Verfahren zur Erzeugung einer Dispersion.
Gegenstand vorliegender Erfindung ist ein Verfahren zur Erzeugung einer Dispersion eines wasserabstossenden und mit Wasser nicht mischbaren Stoffes von pechartiger Beschaffenheit in einer wässerigen Flüssigkeit unter Answendung von unlöslichen, dispergierend wirkenden, mineralischen Pulvern, wobei die Konzentration der Wasserstoffioncu des ganzen dispersen Systems auf einen zum voraus bestimmten Wert gebracht wird. zum Zwecke der optimalen Dispergierung des zu dispergierenden Stoffes.
Es soll eine Dispersion, zum Beispiel Emulsion von pechartigen Körpern mit mineralischen pulverförmigen Stoffen erzeugt werden, die in Wasser unlöslich sind, jedoch darin im Schwebezustand erhalten werden können, um zum Beispiel einen Brei, eine Paste oder einen Teig zu bilden. Solche mineralischen Pulver sind zum Beispiel fein gepulverter Ton. Bentonit, tonhaltige Mineralien, fein zertilte Silikate, Metalloxyde und -hydroxyde oder Mineralfarbstoffe. Im allgemeinen gehören dazu alle fein zerteilten mineralischen Stoffe, die mehr oder weniger leicht plastisch gemacht werden können und clie mehr oder weniger Viskosität haben. wenn. sie mit Tasser auf eine solehi Schlamm- oder Breiform gemischt werden.
Die peehartigen Stoffe, die hier in Frage kommen, können einer langen Reihe verschie- dener Stoffe angehören. Es sind damit eingeschlossen die Erdpecharten. flüssige und feste Kohlenwasserstoffe, künstliche und natürliche Harze, Esterhärtungen, Stearine und Wachse, deren Beschaffenheit, wenn notwendig, durch Zusätze von Flussmitteln ge ändert worden sein mag. Solche Flussmittel können Petroleumprodukte sein. trocknende Öle oder nicht trocknende Öle oder fette Säuren. Jene Stoffe, die in'der obigen Reihe angeführt sind und die sich im wesentlichen dem Festzustand mähern. nahen im allgemeinen die Eigenschaften von
Pech.
Ihnen allen ist ferner die Eigenschaft geineinsam, mit Wasser nicht in Mischung ru treten. Anderseits werden sie alle durch Nitre entweder geschmolzen oder mindestens weicher. Diese pechartigen Stoffe sind in) vorliegenden Verfahren jene Stoffe, die dis pergiert werden sollen und sie mögen sich also in der dispersen Phase befinden.
Erfahrung in der Erzeugung von Dispersionen dieser Art hat gelchrt. dass gewisse Pecharten mit bestimmten Typen dieser mineralischen Stoffe leichter in Dispersion treten. Eine bisweilen kleine Menge von fast allen bekannten Pecharten kann m Disper- sion mit vielen verschiedenen Arten von mineralischen Körpern gebracht werden. doch ist lanll die Pechmenge in vielen Fällen so gering. dass sie nur einen ganz kleinen unwesentlichen Teil des Erzeugnisses dar- stellt. Die erzeugte Dispersion ist in diesen Fällen so stark mineralischen Stoffen überladen. dass der pechartige Stoff an und für sich seine Eigenschaft. als Bindemittel zu wirken, verliert, und gerade dann fehlt den Dispersionen dieser Art jeder technische oder kommerzielle Wert.
Die Versuche haben ferner gezeigt, dass bestimmte Peeharten mit einer Tonart leich- ter in Emulsion treten als mit einer andern. ferner dass (lie Mischungen verschiedener 'I'onarten wertvollere Emulsionseigensehaften liaben, als die einzelnen Bestandteile der Mischung, und besonders haben diese Versuch. gelehrt, dass Mischungen von Bentonit mit Ton oder Mischungen von Bentonit mit alldeIll mineralischen Pulvern für eine gewisse Pechbasis die besten Emulsionseigen -chaften aufweisen.
