Ein Problem bei der Verwendung von käuflichen Superabsorbern ebenso wie von Bentoniten ist die Abnahme der Quellung der
Abdichtmaterialien mit zunehmendem
Salzgehalt im Quellmedium. Die Ursache
ist bei den für die Quellung verantwortlichen Superaborbern und Bentoniten in
einer Reduktion des osmotischen Druckes
ins Innere der Superabsorberteilchen sowie einer Abschirmung der sich abstoßenden Ladungen im Superabsorberteilchen
mit zunehmendem Salzgehalt im Quellme-
Tab. 2. Quellung von ausgehärteten Abdichtpastena)
a)
Silikonöl
Superabsorber
Stärke
Bentonit
Volumenquellung/%
100
100
100
100
100
100
20
10
20
25
25
25
20
–
60
75
–
25
20
55
–
–
75
75
> 25
> 40
> 80
> 120
> 140
> 200
Gewichtsteile; Quellung in Wasser 10 dt. H. bei pH 7 und 23 8C nach 10 Tagen
dium bedingt. Mehrwertige Ionen im
Quellmedium wie Calziumionen reduzieren die Quellung dabei besonders stark,
so daß schon während der ersten Quellung
der Quellgrad wieder abnimmt infolge der
Diffusion zweiwertigen Ionen in den Superabsorber hinein (s. Abb. 9). Dies hat
auch eine Reduzierung der Wiederquellung nach einem Trocknungsvorgang zur
Folge (s. Abb. 9), da sich dabei mit jeder
Trocknung die Salze im Gummi weiter aufkonzentrieren. Solche Quellbänder erfüllen nur ungenügend die Anforderungen
in der Praxis mit Naß- und Trockenzyklen.
Es wurden deshalb vollkommen neue Superabsorbersysteme [18] entwickelt, die
höhere Quellraten in stark elektrolythaltigem Wasser aufweisen als die Ûblichen
am Markt erhältlichen Superabsorber auf
Acrylatbasis. Die Quellung ist weitgehend
unabhängig vom Elektrolytgehalt des Wassers, was zur Folge hat, daß auch die Wiederquellung nach Trocknung des Materials
über vier Quell- und Trockenzyklen konstant
bleibt, während käufliche Superabsorber in
stark elektrolythaltigen Wässern bei jeder
Wiederquellung signifikant an Quellvermögen verlieren (s. Abb. 10 und 11).
Mit Hilfe dieser Superabsorber konnten
Quellgummis hergestellt werden, die den
Anforderungen aus der Praxis in jeder Hinsicht entsprechen: so werden für Quellgummis extrem hohe Quellraten von über 300%
in Meerwasser nach ASTM D 1141-98 und
von 400% in Zementwasser nach 14 Tagen
erreicht, die weitgehend unbeeinflußt vom
Salzgehalt des Quellmediums sind (s.
Abb. 12); die Wiederquellung bleibt dabei
auf hohem Niveau über mehere Quell- und
Trocknungszyklen konstant. Solche Quellgummis sind deshalb besonders geeignet
für die bisher mit Quellgummis problematischen Abdichtmaßnahmen im Meerwasserbereich oder in sonstigen stark salzbelasteten Wässern.
seine volle Quellwirkung erst nach der Anwendung in der Betonfuge.
Abb. 13 zeigt einen solchen mit Schutzlack
beschichteten Quellgummi: die rote Gummimatrix mit den deutlich sichtbaren weißen Superabsorberpartikeln ist mit einem
ca. 300 Mikrometer dicken grauen Schutzlack umgeben. Der hohe Quellgrad bei
den entwickelten Quellgummis von z. B.
über 400% in Wasser 10 d. H. nach 2 Tagen läßt sich durch diesen Schutzlack auf
unter 50% Quellung drücken. Wird dann
nach 2 Tagen das Quellmedium in ein alkalisches mit pH 11 gewechselt, tritt sofort
eine starke Steigerung der Quellung ein.
Diese Quellung verläuft dann parallel zu
der Quellung ohne Schutzschicht und
führt nach 2 weiteren Tagen zu ähnlichen
Quellgraden wie bei Quellgummis ohne
Schutzschicht, hervorgerufen durch die
Auflösung der Schutzschicht im alkalischen (s. Abb. 14). Der Schutz gegen
z. B. Regenwasser und eine dann einwandfreie Dichtfunktion in der Fuge ist also
durch die Auflösung des im neutralen bis
sauren stabilen Schutzlackes im alkalischen Milieu des Betons gegeben.
Fazit
Durch Einarbeitung von wasserquellbaren
Füllstoffen in Form des Quellmittels Superabsorber und dem Wassertransportmittel
Stärke in Kombination mit einem leichten
Aufschäumen konnten Quellgumlmis hergestellt werden, deren Quellgrad in Wasser
Abb. 9. Quellung und
Wiederquellung nach
