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Verfahren zur Herstellung von beständigen Kieselsäureorganosolen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kieselsäureorganosolen, z. B. von Solen der Kieselsäure in Alkohol, Aceton oder Dioxan.
Die Kieselsäuresole werden vielfach verwendet, um die feuerfesten Stoffe für Öfen oder Giesserei miteinander zu verbinden, sowie um Giessformen zu verbessern. Sie werden entweder aus Äthylsilikat durch Hydrolyse oder aus Alkalisilikatlösungen durch Behandlung mit Säure gewonnen. Äthylsilikat ist eine stabile Flüssigkeit, die man bei der Verwendung als Bindemittel einer Hydrolyse mit einer Säure unter- werfen muss, um reaktionsfähige OH-Gruppen zu erzeugen. Die hiebei erhaltenen Kieselsäuresole in einem alkoholischen Medium enthalten etwa 30% Si02, 0, 03% HCI und 70% Alkohol. Ihre Beständigkeit schwankt je nach Art der Hydrolyse, ist aber fast immer unzureichend. Ausserdem ist das als Ausgangs- material benötigte Äthylsilikat sehr teuer.
Man hat auch, ausgehend von Alkalisilikaten, Hydrosole von Kieselsäure hergestellt und als Binde- mittel für Giessereizwecke verwendet. Diese Hydrosole leiden ebenfalls an einer grossen Unbeständigkeit, vor allem wenn sie in grösserer Konzentration von 12 oder mehr Gew.-% vorliegen. Sie sind dann nur wenige
Stunden haltbar.
Man hat ferner schon Organosole von Kieselsäure hergestellt mit einem äusserst geringen Gehalt von etwa 1 % Si02, indem man ein wässeriges Kieselsäuresol in einen Dialysierbeutel aus Pergamentpapier in Alkohol eingebracht und so in ein Alkosol übergeführt hat. Diese Organosole sind für den vorliegenden Zweck als Bindemittel für feuerfeste Stoffe für Giessereizwecke ungeeignet, weil sie eine zu geringe Menge Kieselsäuregel in der Formmasse abscheiden, um die einzelnen Teilchen der Formmasse fest miteinander zu verkitten.
Erfindungsgemäss werden nun beständige Kieselsäureorganosole mit einer Konzentration von 12 bis
15 Gew.-% SiO gewonnen, indem man, ausgehend von einer wässerigen Lösung eines anorganischen Silikats, dieses mit einer starken Säure in ein Kieselsäurehydrosol überführt, das Kieselsäurehydrosol durch Dialyse reinigt und dann mittels Osmose das Wasser durch ein organisches Lösungsmittel, z. B. Alkohol, Aceton oder Dioxan, ersetzt. Diese einzelnen Behandlungsstufen sind an sich bekannt.
Es ist aber nicht bekannt, dass man dieses Verfahren mit solchen Mengen und Konzentrationen der Einsatzkomponenten bei der Hydrolyse und bzw. oder bei der Osmose durchführen kann, dass man ein Kieselsäureorganosol mit 12-15 Gew.-% SiO gewinnt, und vor allem dass man hiebei ein beständiges Kieselsäureorganosol gewinnt, das für die Herstellung von Giessereiformen als Bindemittel verwendet werden kann.
Z. B. gibt man zu 880 ml 8 n-Salzsäure langsam und unter Rühren 3, 5 1 eines Gemisches aus 1, 7 1 etwa 25 Gew.-% iger Natriumsüikatlösung und 1, 81 Wasser. Das verwendete Natriumsilikat weist ein Verhältnis Si02 : Na20 Von etwa 3, 6 auf. Das entstandene Kieselsäurehydrosol wird nun in eine semipermeable Membran aus Zellglas, Pergament od. ähnl. eingebracht und der Membranbehälter aussen mit strömendem Wasser in Berührung gebracht. Hiedurch werden Körper mit niedrigem Molekulargewicht, nämlich Salzsäure und Alkalichlorid, durch die Poren in das vorbeiströmende Wasser übergeführt und entfernt.
Nach etwa sechs Stunden beträgt der Salzsäuregehalt nicht mehr als ein Zehntel seines Ausgangsgehaltes und der des Chlornatriums etwa nur ein Fünftel seines Ausgangsgehaltes. Der Gehalt an kolloidaler Kieselsäure hat sich jedoch praktisch nicht geändert. Diese Dialyse kann technisch durchgeführt werden, indem man die Berührungspunkte zwischen dem Hydrosol und dem äusseren Wasser möglichst gross wählt, z. B. verwendet man eine Membran mit einem Durchmesser von 25 mm und einer Länge von 15 bis 30 m. Die Reinigung kann ausserdem durch Anlegen eines elektrischen Stromes erhöht werden, wodurch die Diffusion der Salze erleichtert wird. Das gereinigte Hydrosol ist beständiger und ergibt später ein sehr alkaliarmes Kieselsäuregel, das die Feuerfestigkeit der fertigen Giessformen nicht beeinträchtigt.
Nach der Dialyse wird nun das Wasser des Hydrosols durch ein geeignetes organisches Lösungsmittel, z. B. Alkohol, Aceton oder Dioxan ersetzt. Dies geschieht durch Osmose. Die Vorrichtung kann die gleiche sein, wie sie für die Dialyse verwendet wurde, aber der Vorgang ist ein anderer, indem nunmehr das organische Lösungsmittel von aussen in den Membranbehälter hineindringt und das Wasser nach aussen dringt, um einen Konzentrationsausgleich zu erreichen. Durch Austausch des Mediums ausserhalb der Membran erreicht man dann eine schnelle Entfernung des Wassers aus dem Inneren. Die Diffussion erfolgt mehr
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oder minder schnell entsprechend der Affinität des organischen Lösungsmittels zum Wasser, seinem Molekulargewicht und seiner sonstigen chemischen Eigenschaften. Mit Methylalkohol findet der Wasseraustausch sehr schnell statt.
