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Verfahren zur Herstellung eines aufgeblähten, zellulären
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Materials und das dabei erhaltene Produkt.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines aufgeblähten,
zellulären (zellförmigen)Naterials sowie das dabei erhaltene Produkt, das in der
Bauindustrie und für andere Zwekke verwendet werden kann, wo wärmeisolierende, feuerbeständige
und leichte Materialien bzw. Produkte benötigt werden.
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Die Herstellung von Schaumglas ist aus den US-Patentschriften 2 485
724 und 3 174 870 bereits bekannt. In der US-Patentschrift 2 485 724 wird vorgeschlagen,
verschiedene Mineralien,
wie z. B. Nephelinsyenit, Feldspat, Albany-Tonschlamm,
Albit und Spodumen, zu verwenden und diese zuerst zu Teilchen mit mikroskopischer
Größe, so daß sie beispielsweise ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,15
bis 0,05 mm (100 bis 300 mesh) passieren, oder noch feiner zu mahlen. Darin wird
auch vorgeschlagen, ein Gas bildendeMittel, wie z. B. Calciumsulfat, Natriumsulfat,
Magnesiumsulfat, Antimontrioxid oder Arsentrioxid sowie Calciumcarbonat, für die
Reaktion zu verwenden, die bei der Sintertemperatur oder geringfügig oberhalb der
Sintertemperatur, d. h. bei 816 bis 9270C (1500 bis 17000F) auf tritt. Bei den in
dieser Patentschrift vorgeschlagenen Flußmitteln handelt es sich um Natriumperoxid,
Natriumoxid, Kaliumoxid oder eine ein Oxid bildende Verbindung, wie wasserfreie
Soda, die zu einer lokalen Aufblähung oder Erzeugung einer ungleichmäßigen Porosität
oder Zellbildung führen. Darin ist auch angegeben daß Ruß durch Reduktionsmittel,
wie Harnstoff, Zucker, Dextrose oder Molassen, ersetzt werden kann und daß diese
vor dem Mischen in Wasser gelöst werden können unter Bildung einer feuchten Masse,
die in einen Ofen eingeführt wird.
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In der US-Patentschrift 3 174 870, in der eine Verbesserung der in
der US-Patentschrift 2 485 724 beschriebenen Erfindung beansprucht wird, wird vorgeschlagen,
durch Verwendung von in der Natur vorkommenden Mineralien, wie z. B. den Alkali-Aluminiumoxid-
Silicat-Materialien oder Feldspat-Materialien, wie z. B. Granit, Felsen, Mineralien
und verschiedenen natürlichen Gläsern, die auf eine mikroskopische Größe (etwa 0,035
mm (400 mesh)) gemahlen werden, die in der US-Patentschrift 2 485 724 beschriebene
Erfindung verbessern.Bei der Durchführung des aus der US-Patentschrift 3 174 810
bekannten Verfahrens muß ein Treibmittel (Verschäumungsmittel) verwendet werden,
das unterhalb 1050°C gegen Sauerstoff beständig ist, und es muß ein Sauerstoff lieferndes
Mittel, wie z. B. ein
Alkalisulfat, zugegeben werden. Als Reduktionsmittel
sind darin feinteilige Metalle, Metallcarbide und Metallsulfide 0 erwähnt, die bis
etwa 1100 C gegen Sauerstoff beständig sind. In einem Beispiel wird ein Granitfelsen
genannt und in einem anderen Beispiel ist ein Buckingham-Feldspat erwähnt.
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Nach beiden vorstehend beschribenen Patentschriften erhält man Produkte,
bei denen auf der Oberfläche der Teilchen lokalisierte weiche Stellen auftreten,
aus denen Gas entweichen kann, und diese weichen Stellen werden durch eine ungleichmäßige
Verteilung des Eisens in einigen Materialien hervorgerufen. Das schlecht verteilte
Eisen (oder auch das gebundene Eisen) reagiert mit den Kohlenstoffteilchen des Rußes,
wodurch ein vorzeitiges lokales Schmelzen hervorgerufen wird. Lokale weiche Stellen
werden auch durch einzelne Flußmittelmaterial-Teilchen, wie z. B. NaO-oder KO-Teilchens
hervorgerufen, die nicht schmelzen und nicht dispergieren.
