室外应用的疏水的且蒸汽可透过的多层材料的制作方法

专利名称：室外应用的疏水的且蒸汽可透过的多层材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于室外的多层的、优选为具有石膏芯的板状材料，其至少一面是被涂层的，使得至少这个面具有疏水性能，但是水蒸汽是可通过的。这种材料适合用于室外、例如用作高层建筑中的抵抗天气变化的材料。
背景技术：
石膏具有非常良好的材料性能，这些性能使得它在建筑应用中有吸引力。这些性能为天然的与环境的湿度平衡、低的抗水蒸汽渗透性、良好的防火性能、不放射出有害物质、低的比重以及低的制造成本。一个很大的缺点在于低的耐水性，因为石膏在水中具有较高的溶解度。虽然石膏板只有在较长的受潮的情况下有危险，然而石膏材料的应用也是不允许的。石膏在这样的条件下易于蠕变变形，从而石膏结构出现不可逆转的损坏，这也称为腐烂。出于这个原因，迄今为止还未获知主要由石膏构成的并直接用于抵抗天气变化的外表面用建筑板材。
在市场上有用于室内的各种形式的石膏板。特别是石膏纸板得到了很广泛的推广。石膏纸板的一个缺点是纸板的强烈可燃性，另一个缺点是低的耐水性。为了达到较高燃烧安全性，在DE OS 28 08 723中提出了一种复合有玻璃纤维无纺布的石膏板。在此可加入无机颗粒到玻璃纤维无纺布的粘合剂中，该粘合剂将无纺布的纤维粘合到一起。DE 31 13682 A1描述了某些无机氢氧化物在粘结剂中的应用，以便在以液态形式加入的石膏浆凝固时起化学桥接作用，通过这种桥接可改善外层与石膏芯之间的粘结。这种添加剂还改善了石膏建筑板的防火性。在DE 35 08933 A1中提出了在石膏芯的一面设置玻璃纤维无纺布，在其外面用人造树脂粘结剂进行涂覆，以使涂层可用于对磨损的加固防护。出于防火的目的，将分开的无机颗粒加入到有机粘结剂中，这样也可改善空气和蒸汽的可透过性。DE 34 08 932 A1也描述了一种类似构造的无纺布。这种无纺布单面用粉末状的无机材料和粘结剂涂层，其中要注意的是，得到的无纺布的敞开结构是在涂层的一面，以保证无纺布与石膏板的良好固定。在专利文献DE 195 27 857和DE 195 27 858中提出，出于生产技术的原因和为了提高石膏板和无纺布之间的粘结强度，玻璃纤维无纺布采用无机的、有机的粘结剂和视需要含有其他添加剂的、基本上由硫酸钙构成的涂层。玻璃纤维无纺布的单面涂层也较经常地被提出，以避免在以后的石膏芯板的生产时石膏浆流动穿过无纺布，从而造成对输送带的污染(例如参见DE 39 37 433 A1)。
对于制造者提出的此等用于室外的石膏板产品，其或者不允许直接接触雨水，因此需要外保护(例如隔热复合体系)，或者建筑板只有较小份额的石膏。在第一种情况下，是以相当高的费用使用石膏板。与此相反，在第二种情况下不涉及到本发明意义上的石膏板，因为可观的或者甚至主要的组成成分由水泥构成(参见DE 39 37 429 A1)。
此外，已知疏水剂可在凝固之前加入到石膏料中(物料疏水)或在凝固后加到已硬化的产品上(表面疏水)。以这种方式可制备石膏建筑板，其也适合用于潮湿的房间中。但是这种保护措施的作用还不足以允许这种石膏板也用于直接接触降水的室外区域。

发明内容
本发明的目的是提出一种用于室外的石膏建筑板，其可直接地经受天气变化，但是尽管如此不妨碍石膏的湿度平衡和可能的现有的相关的构件。
