Erst wasserlöslich, dann wasserabweisend - Wacker Chemie AG


Erst wasserlöslich, dann wasserabweisend

Der größte Nachteil von gipsgebundenen Baustoffen ist ihre geringe Feuchtebeständigkeit. Mit SILRES® BS Pulver S steht jetzt erstmals ein hocheffizientes Additiv in Pulverform zur Verfügung, mit dem sich gipsbasierte Trockenmörtel hydrophob ausrüsten lassen.

Dr. Daniel Schildbach (r.), Leiter eines anwendungstechnischen Labors im Business Team Construction Chemicals, mit Labormitarbeiterin Theresia Genzinger.

Gips gilt als Allrounder, nicht nur im Trockenbau. Bauteile und Baustoffe auf Basis von Gips sind umweltfreundlich herzustellen und schnell und kostengünstig zu verarbeiten. Zudem schaffen sie ein angenehmes Raumklima, regulieren die Luftfeuchtigkeit in Innenräumen und fühlen sich stets angenehm warm und trocken an.

Abgebundener Gips hat jedoch zwei Schwächen: Er hat eine relativ geringe Härte und ist – zwar nur in geringem Maße, aber dennoch spürbar – wasserlöslich. Bei 20 °C beträgt die Löslichkeit von Calciumsulfat-Dihydrat rund 2,6 g/l. Verglichen mit silicatischen Baustoffen, die sich in Wasser praktisch nicht auflösen, ist das viel. Gipsgebundene Baustoffe verlieren zudem ihre Druckfestigkeit, wenn sie durchfeuchtet werden. Sind sie längere Zeit dem Wasser ausgesetzt, wird das Gefüge des Baustoffs irreversibel geschädigt.

Trockenbau in Feuchträumen

In Feuchträumen werden Bauelemente und Baustoffe auf Gipsbasis deshalb nicht eingesetzt – es sei denn, sie sind wirkungsvoll hydrophob, also wasserabweisend, ausgerüstet. Alle bislang erhältlichen Mittel zur Hydrophobierung von Gipsbaustoffen haben jedoch den Nachteil, dass sie ausschließlich in flüssiger Form erhältlich sind. Für Gipstrockenbauelemente – wie etwa Gipskartonplatten, Faserplatten oder Wandbauplatten – haben sich siliciumorganische Hydrophobiermittel etabliert, die entweder auf sogenannten H-Siloxanen (Polymethylhydrogensiloxanen) oder auf Alkali-Alkylsiliconaten basieren. Erstere liegen als Öl oder als wässrige Emulsion vor, Letztere in Form wässriger Lösungen – als Additive für die Formulierung von Trockenmörteln eignen sie sich daher nicht.

„Mit SILRES® BS Pulver S hat WACKER jetzt ein völlig neues pulverförmiges Gipshydrophobiermittel konzipiert, das im Trockenmischverfahren angewandt werden kann“, sagt Dr. Rudolf Hager, der das Business Team Construction Chemicals bei WACKER leitet. „Mit diesem Additiv ist es möglich, gipsbasierte Putze, Spachtelmassen, Deckbeschichtungen und Kleber herzustellen, die im gesamten Innenbereich eines Gebäudes eingesetzt werden können.“

Feuchtraum-Gipskartonplatten sind durch ihre typische Grünfärbung leicht zu erkennen.

Effizient hydrophobieren

Um mit den verfügbaren flüssigen Wirkstoffen ebenfalls pulverförmige rieselfähige Additive zu erhalten, bedienen sich Siliconhersteller und -formulierer bislang eines Tricks: Sie verkapseln einen an sich flüssigen Wirkstoff in ein pulverförmiges Material oder ziehen ihn auf ein pulverförmiges Trägermaterial auf und schaffen damit ein Vehikel, um den Wirkstoff in eine Trockenmörtel-Formulierung einschleusen und homogen einmischen zu können. In der Praxis verwenden die Siliconhersteller zudem nicht einmal den eigentlichen Wirkstoff selbst – eine Alkylkieselsäure –, sondern eine flüssige Vorstufe, zum Beispiel einen Alkylkieselsäureester, einen Polyalkylkieselsäureester oder Mischungen davon. Grund ist die hohe Reaktivität des eigentlichen Wirkstoffs, die eine Isolierung und einen direkten Einsatz ausschließt.

