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Kugelförmige Schaumglasteilchen und Verfahren zu deren Herstellung
Es sind kugelförmige Schaumglasteilchen bekanntgeworden, welche eine nach aussen verdichtete Wand besitzen. Solche Schaumglasteilchen haben den Nachteil, dass bei ihrer Verwendung zur Herstellung von Formkörpern - beispielsweise durch Kunstharzschaumbindung - nur schwer bearbeitbare Formkörper erhalten werden. Solche kugelförmige Schaumglasteilchen besitzen darüber hinaus ein sehr hohes Raumgewicht, so dass ihre Verwendung für viele Zwecke, beispielsweise zur Herstellung von Schall- und Wärmedämmungen, nicht in Frage kommt.
Es sind weiters hohle Mikroglaskugeln bekanntgeworden, deren Wandung gegebenenfalls von kleinen Gasblasen durchsetzt ist. Solche Mikroglaskugeln sind in der DDR-Patentschrift Nr. 24359 beschrieben.
Die Festigkeit solcher Mikroglaskugeln ist jedoch so gering, dass sie keinesfalls als Baustoffe, beispielsweise dazu verwendet werden können, eine Schall- bzw. Wärmedämmung durch blosses Einfüllen solcher Mikroglaskugeln in Hohlräume herzustellen, da hiebei der grösste Teil der Mikroglaskugeln zerstört werden würde und die auszufüllenden Hohlräume lediglich mit kaum eine Dämmwirkung besitzenden Glasgrus ausgefüllt wären. Aus ähnlichen Gründen ist auch die Herstellung von Formkörpern aus solchen Mikroglaskugeln und Bindemitteln, beispielsweise Zement, Kunstharzschäumen u. dgl., unmöglich.
Demgegenüber werden erfindungsgemäss kugelförmige Schaumglasteilchen vorgeschlagen, bei denen die Kugel über ihren gesamten Querschnittsbereich eine im wesentlichen gleichförmige Porenstruktur aufweist und ihre Aussenhaut nicht stärker ist als eine Porenwand im Innern, wobei gegebenenfalls die Schaumglasteilchen in einem Kunstharzschaum eingebettet sind, der vorzugsweise in einer lediglich zu deren Bindung erforderlichen Menge vorliegt. Erfindungsgemässe kugelförmige Schaumglasteilchen besitzen auf Grund ihres Aufbaues nicht nur ein sehr geringes Raumgewicht, sondern auch eine so hohe mechanische Festigkeit, dass sie ohne besondere Vorsichtsmassnahmen zwecks Herstellung von Schallbzw. Wärmedämmungen in Hohlräume eingeschüttet oder zwecks Herstellung von Formkörpern mit Bindemitteln aller Art vermischt werden können.
Auch wenn Anhäufungen von erfindungsgemässen kugelförmigen Schaumglasteilchen relativ hohen Drücken ausgesetzt werden, so kommt es nie zu einer völligen Zerstörung der Schaumglasteilchen, da hiebei die aneinanderliegenden kugelförmigen Schaumglasteilchen lediglich im Bereiche ihrer Berührungsstellen oberflächlich abgeplattet werden und der Kern derselben intakt bleibt. Erfindungsgemässe kugelförmige Schaumglasteilchen sind somit den oben erwähnten bekannten kugelförmigen Schaumglasteilchen sowohl hinsichtlich ihres Raumgewichtes als auch hinsichtlich ihrer mechanischen Festigkeit und damit praktischen Verarbeitbarkeit überlegen.
Die Zellwände erfindungsgemässer kugelförmiger Schaumglasteilchen sind von Mikroporen durchsetzt, wobei sogar die Aussenhaut gegebenenfalls Mikroporen enthalten kann. Das gleiche gilt für den Überzug von Teilchen, welche durch Granulieren mit Hilfe anorganischer poröser Körper, wie z. B. Perlit (geblähtes Lavamineral) oder Vermikulit (geblähter Glimmer), hergestellt wurden, mit dem Unterschied, dass die Porenstruktur im Kugelinneren von eben diesen fremden porösen Teilchen gebildet wird.
Die in der erfindungsgemässen Weise hergestellten kugelförmigen Schaumglasteilchen weisen eine
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mannigfaltige Verwendungsmöglichkeit auf. Sie können in loser Schüttung zur Ausfüllung von Hohl- räumen verwendet werden und ergeben auf diese Weise eine gute Isolierung gegen Wärme und Schall.
Sie können weiters zur Herstellung von isolierendem Material in Form von Platten, Blöcken usw. Ver- wendung finden.