该目的的解决是提出一种具有石膏芯板的多层材料，其在一个面(该面作为外面)或在二个面上具有保护层，该保护层对于水蒸汽是可通过的，从而使得石膏的进一步的湿度平衡成为可能，但是另一方面拒绝石膏与液态水的接触并且具有改善了的密封性。这种疏水性的但蒸汽可透过的保护层包括一种由不可燃的且对天气变化稳定的机械稳定性纤维，与具有细孔的、非水溶性材料构成的纺织纤维体，这种具有细孔的、非水溶性的材料处于纤维层内部并填充其中间空间，这样，保护层可经受至少100mm水柱压力的液态水，而且由于显著小于2.0m，特别是小于1.0m的有利的等价扩散(diffusionsaequivalenten)空气层厚度，水蒸汽可以通过，并且至少在其外面是非水溶性的。
具体实施例方式
用于纺织纤维体的纤维材料是不受限制的，只要其具有必需的性能。无机纤维，如玻璃纤维或矿物的，特别是陶瓷纤维是非常合适的。纤维体的结构也是不关键的，只要纤维是互相机械稳定地联接。所以可使用平织物、纺织物、针织物、无纺布或类似的物体。纤维可采用粘结剂互相粘结固定，粘结剂优选是有机粘结剂，但不是必须是有机粘结剂。一种好的合适的粘结剂材料是蜜胺树脂。根据本发明的特别优选的纺织纤维材料是玻璃无纺布，特别是由E玻璃制成的无纺布，它的纤维用蜜胺树脂固定。这种材料具有良好的抗天气变化的性能。
纺织纤维材料用具有细的、敞开的孔的材料如下填充，即多层材料的第二层可让气态的水通过(扩散敞开的)。因为气体的透过性只与孔的存在和孔的大小有关，而与构成孔的材料的化学性能无关。另外对于液态水的透过性其不仅由通过孔的大小决定，而且由材料的亲水性/疏水性决定。因此，一种对于本发明所必需的标准是理所当然的，即材料不允许具有大的裂缝或洞，通过这些裂缝或洞液态水可以进入到板中，尽管所应用的材料是足够疏水的。这可通过用具有细孔的材料填充纤维材料来实现。只用膏状物料涂层是不可能达到这样的填充的，所以以下情况是有利的或者一种聚合物直接在纤维材料中沉淀，或者纤维材料用已溶解的或分散的/悬浮的聚合物或其前体浸渍，然后去除溶剂和视需要交联该材料。
如上所述，第二层的性能是疏水性的或是阻止水通过的，其不仅由孔的大小决定，而且首先由具有细孔的材料的疏水性决定。因此，亲水性的材料，如迄今为止用于玻璃纤维无纺布的涂层，以及例如在上述的专利文献DE 34 08 932 A1和DE 35 08 933中所述的材料，对于本发明是不合适的，即使其具有孔并因而具有一定程度的空气穿透性。这些材料涉及无机材料，如碳酸钙、氢氧化铝和氧化铝水合物、珍珠岩、石灰石、石膏、或蛭石或类似的物质。它们不仅所有都是亲水的而且甚至部分地是吸湿的。
术语“具有细孔的材料”根据本发明应理解为具有如下尺寸的孔的材料，即其阻止液态水的通过，然而气态水，也即水蒸汽的通过是可能的。因为这种性能不仅与孔的尺寸有关，而且构成孔的材料的性能比孔的尺寸更有关，特别是材料的亲水性或疏水性，所以疏水材料的孔可比亲水材料的孔大，而不失去所期望的效果。与此相应的，术语“细孔”应包括具有nm-μm范围的孔径的孔，只要所包围的材料是足够疏水性的，以阻止水通过。这种疏水性例如可通过在所要测定的材料上的水滴的接触角来测定。对于本发明如下的材料是特别合适的，即水滴在材料上的接触角为80-140°，优选为95-130°。