Aus diesen ausgedehnten Versuchen und Beobachtungen hat sich ergeben. dass einer der wichtigsten Faktoren In der Über- w-achung dieses Verhaltens der verschiedenen Pulver mineralischen Ursprungs und des Verhaltens der Peche in der Wasserstoffionen- konzentration einer wässerigen Mischung oder eines Breies dieser Stoffe liegt. Man hat ferner gefunden, dass die Konzentration der Wa. sserstoffionen solcher Suspensionen von mineralischen Pulvern in Wasser nicht nur an und für sich von Wichtigkeit ist, soudern dal3 diese Konzentration auch je nach dem Säurewert oder basischen Wert des zu dis- pergierenclnn Peches zu verändern isjt.
Die physikalischen Eigenschaften des dispergierend wirkenden mineralischen Stoffes spielen clWei ebenfalls eine wichtige Rolle. Es seien devon angeführt: die Oberflächenspannung. die Plastizität, der Feinheitsgrad und wahrseheinlich noch mehrere andere bis jetzt un bekannte Eigenschaften.
Da als jene Stoffe, die in Dispersion zu bringen sind, pechartige Stoffe, wie zum Beispiel Peche selber, angeführt wurden. so ist leicht einzuschen. dass manche dieser Stoffe basisch und andere wieder sauer sind.
Zum Beispiel Harzpech und Stearinpech sind natürlich sauer. Öle, welche zur Erhöhung les Fluasses, wie beispielsweise Ölsäure, bei gefügtwerden,sindebenfallssauer.Be- stimmte Sorten Para-Kumaron sind jedoch basisch: asphaltische Rückstände mögen sauer oder basisch sein, und zwar sind die leichteren dünneren Rückstände, wie Kessel öle oder andere Bodenrückstände aus mexikanischem Rohöl sauer, und die Säureeigen sehaft nimmt im Verhältnis zur Zunahme im (iewicht dieser Rückstände ab. so dass diese Rückstände zum Teil sauer, zum Teil neutral und tatsächlich selbst basisch werden können, namentlich wenn man sich den härteren Asphaltsorten nähert.
Die Richtigkeit der angeführten Behauptund kann aus folgendem abgeleitet werden :
Nimmt man als dispergierend wirkenden Stoff Ton mit einem pH-Wert 6.0 und will man dadurch eine bestimmte Menge Asphalt emulgieren, beispielsweise einen in Dampf bearbeiteten mexikanischen Asphalt mit einem Schmelzpunkt von ungefähr 49 , so ist der pH-Wert dieser Dispersion umso grösser, @ grösser die Zunhame an emulgiertem Asphalt ist. Es wird schliesslich ein Wert errech@ der die höchstmögliche Emulsion von Asphalt darstellt, und wird noch mchr Asphalt zugegeben. so wird die Emulsion aufgebrochen.
Will man das nicht haben, so muss man saure Stoffe in bestimmten Mengen zusctzen, um zu errichen. dass eine weiter Dispergierung des basischen Asphaltes stattfinden kann. diese Zustände können basser gewürdigt werden, wenn man die Konzentration der Wasserstoffionen oder den pH-Wert des dispergierend wirkenden Stoffes sorgfältig in Betracht zicht und ihn je nach der Art der Pechsorte, die zu emulgieren ist, ändert.
Tone, Bentonit und andere Mineralien dieser Gattung haben durchaus nicht den gleichen pH-Wert, wenn sie im Schwebezustand im Wasser erhalten werden und die Lösung oder Mischung von ausgesprochener Säureeigenschaft in Alkalinität übergeh@ Werden verschiedene Sorten von Ton oder mineralischem Stoff miteinander gemischt, so entsteht dadurch auch eine neue Reihe von pH-Werten. die den pH-Werten der einzelnen Bestandteile fremd sind und die nicht et wa auf einfache Addition dieser Werte zurückzuführen sind.
Eine Überwachung dieser Wert für verschiedene solche Emulsions flüssigkeiten oder -breie kann dadurch besorgt werden. dass man den pH-Wert der einzelnen mineralischen Pulver durch Messung festsrellt und auch den pH-Wert berechnet, der Mischungen solcher Pulver zukommt, und zwar selbst Mischungen aus den gleichen Bestandteilen bestehend, in welchen nur diese Bestaudteile in verschiedenen Verhaltnissen vorhanden sind. Durch die Untersuchung solcher pH-Werte kann man dann eine Mischung bestimmter emulgierender Mineralien mit einem ganz bestimmten pH-Wert erzeugen, oder man kann diesen bestimmten gewünschten pH-Wert auch dadurch zu Wege bringen. dass man diese Lösungen oder Breie der einzelnen oder gemischten mineralischen Pulver mit entsprechenden basischen oder sauren Stoffen behandelt.