Es ist auch möglich, solche kugelförmige Schaumglasteilchen wieder in einen Glasschaum einzu- betten und auf diese Weise einen isolierenden Formkörper zu erzeugen, welcher im Glasschaum der- artige kugelförmige Schaumglasteilchen von geringem Raumgewicht und grosser Isolierfähigkeit ent- hält. Hiezu werden Schaumglasteilchen verwendet, die noch einen Restgehalt an Blähstoffen aufweisen, um eine abermalige Verblähung der Einzelteilchen unter gleichzeitigem Zusammenbacken zu einem
Schaumglasformkörper zu gewährleisten. Es werden also die Schaumglasteilchen entweder als solche, oder mit einem Überzug aus Glasmehl und einer Alkalisilikat und eine organische Substanz enthaltenden wässerigen Lösung versehen, in offene oder geschlossene Formen lose eingeschüttet und neuerlich er- hitzt, wobei sie unter neuerlichem Blähen zu einem Formkörper zusammenbacken.
Das Überziehen der Schaumglasteilchen erfolgt zweckmässigerweise durch oberflächliches Benetzen mit einer Alkali- silikate und eine organische Substanz enthaltenden wässerigen Lösung und anschliessendes Bestäuben mit
Glasmehl.
Wie aus der Literatur bekannt ist, spricht man von einem gewissen Erinnerungsvermögen des Ma- terials. Da es sich trotz gleichartigem Grundmaterial um differenzierte Teilchen handelt, die zu- sammengebacken werden, ist dem erzielten Formkörper eine gewisse Heterogenität nicht abzuspre- chen, wodurch sich eine im Vergleich zu homogenen Schaumglaskörpern verbesserte Temperaturwechselbeständigkeit ergibt, die durch ein rasches Abkühlen der geblähten Formkörper gestattet, ohne dass allzu grosse innere Spannungen und damit Risse auftreten. Dies gilt natürlich im verstärkten Ausmass für Schaumglasteilchen, welche über anorganische poröse Teilchen, wie z. B. Perlit (geblähtes Lavamineral) oder Vermikulit (geblähter Glimmer), granuliert wurden.
Mit besonderem Vorteil können die erfindungsgemässen kugelförmigen Schaumglasteilchen auch in ein Material anderer Art, wie beispielsweise in Kunstharz, u. zw. insbesondere in einen Kunstharzschaum, insbesondere Polystyrol-, Phenol-, Polyurethan, Polyester-oder Polyätherharzschaum, eingebettet sind. Hiebei kann die Menge des Kunstharzschaumes im Verhälmis zur Menge der kugelförmigen Schaumglasteilchen verschieden gewählt werden, so dass das isolierende Material zum grösseren oder zum kleineren Teil aus Kunstharzschaum bzw. aus kugelförmigen Schaumglasteilchen besteht.
Ein besonders gutes Isoliermaterial wird aber gemäss der Erfindung dann erhalten, wenn der Kunstharzschaum lediglich in einer zur Bindung der Schaumglasteilchen erforderlichen Menge in dem isolierenden Material vorliegt, so dass dieses isolierende Material zum wesentlichen Teil aus den kugelförmigen Schaumglasteilchen besteht, zwischen welchen die Zwischenräume durch den Kunstharzschaum ausgefüllt sind.
Ein solches isolierendes Material, welches Schaumglasteilchen in einem Kunstharzschaum eingebettet enthält, zeichnet sich durch eine besonders gute Isolierfähigkeit aus. Gegenüber einem isolierenden Material, welches lediglich aus Kunstharzschaum besteht, bietet es den Vorteil einer grösseren Festigkeit, einer verbesserten Temperaturbeständigkeit sowie einem verringerten Schwund, und gegen- über einem isolierenden Material, welches lediglich aus Schaumglas besteht, ist der Vorteil der grösseren Elastizität infolge der elastischen Einbettung der Schaumglasteilchen im Kunstharzschaum sowie des geringeren Raumgewichtes gegeben, da im allgemeinen der Kunstharzschaum ein noch geringeres Gewicht aufweist als der Glasschaum.