构成细孔的材料可以是无机、有机或无机-有机聚合物材料或基于这些材料的混合物构成的。对于本发明合适的聚合物是在水中基本上不溶解的，但是尽管如此仍具有足够的亲水性，以在有水存在时形成互相连接的有细孔的层。另一个所期望的标准是足够的UV稳定性，以使芳族化合物只是有条件地，也就是说在相应的稳定条件下才可被使用。在有机聚合物中相应的含氧材料是优选的，例如含酯基的聚合物，如聚酯、纤维素酯和淀粉的衍生物，与乙酸乙烯酯的共聚物，如乙烯-乙酸乙烯酯共聚物(EVA)，然而还例如由脂肪族的或脂环族的二异氰酸酯构成的聚氨基甲酸酯。含有酸基的共聚物，如基于马来酸或丙烯酸或甲基丙烯酸的共聚物，也是这样具有亲水性的含氧聚合物的例子。另外交联聚合物，其在应用时首先作为低聚物而且只有在构成层后交联并成为非水溶性的，用作构成细孔的材料。
无机-有机或纯无机材料也可被应用。一个例子是水玻璃，其例如通过加入多价的阳离子或磷酸盐(特别是磷酸铝)而化学硬化，并通过化学硬化达到高的耐水性。另外，所谓的土壤聚合物也是无机聚合物，其大部分是无定形的至半结晶的、三维的铝酸硅，其可通过所谓的土壤合成法制备，也就是说在常用的烧结温度以下的温度下，通常远低于450℃。它们可例如由表面反应性的填料、所谓的叶硅酸盐(高岭土、蒙脱土、多水高岭土)与浓苛性钠或水玻璃制备得到，并且可含有由Si、Al和O构成的8和/或12元环。此等土壤聚合物例如在“材料教育期刊(Journal of Materials Education)，第16(283)卷，第91-139页(1994)”或“碱性水泥和混凝土，KIEV，Ukraine，1994，土壤聚合物水泥的性质”中有详细的描述。因为它们部分地甚至在100℃以下永久硬化(凝固、冷凝)，所以它们也被称为冷永久硬化的陶瓷。
不仅水玻璃而且土壤聚合物在需要时都可以被疏水化，例如进行一种物料疏水化处理。
特别有利的是使用一种有机材料和无机材料的混合物。
有一系列的各种不同的用构成细孔的材料填充纺织纤维材料的可能性。在此，特别有利的方法是通过细孔材料在纤维无纺布或纤维垫中沉淀，或者纤维无纺布或纤维垫用溶液、悬浮液或分散液浸渍，从这些液体中取出并去除溶剂后就形成或留下细孔的材料。
在本发明的一个实施方案中，与此相应地在平面的纺织纤维体上如下形成细孔的结构纤维层在聚合物的有机溶剂溶液中浸渍。在纤维层从溶液中取出后，在空气中干燥一定的时间，随后浸入一种溶剂例如水浴中，在该溶剂中聚合物是不溶的，从而沉淀下来。这样在纤维层中形成细孔层。该过程可以视需要如此经常地重复进行，直至得到足够的填充(也就是说，在纤维层中不再有大的洞或孔)。经填充的纤维层在从水槽中取出后被完全地干燥。在纤维物体中形成的细孔层在选择合适的聚合物的情况下具有疏水作用，同时对于水蒸汽又是可通过的。疏水作用可如下识别，即滴到纤维表面的水滴不能穿透过该层，而是形成一个明显的接触角。
根据本方法可用于在纺织纤维材料层中形成细孔结构的聚合物材料例如是丙酸纤维素、丁酸纤维素以及乙烯和乙酸乙烯酯的共聚物。乙烯-乙酸乙烯酯共聚物在溶剂(合适的是丙酮)中的溶解度取决于二种单体的份额比例。可应用的二种单体的质量比为20∶80或40∶60。用质量比为20∶80的乙烯-乙酸乙烯酯共聚物在玻璃纤维无纺布中制成的细孔层在150mm的水位时阻止水的通过。
在本发明的另一个实施方案中，在纺织纤维材料层中的细孔结构如下形成该层一次或视需要多次在聚合物分散液中浸渍，并且在取出后干燥。聚合物分散液例如由在水(连续相)中小聚合物颗粒(分散相)构成。在纤维层中制备细孔层就是在纤维之间形成薄膜状的结构，其阻止水的通过。根据上述方式用于制备细孔层的例子是应用丙烯酸酯水分散液。一种用丙烯酸酯分散液如此填充的玻璃纤维无纺布可以阻止高于400mm水柱的水穿透通过无纺布。