Es ist leicht einzuschen. dass die Zusammensetzung des benutzten Wassers. das als Dispersionsmittel dient. von grossen Wichtigkeit ist und dass diese Zusammensetzung sehr wohl in Betracht gezogen werden muss, wenn man einen bestimmten pH-Wert einer solchen Mischung baben will. Ebenso muss auch die Art des Peches, das emulgiert werden soll und das seinerseits wieder eine Veränderung dieses pH-Wertes der Emulsion herbeiführt. sehr wohl in Betracht gezogen werden.
Das beigefügte Schaubild gibt durch die Kurven I, II, III die pH-Werte einiger Misehungen oder Kombinationen einer Anzahl verschiedener Bentonitsorten (B, C und D) mit einem Ton (A) aus New Jersey in verschiedenen Mischungsverhältnissen wieder, und zwar hat die Kurve I Bezug auf Mischungen von Bentonit B mit Ton A, die Kurve II auf Mischung von Bentonit C mit Ton A, die
Kurve III anf Mischungen von Bentonit D mit Ton A. Die pH-Werte von 4 bis 10 sind als Ordinaten eingetragen. während die Abszissen prozentwerte sind der Zusammensetzung der Ton-Bentonit-Mischungen, gemass den auf der Abszissenlinie X1 zahlenmässige vermerkten Mischungsverhältnissen. Die Zah len geben die Prozente Ton der Mischungen an. Die äusserste Verticale links entspricht also einem Gehalt von 100% Ton A. 0% Bentonit, die äusserste Vertikale rechts einen Gehalt von 100% Bentonit. 0% Ton.
Dieses Schaubild zeigt aber auch in Kurve IV die pH-Kurve einer Mischung eines Bentonits. und zwar des hier als #B" angeführten Ben- tonits mit Aluminiumsulfat (Al2.(SO4)2.18H2O).
Die bezüglichen Mischungsverhältnisse sind auf Abszissenline X2 vermerkt. Die Zahlen geben hier die Prozente Alaun der Mischungen an.
Ausdiesem Schaabild geht hervor. dass durch die richtige Zusammenmischung zweier Sorten von dispergierend wirkeuden Mitteln der pH-Wert innerhalb werter Grenzen verändert werden kann. Ward augenommen. dass Bentonit der Sorte B an und für sich allein einen pH-Wert von 9,5 hat, so gibt das Schaubild deuthch au, dass dieser Wert auf weniger als 5 herabgchracht werden kann, je nachdem man den Bentonit mehr oder weniger mit Ton mischt oder mit einem andern saner wirkenden Stoff.
Die Versuche haben ferner gezeigt, dass asphaltisches Material. beispielsweise der Asphalt von Mexiko, der bei 49 schmilzt. eine zufriedenstellende Emulsion mit einer Mischung ergibt, die halb aus dem ('-oder B-Bentonit ut halb aus Ton besteht. Wird jedoch statt des Bentonits C bei dieser Mi schung der Bentonit B gewählt. so werden li, Emnlsionseigenschaften beträchtlich heruntergesetzt und man kann dann nur eine ganz geringe Menge des Asphaltes in Emulsion bringen. Eine ähnliche Abnahme der Eumlsionseigenschaften findet statt, wenn statt der oben erwähnten, gut emulgierenden Mischung als dispergierend wirkendes Material Bentonit allein gewählt wird, gleichgültig, ob es Bentonit B oder Bentonit C ist.
Es scheint, dass der günstigste pH-Wert zur Dispergierung dieser Pechart zwischen 6 und 6.5 liegt, und könnte man den pH-Wert von Bentonit B auf irgend eine Weise so verändern, dass gerade dadurch der Wert 6 bis 6,5 erzengt wird, so könnte man selbst mit diesem Betonit allein eine zufriedenstellende Emulsion erzeugen. Diese Bemerkung trifft auch auf die anderen Materialien zu, und auf diese Weise kann der günstigste pH-Wert zur Dispergierung verhältnismässig grosser Mengen gefunden warden. íf e t t 1 midem man zur Emalsion Stoffe benutzt. deren pH-Werte weit voneinander liegen, Wenn die Emulgierung mit dies. n Stoffen nicht gut vor sich geht, so müssen Versuche gemacht werden mit Stoffen, deren pH-Wert zwischen den erst erwähnten weit auseinander liegenden Werten liegt.