Werden Gipstrockenmörtel, die mit einer solchen herkömmlichen trägerbasierten oder verkapselten Wirkstoff-Vorstufe ausgerüstet sind, mit Wasser angemischt, verlässt die flüssige Substanz ihre „Verpackung“ und wird durch Hydrolyse in den eigentlichen Wirkstoff (Poly-)Alkylkieselsäure umgewandelt. Allerdings ist die Anwendung der herkömmlichen pulverförmigen Hydrophobiermittel mit mehreren Nachteilen verbunden:

  • Das pulverförmige Additiv enthält nur wenig aktive Substanz, da das Träger- oder Verkapselungsmaterial nicht mehr als 30 Prozent des Wirkstoffs aufnehmen kann. Würde man die Materialien mit höheren Flüssigkeitsmengen beladen, wäre das Pulver klebrig und nicht mehr rieselfähig. Da das Träger- oder Verkapselungsmaterial selbst völlig wirkungslos ist, tragen bis zu 70 Prozent der eingesetzten Additivmenge nicht zur Hydrophobierung bei. Deshalb ist die Effizienz herkömmlicher pulverförmiger Hydrophobiermittel gering.
  • Der Gipstrockenmörtel muss stark alkalisch eingestellt sein, damit die Hydrolysereaktion nach dem Anrühren mit Wasser in einer praxistauglichen Geschwindigkeit ablaufen kann. Ist der pH-Wert der angerührten Masse zu niedrig, bindet der Gips schneller ab, als der eigentliche Wirkstoff aus seiner Vorstufe freigesetzt und hydrolysiert wird. In diesem Fall wäre das Additiv weitgehend wirkungslos. Aber auch bei hinreichend hohem pH-Wert dauert die chemische Reaktion eine Weile, sodass die hydrophobierende Wirkung im abgebundenen Gipsbaustoff erst nach einiger Zeit einsetzt.

Außerdem führen die herkömmlichen pulverförmigen Hydrophobiermittel zu Anmischproblemen. Bereits während der Lagerung können die flüssigen siliciumorganischen Verbindungen durch Migration vom Trägermaterial beziehungsweise aus dem Verkapselungsmaterial ungewollt in die umgebende Feststoffschüttung und damit auf das Calciumsulfat-Halbhydrat gelangen. Dadurch werden Bindemittel und Füllstoffe bereits vor der Zugabe des Anmachwassers hydrophobiert. Konsequenz dieser unerwünscht vorzeitigen Hydrophobierung ist eine schlechte Benetzbarkeit: Damit wird das Anmischen eine langwierige und staubige Angelegenheit, da sich der wasserabweisende Gipsstaub nicht mit dem Anmachwasser niederschlagen lässt.

Einer handelsüblichen Gipsspachtelmasse (Balken links) wurden zwischen 0,1 und 0,2 Gewichtsprozent SILRES® BS Pulver S beigemischt. Danach lagerten die erhaltenen Prüfkörper zwei Stunden unter Wasser. Das Diagramm zeigt, wieviel Gewichtsprozent Wasser die Prüfkörper dabei aufgenommen haben.

„Hersteller von Gipsbaustoffen benötigen Hydrophobiermittel, die sich zum Einsatz im Trockenmischverfahren eignen, äußerst effizient wirken und beim Anmachen mit Wasser keine Probleme bereiten“, erklärt Dr. Rudolf Hager, Leiter des Business Teams Construction Chemicals. „SILRES® BS Pulver S umgeht alle Probleme, die im Zusammenhang mit herkömmlichen pulverförmigen Gipshydrophobiermitteln auftreten. Es besteht ausschließlich aus dem reinen Wirkstoff selbst, enthält kein Träger- oder Einkapselungsmaterial und ist daher hocheffizient.“

Das patentierte SILRES® BS Pulver S besteht aus Kaliummethylsiliconat, einem Wirkstoff, der schon seit den 1950er-Jahren im Bautenschutz genutzt wird, etwa zur Oberflächenhydrophobierung von grobkeramischen Ton-Erzeugnissen oder zur Massehydrophobierung von Gipsfertigelementen. Bislang wurden solche Alkali-Alkylsiliconate jedoch – wie schon erwähnt – stets nur in Form wässriger Lösungen produziert und verwendet.

„Mit der Entwicklung von Alkali-Alkylsiliconaten, die sich großtechnisch als rieselfähige Feststoffe gewinnen lassen, ist uns nun ein substanzieller Durchbruch gelungen“, erklärt Rudolf Hager weiter. Der Konzern habe verschiedene Trocknungsverfahren entwickelt, die zu Pulvern mit unterschiedlichen Eigenschaften führten.

„Zudem konnten wir das das Kalium-Silicium-Verhältnis so einstellen, dass sich ein optimales Verhältnis von Stabilität, Reaktivität und pH-Wert in gipsgebundenen Baustoffen ergibt.“