Die im Kunstharzschaum eingebetteten, etwa kugelförmigen Schaumglasteilchen weisen im allgemeinen einen Durchmesser von etwa 1 bis 10 mm auf. Glaskugeln oder Teilchen aus üblichem Schaum- glas würden eine spanabhebende Bearbeitung des isolierenden Materials durch Sägen oder Bohren wesentlich erschweren und nahezu unmöglich machen, insbesondere dann, wenn diese Teilchen bzw. Kugeln dicht aneinanderliegen. Dadurch aber, dass bei den in der erfindungsgemässen Weise hergestellten Schaumglasteilchen die Zellwände zwischen den Makroporen von Mikroporen durchsetzt sind, ergibt sich ein Gefüge, welches einer spanabhebenden Bearbeitung praktisch keinen Widerstand entgegensetzt, da durch die Mikroporen in den Zellwänden sozusagen Soll-Bruchstellen gegeben sind, welche eine spanabhebende Bearbeitung des Schaumglases ohne weiteres ermöglichen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird nun ein Verfahren zur Herstellung der kugelförmigen Schaumglasteilchen vorgeschlagen, bei welchem Glasmehl mit einer Alkalisilikate und eine organische Substanz enthaltenden wässerigen Lösung benetzt und die Mischung nach einer bei einer Temperatur unter 6000C erfolgenden Vorröstung gebläht wird, worauf die Mischung in noch feuchtem Zustand granuliert und in granuliertem Zustande vorgeröstet wird, worauf unter Wärmeeinwirkung die
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Blähung der granulierten Teilchen zu etwa kugelförmigen Schaumglasteilchen erfolgt, die anschliessend weiterverarbeitet werden können. Es hat sich gezeigt, dass die feuchte Mischung, welche durch das
Alkalisilikat bzw. das Wasserglas ihren Zusammenhalt erhält, sich in einfacher Weise granulieren lässt.
Um pulverförmige Mischungen glasigen Materials und eines Gas entwickelnden Stoffes zwecks Her- stellung eines homogenen Schaumglaskörpers gleichmässig in einer Form durchwärmen zu können, ist bereits vorgeschlagen worden, die Sinterung und die ersten Stufen der Zellenbildung der Mischung durch vorheriges Einkerben der Oberfläche der Rohstoffmischung nach Einfüllen in die Form und vor dem
Schliessen der Form zu regeln, jedoch kann hiebei nicht von einem Granulieren der Mischung aus glasigem Material und Gas entwickelnden Stoffen und auch nicht vom Aufschäumen des Granulats ge- sprochen werden, da bei noch so weitgehendem Einkerben der Oberfläche der Rohstoffmischung diese
Rohstoffmischung beim Aufschäumen zu einem die Form zur Gänze ausfüllenden Schaumstoff versintert.
Darüber hinaus werden gemäss diesem bekannten Vorschlag als Gas entwickelnde Stoffe keinesfalls in Wasser lösliche organische Substanzen empfohlen, die in einer Alkalisilikate enthaltenden wässerigen
Lösung gelöst sind.
Das Granulieren kann mechanisch erfolgen, indem beispielsweise die Mischung durch eine Presse ähnlich einem Fleischwolf hindurchgepresst wird und die austretenden Stränge zerteilt werden. Diese
Teilchen halten in feuchtem Zustand ihre Form und bei der Vorröstung erfolgt eine leichte Sinterung, durch welche diese Teilchen formbeständig werden, so dass sie in formbeständigem Zustand der Blähung unterworfen werden können. Es entstehen dann durch die Blähung etwa kugelförmige Schaumglasteilchen. Das Granulieren der noch feuchten Mischung kann beispielsweise auf eine Teilchengrösse von 1 bis 2 mm Durchmesser erfolgen. Beim Blähvorgang wird dann dieser Durchmesser auf etwa das 5fache vergrössert und die Kugelform ergibt sich durch den Gasdruck im Innern dieser Teilchen.
Das Granulieren kann aber auch dadurch erfolgen, dass anorganische, bei der Blähtemperatur beständige poröse Teilchen, wie z. B. Perlit (geblähtes Lavamineral) oder Vermikulit (geblähter Glimmer), mit einer Alkalisilikate und eine organische Substanz enthaltenden wässerigen Lösung benetzt und anschliessend mit Glasmehl bestäubt werden. Dadurch werden nach erfolgtem Rösten und Blähen die ansonsten offenporigen genannten Produkte nicht nur feuchtigkeits-, sondern sogar gasdicht und können dann auf vielen Gebieten zum Einsatz gelangen, die ihnen bisher versagt blieben, wie z. B. für die Isolierung von Dächern in Mischung mit Bitumen.