Auf diese Weise wird allmählich der günstigste pH-Wert ge funden. der @edoel, nicht für alle Stoffe gleich zutrifft.
Mit der oben erwähnten Pechsorte tritt Dispersion in Erscheinung, wenn die wässerige Mischung oder Verteilung des tonhaltigen Materials einen pH-Wert 6.5 hat. Aber , tl ('r duch bier erreicht man die Greuze für Emul- sionen dieses Asphalles, wenn ungefähr fünfzehnmal so viel Asphalt in Emulsion getreten ist. als Ton vorhanden ist. Bei dieser Zunahme des Asphaltes hat dann aber auch der pH-Wert der gauzen Emulsion beträchtlich zugenommen.
Man kann nun diese Emulsion entweder mit einem sauren Salz oder mit einer Säure in entsprechenden Menge versetzell orlurell der pH-Wert der Emul Sio wieder herabgedrückt wird und sofort können weitere Mengen von Asphalt emul n
Im Grossbetrieb kann die Dispergierung in einer Vorrichtung durchgeführt werden. die ununterbrochen arbeitet. und die Über wachung des pH-Wertes der zu erzeugenden Emulsion besteht in erster Linie darin. dass man ulner pH-Wert der wässerigen Suspension oder des Breies der Tonsorten mit Bezug auf den pH-Wert des zu emulgierenden Peches einstellt. (, des Zwecke kann man ent- weder den dispergierend wirkenden Stoff behandeln.
wie dies oben beschrieben wurde, oder die Menge dieses Stoffes, der in (lis Emulgiervorrichtung eingeführt wird, entsprechend wählen, oder schliesslich kann man ein Salz zuführen. wordurch der pH-Wert bezw.dieKonzentrationd')'Wasscrstoff- ionen innerhalb der bestimmten Grenzen gehalten wird. Man kann auch die konzentration der Wasserstofionen durch Zugabe von Elektrolyten regeln.
Wie oben angeführt, wird eine Dispersion mexikanischen Asphaltes, der einen Schmelzpunkt von ungefähr 49 bat, bei einempH-\Vertvon < ibisss..')zufriedenstel- lend erreicht werden. Bei Versuchen im Gro ssen und bei Aufrechterhaltung eines ununterbrochenen Betriebes wurde ein pH-Wert von 6.3 zufriedenstellend befnnden.
Benutzt man einen etwas härteren Asphalt ebenfalls aus Mexiko, so mag der pH-Wert auf 6.1 bis 6.2 heruntergehen. Benutzt man jedoch eine ganz andere Pechart, beispielsweise Stearinpech, erzeugt aus Pflauzenölen. so ergibt sich als günstigster pH-Wert für die Emulsion ein Wert on ungefähr 8.0, Die angeführten Betspule sind willkürheh aus Emub-ion''in\\'ri !mnn''f:ihrS. .r)i'':))) 'eführt.'nHmr-indwDIkih'hc !)). sinon
Durch Einstellung des pH-Wertes einer solch wässerigen Dispersion können demnach die Eigeaschaften und das Verhalten verschiedener dispergierend wirkender Pulver und verschiedener Peche überwacht werden.
Für gewöhnlich kann man sagen, dass irgend ein Emulsionsmineral in fein verteilter Form in diese Einstellung so behandelt werden so ii, er (leii gebracht werden kann.
Hat man für eine gewisse Pechsorte zu tundcn.SttkannmandannanderediHpcr'ie- funden. so kann man dann andere dispergie rend wirkende Mineralien so regeln. dass der gleiche pH Wert für dieselbe Lösung bei behalten wird, Wünscht man ein dispergic till wirkendes Material ohne vorhergehende
Behandlung in Benutzung zu mehmen und kennt man die pH-Kurve dieses Minerals, so kann man die Zustände des Peches entsprechend ändern. um eine zufriedenstellende
Dispersion zu erreichen. Emulgierende Materialien basischer Eigenschaften könen selbst Peche. die sauer sind. in Dispersion bringen und umgekehrt. Will man zum Beispiel einen basischen Bentonit als dispergie rendes Mineral benutzen. so kann man eine
Pechsorte wie Kumar mit Harz oder Ölsäure behandeln, um ihr Säureeigenschaften zu ver lethen.