在本发明的另一个实施方案中，纺织纤维层用无机材料的溶液或悬浮液处理。在此特别合适的是水玻璃和/或上面已提及的土壤聚合物的溶液。后者在用含有相应的起始材料的溶液浸渍纤维材料后在较低的温度下可进行缩合反应，所以其特别适合用于本发明。甚至在室温下或至少在温和的温度下部分发生凝固，使得视需要在纺织纤维材料中所含有的粘结剂不被损害。假如所用的土壤聚合物不进行预先的物料疏水化，那么优选的是事后提高其疏水性，例如采用表面硅烷化进行疏水处理，以使其表面成为疏水性的。
纺织纤维材料可通过层压法或其他的方式而与石膏芯复合连接。有利的是，假如纺织纤维材料首先用具有或构成细孔的材料浸渍，在这种材料凝固或干燥后，将纤维材料放于衬垫上，并涂上视需要含有添加剂的石膏浆或涂上其他的物质。在石膏凝结时石膏板与纺织纤维材料形成紧密的连接。纺织纤维材料也可以机械地(例如通过夹板)与已硬化的石膏板连接。粘接也是可能的，在此要注意的是，不生成联接一起的粘结层，其阻止水蒸汽的通过。
作为基材板材用的石膏芯板具有由石膏(二水合硫酸钙，CaSO4·2H2O)构成的基体。该板材只可由石膏构成，但是通常还含有加固颗粒(例如纤维或木屑)，常常也还含有疏水剂和视需要的其他添加剂或添加材料，这对于本领域的专业人员是已知的。其中例如是凝固延缓剂、凝固加速剂、影响流变学的材料或填料。石膏在板材中的份额优选为50-100重量％，强烈优选为约78-97重量％，并特别优选为80-93重量％。
常常期望的是，石膏板用基于硅树脂、石蜡、蜡、人造树脂或类似的物质进行物料疏水化处理，如其对用于潮湿房间中所已知的那样。物料疏水化应阻止较大量的水在纺织纤维材料的内侧聚集，并且随着时间的推移溶解和毁坏石膏组织结构。
特别廉价的物料疏水化可通过具有疏水作用的固体材料(石蜡、蜡、微胶囊)来实现。在此，细颗粒的疏水剂直接加入到由能凝固的硫酸钙和视需要的加固颗粒所构成的新配制物料中。为了在基体中均匀一致地分配疏水剂，可在硫酸钙硬化后对材料进行有目的的热处理。在热处理时，固体的疏水剂熔化，基体在内部被浸渍。热处理可在连续立式干燥机中进行或采用高频处理或微波处理。当液态的疏水剂对硫酸钙的水合性能有不利的影响时，那么固体疏水剂是特别优越的。
为了提高强度，石膏板也可含有加固颗粒，例如纤维或木屑，优选含有0.5-35重量％、强烈优选1-30重量％和特别优选5-25重量％份额的加固颗粒，以含石膏的干燥物料的量计，其用搅拌调和石膏浆。加固颗粒可由有机或无机材料如玻璃或纤维素构成或含有这些材料作为芯。木屑或纤维可用于改善附着和视需要的表面改性，例如通过硅烷改性。此外，石膏芯板材可具有轻质填充材料如珍珠岩，或应用孔隙形成剂如烯属磺酸的钠盐(如Hostapur OSB，Hoechst)发泡，以降低重量，并提高隔热性能。通过添加剂也这样的达到潮湿性能，即水蒸汽的扩散阻力随着材料潮湿性的能提高而降低，从而潮湿的板干燥得比不潮湿的板更快，在另一种情况下干燥的板更慢的受潮。
为了形成疏水性能和蒸汽可透过性，石膏板根据本发明如上所述至少一面与纺织纤维材料相连接，它的中间空间用具有细孔的材料填充。在此要注意的是，各种制备方法在温度下进行，使得石膏板的其他组分的损害成为不可能。这意味着，当具有细孔的材料仅作为填料在纺织纤维体中构成时，这必须在这样低的温度下进行，以使不对纤维物体中已含有的材料如有机粘结剂造成可能的损害。