Es ist bereits bekannt, Schaumglaskörper aus Vermikulit, Glasmehl und Kalziumkarbonatherzustellen, um Schaumglaskörper mit erhöhter Temperaturwechselbeständigkeit zu erhalten. In so hergestellten Schaumglaskörpern ist jedoch eine Vielzahl von Vermikulitkörnern oder einem andern wärmebeständigen porösen Material in einer schaumigen Grundmasse aus Glas eingebettet. Durch Zerkleinerung solcher Schaumglaskörper könnten keinesfalls kugelförmige Schaumglaskörper erhalten werden, deren Kern von anorganischen, bei der Blähtemperatur beständigen porösen Teilchen, wie Vermikulit, gebildet ist und die eine dichte Aussenhaut besitzen.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, Glasmehl gröberer Körnung, wie z. B. in einer Körnung von 0, 1 bis 1 mm, mit wenigstens 10 Gew. -0/0 feinerem Glasmehl, wie beispielsweise von einer Körnung unter 0, 035 mm, zu vermischen und diese Mischung wieder mit der wässerigen Lösung des Alkalisilikates und einer organischen Substanz zu vermischen. Die ungleiche Körnung des Glasmehls ergibt hiebei einen besseren Zusammenhalt der granulierten Teilchen.
Im allgemeinen wird das Granulat vorgeröstet und hierauf unmittelbar der Blähung unterworfen.
Im Rahmen der Erfindung kann aber auch das Granulat, vorzugsweise dessen im Drehrohrofen häufig anfallender Pulveranteil, nach der Vorröstung mit 5 bis 20 Gew.-feiner l : l verdünnten Wasserglas- lösung benetzt und die Mischung hierauf vor dem Blähvorgang nochmals granuliert werden.
Im allgemeinen kann während oder nach der Granulierung noch weiteres feines Glasmehl zugesetzt werden. Dadurch wird nicht nur der relative Feuchtigkeitsgehalt des Granulats, der vielleicht für die Granulierung höher gehalten werden musste, für die Vorröstung wieder erniedrigt, sondern es kann, besonders im Falle der nochmaligen Granulierung von bereits vorgerösteten Teilchen, eine grössere Gleichmässigkeit des Granulats erzielt werden.
Beim eigentlichen Blähvorgang sollen sich die geblähten Teilchen durch Sinterung in sich verfestigen. Hiebei soll naturgemäss ein Zusammenbacken der einzelnen Teilchen miteinander vermieden werden. Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird zum Zwecke der Erreichung der Blähtemperatur das Granulat mit der Oberfläche eines auf die Blähtemperatur von 800 bis 9000C erhitzten Bades, insbesondere eines Metallbades, in Berührung gebracht, gegebenenfalls relativ zu der
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Badoberfläche bewegt. Als Bad kommt hiebei ein Bleibad oder ein Aluminiumbad in Frage, wobei
Aluminium der Vorzug zu geben ist.
Dadurch, dass die zu blähenden Teilchen des Granulats auf eine flüssige Badoberfläche aufgebracht werden, wird die mechanische Beanspruchung der Teilchenober- fläche auf einem Minimum gehalten und ein Zusammenbacken hinangehalten. Um ein Zusammen- backen der Granulatkörner mit Sicherheit zu vermeiden, kann gemäss der Erfindung auf die Granulat- körner ein bei der Blähtsmperatur weder mit dem schmelzenden Glas noch mit dem geschmolzenen
Material des Bades reagierendes Trennmaterial, wie z. B. Graphit, Petrolkoks, Portlandzement, Sin- terkorund u. dgl. durch Bestäuben aufgebracht werden, oder es können die Granulatkörner in gleiche
Volumsteile solchen pulverigen Materials eingebettet sein.
Eine erfindungsgemässe Vorrichtung, welche dazu geeignet ist, das Granulat über die Badoberfläche zu schieben, ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass über der Badoberfläche ein Transport- band mit Schiebern angebracht ist, welche das aufblähende Granulat über die Länge des Metallbades vor sich herschieben. Eine andere erfindungsgemässe Vorrichtung, welche auf mechanischem Wege die
Bewegung der Teilchen über die Badoberfläche ermöglicht, ist im wesentlichen durch ein unter der
Badoberfläche angeordnetes Sieb gekennzeichnet, welches periodisch knapp über die Oberfläche des
Bades taucht, die auf der Oberfläche des Bades befindlichen aufblähenden Granulatteilchen weiterbefördert und anschliessend wieder untertaucht.
Es kann aber auch die Oberfläche des Metallbades durch elektrische Induktion in Zirkulation gehalten werden, so dass das Metallbad mit der Granulatschicht durch die entsprechende Zone eines Ofens geführt wird.