Es tritt aber gegen Ende eine Endosmose auf, die zu einer Verdünnung des gebildeten Hydroalkoholsols führt. Mit Äthylalkohol wird das Wasser schnell entfernt, es wird durch den Alkohol ersetzt, und die Konzentration an Kieselsäure im Innern der Membran steigt in einigen
Stunden von 10 bis 28 Gew.-%. Die Einwirkung von Aceton oder von Dioxan ist noch schneller, und die trotz der vorangegangenen Dialyse noch im Kieselsäuresol verbliebenen restlichen Reaktionssalze scheiden sich an der Membran aus. Mit den beiden letztgenannten Lösungsmitteln gibt es keinen Verdünnungseffekt, sondern man erhält eine Konzentration von 50 Gew.-% Kieselsäure oder mehr. Wenn man z.
B. einen Zellglasbeutel von 25 mm Durchmesser mit 200 ml Kieselsäurehydrosol in einen Behälter mit 11 Dioxan taucht, tritt das Wasser schnell aus dem Innern der Membran aus in das Lösungsmittel, wobei es Chlornatrium mit sich führt, das sich ausscheidet. Nach drei Stunden hat sich das Innenvolumen um 50% vermindert, und die Hauptmenge der noch vorhandenen Salze hat sich in dem Behälter niedergeschlagen.
Die in den Bädern verwendeten Lösungsmittel können wiedergewonnen und wiederverwendet werden, denn durch Destillation und Rektifikation können Wasser und Mineralsalze leicht abgetrennt werden.
Die Arbeitsverfahren der Osmose sind einfach und wenig mühsam und lassen sich ohne zusätzliche Energiezufuhr durchführen. Die so erhaltenen Sole sind hinreichend lange beständig, sie besitzen eine erhöhte Kieselsäurekonzentration, enthalten wenig Verunreinigungen, und die flüchtigen Stoffe, die zurückbleiben, können leicht entfernt werden. Darin ähneln sie den aus Äthylsilikat hergestellten Kieselsäuresolen und ersetzen es bei einem weit geringeren Preis, um die feuerfesten Stoffe bzw. die Giessereiformen miteinander zu verbinden.
Die Kieselsäuresole in einem organischem Medium, wie sie nach vorliegender Erfindung erhalten werden, eignen sich ausgezeichnet als Bindemittel, z. B. für Formmassen für Giessereizwecke. Sie können ferner als Bindemittel verwendet werden für die Herstellung von Briketts sowie auch von andern Formgegenständen metallischer oder nichtmetallischer Art.
Bei der Herstellung von Giessereiformen sind die nach vorliegender Erfindung erhaltenen Bindemittel besonders wertvoll, weil sie eine schnelle Herstellung der Formen ermöglichen bei höchster Qualität der Formen. Man kann nämlich Kieselsäuresole in einem organischen Medium zum Anmachen von feinverteilten, feuerfesten Stoffen verwenden und die so erhaltenen Massen zum Herstellen von Giessereiformen im ganzen verwenden oder auch nur zum Herstellen von einzelnen Teilen, insbesondere der Innenstücke von Giessereiformen. Vor allem gilt dies für die Herstellung von Formen für den Präzisionsguss.
Wenn die Formen durch Gelieren der Kieselsäuresole zum Festwerden gebracht sind, kann man sie unmittelbar einem Wärmeschock aussetzen und dabei, wie an sich bekannt ist, schnell zu Formen mit einer ausserordentlich glatten Oberfläche gelangen, die aber eine sehr grosse Porosität besitzen und damit für den Präzisionsguss von besonderem Vorteil sind. Dies gilt sowohl für den Fall, bei dem die ganze Form unter Verwendung des neuen Bindemittels hergestellt wurde, sowie man diese Form allseitig einem Wärmeschock aussetzt, d. h. von allen Seiten gleichzeitig ein MediumhoherTemperatur heranführt, z. B. Flammen, so dass dann der Alkohol in der Formmasse abbrennt.
Man kann aber auch so verfahren, dass man nur die Giessflächen der Gussformen mit einer Formmasse mit einem Bindemittel, erhalten gemäss vorliegender Erfindung, ausrüstet und dann diese durch Heranbringen einer Flamme oder anderweitiger schneller Erhitzung zum praktisch sofortigen Aushärten bringt.
EMI2.1
:1. Verfahren zur Herstellung von beständigen Kieselsäureorganosolen, insbesondere für Giessereiformen, bei welchem zunächst durch Hydrolyse eines wasserlöslichen anorganischen Silikats mit Hilfe einer starken Säure ein Kieselsäurehydrosol hergestellt, dieses dann durch Dialyse gereinigt und in ihm hierauf das wässerige Medium durch eine semipermeable Wand mittels Osmose durch ein organisches Lösungsmittel ersetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge bzw.
Konzentration der Einsatzkomponenten bei der Hydrolyse und bzw. oder bei der Osmose so gewählt werden, dass das erhaltene Kieselsäureorganosol 12-15 Gew.-% SiO enthält.