根据本发明用上述的措施而制备多层材料板，其在无纺布胶粘的一面承受得住高于1000Pa、优选为高于1500Pa的水压，而不让水通过。水吸收系数明显小于0.25kg/(m2t1/2)。等价扩散空气层厚度在板厚为0.1m时为比1.0m小得多。在本发明特别优选的方案中该值为0.6，强烈优选为0.3，而且在特别有利的情况下甚至小于0.2m。
下面根据实施例更清楚地解释本发明。
实施例1粘结有蜜胺树脂、在纤维之间的孔径约为10-100微米、并且由E玻璃纤维制成的无纺布在50g丙酸纤维素于950g丙酮中的溶液内浸渍0.5分钟。从溶液中取出后让剩余的溶液滴下并蒸发掉一部分丙酮。2.5分钟后将无纺布浸入水槽中，并在此放置6小时。随后在干燥箱中于40℃下干燥无纺布16小时。经干燥的无纺布放置到一块平的金属板上，在其上绑上一个1cm高的框架。该框架用石膏浆填充，在搅拌固定时加入0.5％硅酮疏水剂到石膏浆中。石膏浆通过在框架中捣实而分配。多余的量通过刮掉而去除。一小时凝固后除去框架。在室内空气中干燥石膏板24小时，再在干燥箱中于40℃下干燥24小时。
实施例2粘结有蜜胺树脂并由E玻璃纤维制成的无纺布在聚丙烯酸酯水分散液中浸渍一分钟。从分散液中取出后让一部分剩余的溶液滴下。在一个衬垫上脱去在无纺布表面二侧突出的分散液。随后在干燥箱中于40℃下干燥无纺布24小时。经干燥的无纺布放置到一块平的金属板上，在其上绑上一个1cm高的框架。如实施例1所描述的，用石膏填充框架，石膏在凝固后干燥。
实施例3粘结有蜜胺树脂并由E玻璃纤维制成的无纺布用由45g表面反应性的硅酸铝粉末、55g水玻璃和5g水构成的混合物(土壤聚合物混合物)涂覆。土壤聚合物混合物通过碾压而均匀分布到无纺布上。经涂覆的无纺布在室内空气中干燥72小时，再在干燥箱中于40℃下干燥24小时。经干燥的无纺布放置到一块平的金属板上，在其上绑上一个1cm高的框架。如实施例1所描述的，用石膏填充框架，石膏在凝固后干燥。
实施例4为了表征无纺布性能，具有0mm水柱的压密性而且纤维之间的孔径约为10-100微米并用蜜胺粘结的E玻璃纤维无纺布在乙烯-乙酸乙烯酯共聚物(浓度为5、10和15质量％)的溶液中浸渍，聚合物在不同的干燥时间下沉淀。在5％的浓度和1分钟的干燥时间下在5个涂覆过程后可达到320mm水柱的压密性。在5％的浓度和1分钟的干燥时间下和一个涂覆过程下，压密性为145mm水柱。在这二种情况下相对于未经处理的无纺布没测量到水蒸汽透过性的变化。
在所有的实施例中都要检测复合板的扩散性能和疏水性能。在干燥区域的水蒸汽扩散阻力值(μ-值)作为扩散性能的测量值，水吸收系数(w-值，kg/(m2h-1/2))作为疏水性能。没有疏水剂和没有无纺布的石膏板(0.01m厚)具有8的μ-值和3.90kg/(m2h-1/2)的w-值(1h)。对于常用的疏水剂(0.5质量％)测得的μ-值为8和w-值为0.32kg/(m2h-1/2)。对于在载体板中具有0.5％疏水剂和具有根据本发明的处理过的无纺布的复合板，其w-值为0.03kg(m2h-1/2)，而μ-值为9。
权利要求