Bei dem erfindungsgemässen Verfahren wird zweckmässig das Granulat während 0, 5 - 5 min im Bereich der Badoberfläche gehalten und damit erhitzt. Wenn das Granulat schrittweise während dieser Zeit über die Badoberfläche hinweggeschoben wird, erscheint es zweckmässig, das Bad langgestreckt auszubilden. Vorteilhafterweise wird das Granulat in einfacher Schicht über die Badoberfläche geführt. Wenn jedoch durch Bestäuben mit entsprechenden Materialien Massnahmen getroffen sind, welche ein Zusammenbacken der einzelnen Granulatkörner verhindern, so kann die Schicht des Granulats auch höher gewählt werden, wobei allerdings für eine Bewegung der Granulatschicht in sich Sorge getragen werden soll. Das Bad liegt in einem geschlossenen Ofen vor, so dass auch oberhalb der Badoberfläche die für die Blähung erforderliche Temperatur herrscht.
Da sich bei der Blähung die einzelnen Teilchen des Granulats auf das5fache ihres Durchmessers vergrössern, wird sich automatisch eine grössere Schichthöhe ergeben, wenn zu Beginn des Verfahrens die einzelnen Teilchen des Granulats dicht auf die Badoberfläche aufgebracht werden. Infolge der Volumsvergrösserung der Teilchen beim Blähvorgang werden sich diese sozusagen übereinander auftürmen. Soll dies vermieden werden, so darf die Badoberfläche zu Beginn des Verfahrens mit den noch nicht geblähten Teilchen nur teilweise bedeckt werden.
Beispiel l : 10 kg Glasmehl werden mit einer Lösung aus 2, 5 kg Wasserglas, 11 Wasser, 0, 2 kg Zucker und 20 g Netzmittel gut benetzt. Die entstehende breiige Mischung wird granuliert. Die Granulierung erfolgt beispielsweise dadurch, dass die Mischung in. einer Vorrichtung ähnlich einem Fleischwolf durch eine Lochplatte gepresst wird, wobei die austretenden Stränge zerschnitten werden. Es ent- stehen auf diese Weise Teilchen von einem Durchmesser von etwa 1 - 2 mm. Diese Teilchen werden in einem Drehrohrofen 2 min lang auf eine Temperatur zwischen 300 und 600 C, u. zw. ungefähr auf eine Temperatur von 4000C, erhitzt und hierauf wieder abgekühlt. Hiebei entsteht eine leichte Sinterung, durch welche die Teilchen bereits eine gewisse Formbeständigkeit erhalten.
Das auf diese Weise vorgeröstete Granulat wird in einen gleichen Volumsteil Portlandzement eingebettet, um ein Zusammenbacken bei dem nachfolgenden Blähvorgang zu vermeiden. Hierauf wird diese Mischung auf die Oberfläche eines flüssigen Aluminiumbades von einer Temperatur von 780 bis 7900C aufgebracht und unter Vermittlung von Schiebern in einfacher Schicht schrittweise über die Badoberfläche geschoben.
Hiebei wird das Granulat während ungefähr 3 min in Berührung mit der Badoberfläche gehalten, und die einzelnen Körner des Granulats werden durch die Temperatureinwirkung zu etwa kugelförmigen Schaumglasteilchen gebläht, welche in geblähtem Zustand einen Durchmesser von 5 bis 10 mm aufweisen. Diese Schaumglaskugeln werden hierauf abgekühlt. Die Abkühlung kann ohne weiteres an der Luft erfolgen, und es ist nicht erforderlich, besondere Massnahmen, wie z. B. Durchlauföfen, vorzusehen, um eine langsame Abkühlung zu erreichen. Diese Temperaturunempfindlichkeit der Schaumglasteilchen ist dadurch gegeben, dass die Zellwände zwischen den Makroporen Mikroporen aufweisen und wodurch die Wärmespannungen bei einer schnellen Abkühlung aufgenommen werden können.
Die in dieser Weise hergestellten kugelförmigen Schaumglasteilchen können für die verschiedensten Zwecke Verwendung finden.
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Beispiel 2 : 1kg Polystyrolharzschaumprodukt, wie beispielsweise "Styropor", wird mit 10 kg der nach Beispiel 1 hergestellten kugelförmigen Schaumglasteilchen und 500 g eines an sich bekannten Haftklebers innig vermischt. Diese Mischung wird in eine Form, beispielsweise zur Herstellung von Plattengefüllt. In bekannter Weise wird sodann durch Temperatureinwirkung das Styropor aufgebläht und mit den Schaumglasteilchen verbunden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Kugelförmige Schaumglasteilchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugel über ihren gesamten Querschnittsbereich eine im wesentlichen gleichförmige Porenstruktur aufweist und ihre Aussenhaut nicht stärker ist als eine Porenwand im Inneren, wobei gegebenenfalls die Schaumglasteilchen in einem Kunstharzschaum eingebettet sind, der vorzugsweise in einer lediglich zu deren Bindung erforderlichen Menge vorliegt.