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Ziel der Erfindung ist es daher, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung
eines zellularen (zellförmigen) oder auf geblähten Mineralmaterials aus einer natürlichen
Quelle, wie z. B. tonhaltigen (lehmigen) Materialien,anzugeben. Ziel der Erfindung
ist es ferner, ein zelluläres (zellförmiges) Produkt anzugeben, welches die vorstehend
geschilderten Nachteile nicht aufweist.
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Weitere Ziele, Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus der folgenden
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
und des dabei erhaltenen bevorzugten erfindungsgemäßen Produkts hervor.
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Es wurde nun gefunden, daß ein tonhaltiges Material, wie Ton, Schiefer
oder Bentonit, ein natürliches und leicht zugängliches Material darstellt, in dem
eine gleichmäßige und weitgehende Dispersion einer natürlichen Menge Eisen, das
in der Regel in Form von Eisenoxid (Fe203) darin enthalten ist, vorliegt. Die natürliche
Größe der Teilchen oder Pellets, die darin vorhanden sind oder durch Mahlen erhalten
werden können, beträgt 1 bis 2 mm im Durchmesser bis herunter zu feinem Staub und
stellt ein zufriedenstellendes Ausgangsmaterial dar. Dieses Ausgangsmaterial wird
beispielsweise hergestellt durch Auflösen von Ton in Wasser und anschließendes Sieben,
um bestimmte Verunreinigungen daraus zu entfernen. Dann wird die Tonlösung einer
entwässernden Filtrierung unterworfen, wonach das Material getrocknet wird. Eine
das Flussmittel und das Kohlenstoffmaterial enthaltende wässrige Lösung wird dann
dem Ton-Ausgangsmaterial zugesetzt, welches die weitgehend dispergierte Eisenkomponente
enthält, und wie nachfolgend beschrieben damit gemischt. Dabei fungiert beispielsweise
eine wässrige Hydroxidlösung als Flussmittel und der Zucker fungiert als Kohlenstoffquelle.
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Die Mischung wird in eine Mühle gegeben und etwa 15 Minuten lang gemahlen,
wobei man feuchte makroskopische Pellets oder Teilchen mit einem Durchmesser von
etwa 1 bis etwa 2 mm als Ausgangsmaterial enthält.
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Bei dem verwendeten Flussmittel sollte es sich um ein solches handeln,
das in Wasser löslich ist und bei einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur (bei
etwa 3710C (7000F) im Falle von Natrium- und Kaliumhydroxid) schmilzt und im geschmolzenen
Zustand bei einer Temperatur unterhalb seiner Reaktionstemperatur wieder absorbiert
werden kann, so daß es in der Lage ist, die fertigen Tonteilchen oder Tonplatten
zu überziehen. Sowohl die Hydroxide als auch die Phosphate von Natrium, Kalium und
Lithium sind geeignet, jedoch sind Natriumhydroxid und Kaliumhydroxi
QWegen
der geringeren Kosten bevorzugt. Es können auch Zucker, Molassen oder Harnstoff
der Lösung als Kohlenstoffquelle zugesetzt werden und wenn sie gelöst sind, dringen
sie in die kleinen. Teilchen oder Pellets ein und überziehen diese. Bei dem nachfolgenden
Erhitzen bleibt dann, wenn das Wasser der Lösung verdampft, auf der Oberfläche der
Pellets oder Teilchen Zucker zurück und der Zucker schmilzt während des weiteren
Erhitzens und wird wieder in den Poren absorbiert; wenn der Zucker durch weiteres
Erhitzenzersetzt wird,läßt er auf praktisch jedem kleinen Teilchen einen Kohlenstoffrückstand
zurück. Dies ergibt eine gleichmäßigere Flussmittelwirkung und führt dazu, daß die
feinen Teilchen noch gleichmässiger sintern und in kleineren, regelmäßigeren,gleichmäßigen
Bläschen Gase einfangen als Folge der ständigen wechselseitigen Zugänglichkeit von
Kohlenstoff und Eisen.