Trocknung von Quellgummi mit einem
Standardsuperabsorbermaterial
Abb. 10. Quellung
und Wiederquellung
nach Trocknung eines
Standardsuperabsorbers (Cabloc C96) und
eines elektrolytunabhängig quellenden
Superabsorbers (SAP
3d) in Zementwasser
Schutzlack
Ein Problem beim praktischen Verlegen vor
Ort liegt in dem unbeabsichtigten Kontakt
mit Wasser vor dem eigentlichen Einbau
z. B. durch Regen, wodurch der Quellgummi infolge Vorquellung an Quellpotential
verliegt. Zur Lösung des Problems wurde
ein Schutzlack auf Polyacrylsäurebasis entwickelt, der im sauren bis neutralen Bereich
in seiner nichtionisierten Form dicht gegen
Wasser ist und sich im alkalischen Milieu des
Betons durch Salzbildung auflöst (s. Schema 1). Damit ist der Quellgummi gegen z. B.
Regenwasser geschützt und entfaltet dann
Abb. 11. Quellung
und Wiederquellung
elektrolytunabhängig
quellenden Superabsorbers in verschiedenen Quellmedien
177
Abb. 12. Quellung
und Wiederquellung
Quellgummis mit
einem elektrolytunabhängig quellenden
Superabsorber
besonders durch unterschiedliche Anteile
und Verhältnisse an Füllstoffen beliebig
zwischen 0 und 500% variiert werden
kann und die einen Dichtdruck von mindestens 20 bar aufbauen. Die Quellgummis
werden je nach Applikation in unterschiedlichen Profilen extrudiert und weisen im Alterungsmodell nach Arrhenius bezüglich
der Reißdehnung eine Alterungsstabilität
von deutlich mehr als 100 Jahren auf;
die extrahierbaren Anteile liegen unter
1%. Ein neues Superabsorbersystem garantiert dabei auch in Meer- und Zementwasser einen Quellgrad von über 300%.
Der Einsatz von einkomponentigen Silikonformulierungen, die unter Luftfeuchte
zu Quellgummis aushärten, erlaubt mit
den erwähnten Füllstoffen auch eine pastöse Verarbeitung vor Ort. Ein Schutzlack
auf Polyacrylsäurebasis verhindert ein vorzeitiges unbeabsichtigtes Quellen.
Literatur
Abb. 13. Rot eingefärbter Quellgummi
mit 300 Mikrometer
dickem Schutzlack
Abb. 14. Einfluß
Schutzlack auf Quellung von Quellgummis
[1] A. Friedrich, R. Vonkeloe, Beton-Informationen
34 (6) (1994) 3.
[2] Th.Mang,F.Haulena,Bauinstandsetzen5(1998)57.
[3] K. Endell, Bautechnik 9 (1941) 201.
[4] E. Pat. 0189484 (1989), Asahi Denka Kogyo Kabushiki Kaisha, Erf. T. Fukushima, Y. Hayashida, J.
Omi.
[5] D. Pat. 4224044 (1994), Bostik GmbH, Erf. W.
Rath.
[6] D. Pat. 19619709 (1996), U-Sun Gasket Corp.,
Erf. Akita, Hiroaki, Gotenba, Shiziuoka.
[7] US Pat. 5011875 (1990), Hiroshima Kasei Ltd.,
Erf. Y. Yamamoto, H. Shigematsu, H. Tanaka, R.
Ashikawa, T. Ishida.
[8] E. Pat. 0118998 (1986), C. I. Kasei Co., Ltd., Kuraray Isoprene Chemical Co., Ltd., Erf. T. Kimura,
K. Takasaki, H. Harima, Y. Yoshioka.
[9] E. Pat. 0410669 (1993), C. I. Kasei Co., Ltd., Erf. E.
Otsuka.
[10] A. Wolf, Kautsch. Gummi Kunstst. 41 (1988) 258.
[11] Ullmann 23 (1983), 4. Aufl., p. 311.
[12] T. Shimomura,T. Namba, Superabsorbent Polymers,
Science and Technology, Symposium Series 573,
Hrsg.: F. L. Buchholz, N. A. Peppas, American Chemical Society, Washington, D. C. (1994), p. 112.
[13] F. L. Buchholz, Modern Superabsorbent Polymer
Technology, Wiley-VCH, New York (1998), p. 56.
[14] G. Werner, Allgemeiner Vliesstoff-Report 4 (1984)
178.
[15] Th. Gevert, GIT Fachz. Lab. 11 (1987) 1079.
[16] A.F.T.E.S., Tunnels et ouvrages souterrains 151
(1999) 46.
[17] R. Rieke, Ber. dt. keram. Ges. 14 (1933) 407.
[18] D. Pat. Anm. 10314599 (2003), Th. Mang, Erf. Th.
Mang.
DerDätwylerAG,Schattdorf(CH)seifürdietechnische
Unterstützung dieser Arbeit gebührend gedankt.
Autor
Schema 1. Chemie
der Schutzlackwirkung
178
Prof. Dr. Th. Mang ist Dekan im Fachbereich Chemieingenieurwesen der FH Aachen und lehrt und
forscht im Bereich Polymerchemie.

Elastomere zum Abdichten gegen dru¨ ckendes Wasser

Transcription

Similar documents

Organisch-chemisches Praktikum

Bauteiltrennfuge

Auto kaufen wie ein Profi Auto kaufen wie ein Profi

from uni-bielefeld.de