1.一种多层材料，其具有(a)由石膏或基本上由石膏构成的第一层，和(b)至少一层第二层，其包括一种层状的纺织纤维材料，该纤维材料的纤维是互相机械稳定连接的、不可燃的并且对天气变化稳定的，并且其中间空间是用具有细孔的材料填充的，其中该第二层具有小于2.0m的等价扩散空气层厚度，而且在至少100mm水柱的水压下是水通不过的。
2.根据权利要求1的多层材料，其中第二层的等价扩散空气层厚度为小于1.0m，优选为小于0.2m和/或在至少150mm水柱的水压下是水通不过的。
3.根据权利要求1或2的多层材料，其特征在于，所述具有细孔的材料通过聚合物在层状纺织纤维材料中间空间和视可能的在层状纺织纤维材料的表面沉淀或通过用一种材料在溶剂中的溶液、分散液或悬浮液浸渍层状的纺织纤维材料、去除溶剂和视需要交联或永久硬化在此生成的聚合物而形成。
4.根据权利要求3的多层材料，其特征在于，所述聚合物是从下列聚合物中选择的聚酯、聚丙烯酸酯、纤维素酯、淀粉的衍生物、与乙酸乙烯酯的共聚物、由脂肪族或脂环族二异氰酸酯构成的聚氨基甲酸酯、含酸基的共聚物，如基于马来酸和/或丙烯酸或甲基丙烯酸的共聚物，以及这些聚合物的共聚物或聚合物混合物。
5.根据权利要求1-3之一的多层材料，其特征在于，所述具有细孔的材料部分是或完全是无机材料，特别是土壤聚合物或由水玻璃通过硬化而制备的。
6.根据上述权利要求之一的多层材料，其特征在于，石膏层具有由无机或有机纤维或木屑构成的其他加固颗粒。
7.根据权利要求6的多层材料，其特征在于，所述加固颗粒由玻璃、石纤维素、木素纤维素或这些材料的混合物构成或含有这些材料。
8.一种用于制备根据权利要求1-7之一的多层材料的方法，其特征在于，石膏层通过硬化经物料疏水的硫酸钙浆而生成和/或石膏层在硫酸钙浆硬化后被表面疏水。
9.根据权利要求8的方法，其特征在于，所述硫酸钙浆在硬化前用固态的、液态的或乳浊状的疏水剂处理。
10.根据权利要求9的方法，其特征在于，所述疏水剂部分地或完全由在室温下具有固态的、可熔化的外壳的微胶囊和一种液态的疏水剂构成的填充物或由室温下固态的、但是可熔化的粉末构成，而且在硬化过程中或在硬化后被加热到疏水剂的熔化温度。
11.用于制备根据权利要求1-7之一的多层材料的方法，其特征在于，纺织纤维材料用具有细孔的或形成细孔的材料填充，随后视需要生成细孔，并视需要干燥经填充的纤维材料，接着与硫酸钙浆接触，随后被硬化。
12.用于制备根据权利要求1-7之一的多层材料的方法，其特征在于，纺织纤维材料用具有细孔的或形成细孔的材料填充，随后视需要生成细孔，并视需要干燥经填充的纤维材料，接着与已硬化的石膏层复合连接。
全文摘要
本发明涉及一种多层材料，其具有(a)由石膏或基本上由石膏构成的第一层，和(b)至少一层第二层，其包括一种层状的纺织纤维材料，该纤维材料的纤维是互相机械稳定连接的、不可燃的且对天气变化稳定的，并且且中间空间是用具有细孔的材料填充的，其中该第二层具有小于2.0m的等价扩散空气层厚度，而且在至少100mm水柱的水压下是水通不过的。这种材料由于它的性能可用于室外区域。本发明还涉及这种多层材料的制备方法。
文档编号E04C2/04GK1494479SQ02805566
公开日2004年5月5日 申请日期2002年2月25日 优先权日2001年2月26日
发明者格特·纽曼, 弗里德里克·雷特尔, 霍尔格·伯泽, 彼得·勒施克, 福尔克尔·托勒, 约翰·W·赫林, 海因茨·扎特勒, 伯泽, 扎特勒, W 赫林, 勒施克, 尔 托勒, 格特 纽曼, 里克 雷特尔 申请人:弗劳恩霍弗应用技术研究院