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Ein anderes Merkmal der Erfindung besteht darin, daß das hergestellte
Material direkt in einen Ofen mit der vdlen Tempera-0 tur von etwa 1149 bis etwa
1260 C (2100 bis 23000F) eingeführt und direkt so schnell wie eine Wärmeabsorption
möglich ist auf die Schmelztemperatur gebracht wird. Unmittelbar nach dem Schmelzen
kann das Flussmittel das Eisen in dem Ton erreichen und reagiert damit unter Bildung
eines Gases, so daß eine Zellbildung oder Aufblähung auftritt'wodurch eine sehr
gleichmäßige Zellbildung oder Aufblähung erzielt wird. Die Aufblähung schreitet
von der äußeren Oberfläche des Materials allmählich nach innen fort, wenn dieses
schmilzt. Die Behandlungsdauer in einem Ofen kann 10 Minuten bis 2 Stunden betragentwobei
für einen 2,54 cm (1 inch) dicken Ziegel beispielsweise 10 Minuten und für eine
dickere, 20,3 cm (8 inches) dicke Platte beispielsweise 2 Stunden angewendet werden.
Das Material kann in Form einer Schicht in einen konventionellen Trommelofen eingeführt
werden und es befindet sich auf dünnen Platten
mit oder ohne eine
damit verbundene Sandschicht. Seitlich angeordnete, locker fixierte Winkel können
dazu verwendet werden, die Materialschicht locker zu begrenzen.
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Während des Erhitzens zieht sich das Material zusammen und läuft zusammen
(koalesziert) und wenn beispielsweise das Natriumhydroxid schmilzt, wird es von
jedem makroskopischen Teilchen wieder absorbiert und das dabei erhaltene Teilchen
reagiert dann beim Schmelzen mit dem Eisen in dem erhaltenen Teilchen unter Bildung
eines Gases, so daß innerhalb der Masse eine Aufblähung oder Zellbildung auftritt.
Anschließend wird das aufgeblähte Material abgekühlt und getempert (geglüht). Die
hier verwendetenKühl- und Glühöfen werden nicht näher beschrieben, da das Abkühlen
und Tempern (Glühen) von Glas- und Keramikmaterialen dem Fachmanne an sich bekannt
sind.
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Wenn eine kontinuierliche Platte (Bramme) hergestellt wird, wird sie
nach dem ausreichenden Kühlen auf die gewünschte Länge zugeschnitten, wobei die
Breite so groß sein kann. wie der Ofen erlaubt. Die Dicke wird unter Berücksichtigung
der Brenndauer und der Gleichmäßigkeit, des gewünschten Produktionsvolumens, der
Einfachheit der Herstellung und dgl. festgelegt.
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Nach dem vollständigen Abkühlen in dem Glth- bzw. Kühlofen wird die
Platte auf die gewünschte Form und Dimension gebracht analog wie beim Schneiden
von Brettern, Balken oder Parkettblöcken aus einem Baumstamm. Bei dem fertigen Produkt
kann 2 2 es sich handeln um (a) eine 12,9cm (2 inch ) große, 0,32cm (1/8inch) dicke
Wand- oder Fußbodenfliesedie glasiert werden muß, oder (b) eine 1,2 m (4 feet) breite
Wandplatte, die lang genug ist, um von dem Fußboden bis zur Decke zu reichen oder
die Breite eines Raumes als Deckenplatte oder Fußbodenplatte abzudecken. Die in
dem Ofen hergestellte Platte kann bereits die für eine Fußbodenplatte (Fliese) oder
eine Bau-Verkleidungsplatte
gewünschte Dicke haben und bei der
Verarbeitung zu marktgerechten Produkten bleibt die natürliche gebrannte Struktur
und Farbe ds Oberfläche erhalten. Es sind bereits viele Möglichkeiten zur Erzielung
von Oberflächeneffekten beim Brennen bekannt, wie z. B. die Zugabe von Materialien
auf die Oberfläche vor dem Brennen und/oder die punktförmige Atmo sphärenregul ierung.