In Kaliummethylsiliconat sind die für die Anbindung an den Gips sorgenden Kieselsäuregruppen bereits im Molekül vorhanden und müssen nicht erst durch eine chemische Reaktion, genannt Hydrolyse, erzeugt werden. Das Siliconat selbst stellt schon die wirksame Form dar. Im Unterschied zu herkömmlichen Hydrophobiermitteln benötigt das neue Produkt daher keine alkalische Aktivierung durch Anheben des pH-Werts der Baustoffformulierung. Der Wirkstoff selbst ist erstaunlicherweise hydrophil und wasserlöslich, weshalb sich der damit behandelte Gipstrockenmörtel schnell und ohne zusätzliche Staubbildung anmischen lässt. Beim Anmischen des Calciumsulfat-Halbhydrats mit dem Anmachwasser geht das wasserlösliche Kaliummethylsiliconat zunächst zügig in Lösung. Während der Gips abbindet, tritt das Siliconat selektiv mit den wachsenden Gipskristallen in Wechselwirkung. Dabei verankert es sich mit seinen hydrophilen Kieselsäuregruppen fest auf den Oberflächen der Gipskristalle, während die hydrophoben Methylgruppen von den Kristalloberflächen des sich bildenden Calciumsulfat-Dihydrats wegzeigen. Infolge dieser Eigenorientierung verliert das Siliconat seine ursprüngliche Hydrophilie und schirmt die Gipskristalle im abgebundenen Baustoff vor weiterer Wassereinwirkung ab. Die hervorragende Wasserdampfdurchlässigkeit des Gipsbaustoffs wird dagegen nicht beeinträchtigt.

„„Unser neues Hydrophobiermittel unterdrückt das Eindringen von Wasser wirkungsvoll.“

Dr. Daniel Schildbach Technisches Marketing, WACKER SILICONES
Schnell und staubfrei: Das Hydrophobiermittel SILRES® BS Pulver S wird werkseitig im Trockenmischverfahren angewandt, bevor auf der Baustelle das Anmachwasser zugesetzt wird.

Ziel der WACKER-Entwickler war es, die Wasseraufnahme der abgebundenen Trockenmischungen auf unter fünf Gewichtsprozent zu reduzieren, wie es gemäß der Norm EN 520:2004 von Feuchtraum-Gipskartonplatten bereits seit vielen Jahren erwartet wird. Laut Experten können unterhalb dieser Grenze Fugenspachtelmaterialien universell in sämtlichen Innenräumen, auch in Feuchträumen, eingesetzt werden. Das bestätigt auch die Norm EN 13963, die 2014 aktualisiert und neu gefasst wurde. Für anspruchsvolle Feuchtraumanwendungen sind demnach nur Fugenspachtelmaterialien der Klasse H1 zugelassen. Solche Materialien nehmen auch nach zweistündiger Lagerung unter Wasser nicht mehr als fünf Gewichtsprozent Wasser auf.

„Die Untersuchungen an verschiedenen Gipsprüfkörpern haben gezeigt, dass unser neues Hydrophobiermittel das Eindringen von Wasser außerordentlich wirkungsvoll unterdrückt“, erklärt Produktentwickler Dr. Daniel Schildbach aus der Anwendungstechnik von WACKER in Burghausen. „Nach einer zweistündigen Wasserlagerung bleibt die Wasseraufnahme – eine geeignete Dosierung vorausgesetzt – unter fünf Prozent.“

Anforderungen an Hydrophobiermittel für Gipstrockenmörtel

  • Wasseraufnahme < 5 %
  • Einsatzmenge < 0,5 %
  • Anmischverhalten (beim Anmischen des Trockenmörtels mit Wasser): ausgezeichnet
  • Staubentwicklung (beim Anmischen des Trockenmörtels mit Wasser): keine

Ausgangspunkt für Dr. Schildbachs Untersuchungen war eine kommerziell erhältliche Gipsspachtelmasse, in die SILRES® BS Pulver S in unterschiedlichen Einsatzmengen eingemischt wurde. Das Fazit des Chemikers: „Im Unterschied zu herkömmlichen pulverförmigen Hydrophobiermitteln ermöglicht unser neues Additiv, die Wasseraufnahme von Gipsbaustoffen auch über einen längeren Zeitraum sehr niedrig zu halten. SILRES® BS Pulver S bewirke zudem einen deutlichen Abperleffekt auf der Baustoff-Oberfläche.

Dass SILRES® BS Pulver S dauerhaft vor Wasser schützt, bestätigen auch Außenbewitterungsversuche nahe dem WACKER-Standort Burghausen. Unbeschichtete, großflächige Prüfkörper aus Gipsputz zeigten auch nach zweijähriger Bewitterungszeit einen deutlich ausgeprägten Abperleffekt. Bei erneuter Wasserlagerung nach zwei Jahren nahmen sie 70 Prozent weniger Wasser auf als die Prüfkörper, die kein Hydrophobiermittel enthielten. „Der in Westeuropa übliche Schlagregen hatte die weiche Oberfläche des Gipsputzes allerdings deutlich erodiert“, berichtet Dr. Schildbach. Die Verwendung von Gips für Außenputze will der WACKER-Chemiker in entsprechenden Klimazonen deshalb trotz Hydrophobierung nicht empfehlen. In regenarmen Regionen wie Südeuropa oder in Südasien könne SILRES® BS Pulver S die Langlebigkeit von existierenden Gipsaußenputzen jedoch durchaus erhöhen.