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Nachfolgend werden einige Beispiele für nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren hergestellte aufgeblähte Materialien beschrieben, wobei in allen Fällen,
wo dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen worden ist, das Brennen in einer nicht-oxydierenden
Atmosphäre durchgeführt wurde.
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1.)100 Teile Black Hills-Bentonit (nachfolgend sind stets Gew.-Teile
gemeint) 1 Teil körniger Rohrzucker 5 Teile NaOH 30 Teile Leitungswasser In Wasser
werden der Zucker und danach das NaOH gelöst und anschließend mit dem Aggregat in
einen Mahl-Mischer gemischt; die Mischung wird durch ein Sieb mit einer lichten
Maschenweite von 2,0 mm (10 mesh) passiert, um sie zu pelletisieren.
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Dann wird sie in eine wie vorstehend beschriebene Pfanne gegeben und
30 Minuten lang in einen heißen Ofen bei etwa 1182ob (21600F) gestellt. Dann wird
die Pfanne aus dem Ofen herausgenommen und in einen Kühlofen eingeführt und langsam
auf eine Temperatur von weniger als 1490C (3000F) abgekühlt, bevor sie herausgenommen
wird, um die Abkühlung zu vervollständigen.
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Der dabei erhaltene Block weist gut geformte Zellen auf, von denen
die meisten einen Durchmesser von etwa 1 mm haben, und 3 3 er hat eine Dichte von
etwa 0,192 g/cm3 (12 pounds/ft. ) und
ein glasartiges Aussehen.
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Etwa die gleichen Ergebnisse werden erhalten, wenn man das NaOH durch
einen äquivalenten Molprozentsatz KOH oder eine äquivalente Mischung aus NaOH und
KOH ersetzt.
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2.) 100 Teile Oberflächenton aus der Nähe von C orona, Kalifornien/
USA, rötlich gefärbt 1 Teil körniger Zucker 9 Teile NaOH 17 Teile Leitungswasser
Das Mischung und Brennen wird wie in dem ersten Beispiel durchgeführt,wobei diesmal
jedoch die Brenntemperatur etwa 12600C (23000F) beträgt. Dabei erhält man einen
Block mit einer Dichte von etwa 0,48 g/cm3 (30 pounds/ft.3) und feinen Zellen.
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3.) Das Beispiel 2 wird wiederholt, wobei diesmal die Zuckermenge
auf 0,06 Teile verringert wird. Der dabei erhaltene Block weist feinere Zellen und
eine Dichte von etwa 0,67 g/cm3 3 (42 pounds/ft.3) auf.
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4.) 100 Teile Black Hills-Bentonit 1,5 Teile Zucker 15 Teile Trinatriumphosphat
Die präparierte Pfanne wird 30 Minuten lang in einen Ofen bei 12040C (22O00F) gestellt.
Der dabei erhaltene Block weist 3 3 feine Zellen und eine Dichte von etwa 0,35 g/cm
(22 pounds/ft.33 auf.
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5.) 100 Teile Black Hills-Bentonit 4 Teile Zucker Das Mischung und
Brennen wird wie im ersten Beispiel durchgeführt, wobei diesmal jedoch die Brenntemperatur
etwa 12600C (23000F) beträgt. Der dabei erhaltene Block hat eine Dichte 3 3 von
etwa 0,32 g/cm (20 pounds/ft..3), er ist zellförmig, weist jedoch poröse Zellwände
auf. Er ist für Gase durchlässig und absorbiert Wasser.
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Der Block wird erneut gebrannt in einer oxydierenden Atmosphäre unter
Anwendung einer ausreichenden Zeitdauer und Temperatur, um einen großen Teil des
Kohlenstoffs herauszubrennen. Der Block wird noch durchlässiger und ändert seineFarbe
in ein helles Rötlich-Braun.
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Die Erfindung wurdezwar vorstehend unter Bezugnahme auf bevarzugte
Ausführungsformen näher erläutert, es ist jedoch für den Fachmann selbstverständlich,
daß sie darauf keineswegs beschränkt ist, sondern daß diese in vielfacher Hinsicht
abgeändert und modifiziert werden können, ohne daß dadurch der Rahmen der vorliegenden
Erfindung verlassen wird.