Will man anderseits als dispergieren des Mineral einen unbehandelten sauren Ton verwenden. so kann die Dispergierung einer gegebenen Pechsorte. die ebenfalls sauer ist. dadurch erleichtert werden. dass man ihr ein
Fhissmittel zusetzt, wie beispielsweise wei ches Para-Kumaron oder eine organische
Base, die in Öl löslich ist. Man kann selbst dem Pech unter diesen Umständen ein basi (lie eslineratinPulvcrforjnzusetzen.A > - satiner förmiger Verteilung durch das Pech die Dis persion desselben mit einem sauren Ton mög lich macht. Die Versuche haben ergeben. dass allem Ansehein nach die Herbeiführung eines pH-Differentialwertes zwischen den Phasen notwendig ist.
Auch nach der Herstellung der Dispersion kann ihr pH-Wert noch verändert werden. wodurch auch die übrigen Eigenschaften des genzen Systems sich verändern. Angenom men Bentonit der alkalischen Reihe wird benutzt und hat einen pH-Wert von 9 und es wird durch dieses Mineral ein asphaltischer Werkstoff in Dispersion gebracht, so kann man das Mineral Bentonit mit einer Säure, wi Schwefelsäure behandeln. um seinen pH-Wert auf 6 zu bringen, wodurch die Dispergierung wirtschaftlich durchführbar ist.
Nach dieser Veränderung des pH-Wertes können entsprechende Basen, wie Barium Hydroxyd zugesetzt werden, um die Scull felsäure zu entfernen, und dadurch wird der pH-Wert des ganzen Systems wieder auf den ursprüngliclicn Ileli zurückgeführt. Dies ist dann von Bedeutung, wenn die Dispersion gegen Gefrieren gesichert werden soll. Eine flockenförmige Abscheidung innerhalb ge trisser Grenzen ist notwendig und die Emulsion kann auf der alkalischen Seite auf zum voraus bestimmte günstige pH-Werte oder annähernd auf solche Werte gebracht werden. Für das oben gegebene System ist ein solcher Wert 7.5. Gefriert die Emulsion. nachdem man sie auf diesen pH-Wert gebracht hat. so findet trotz dieser Zustands änderung ein Zusammenbruch der Emulsion nicht statt.
Man kann sie nach dem Ge frieren wieder auftauen, ohne dass sich die einzelnen Phasen voneinander trennen iiii Anhäufung der Teilchen der gleichen Phase stattfindet. Der eben gegebene Wert ist jedoch nicht für alle Systeme der gleiche.
Die Beständigkeit der Emulsion hängt in hohem MassevompH-WertdesganzenSy- stems ab. Die Einstellung dieses Wertes je llacll den Endeigenschaften der Emulsion ist mollo von der grössten Wichtigkeit.
Wird eine Emulsion erzeugt, deren pH-Wert auf der alkalischen Seite liegt, so kann es bisweilen geboten sein. das Endprodukt mit Säure zu behandeln, um den pH-Wert auf die Säureseite zu bringen. Geschicht das mit Emulsionen. die Asphalt der oben erwähnten Ursprungsstelle enthalten. so hat eine derartige Emulsion eine grössere Wetterfestigkeit, das heisst einen grösseren Anfangsweiderstand gegen die Einwirkung des Wassers. Die grösstmögliche Widerstandsfähigkeit des getrockneten Films, das heisst einer dünnen Schicht einer solchen Emulsion, wird eher erreicht, als in ändern Emulsionen.
Die Zugabe von Schwefelsäure in solchem Mats, dass der pH-Wert der Emulsion auf 4, 5 oder weniger heruntergeht, führt diese Eigenschaft der Erhöhung der Widerstands- fähigkeit herbei ; docli hängt diese Eigenschaft nicht vollständig vom tatsächlichen pH-Wert des Systems ab. Es findet wahrscheinlich eine Reaktion der Schwefelsäure mit dem mineralischen Pulver statt. Ver- dunstet das Wasser, so wird natürlich die Konzentration der Säure erhöht, und diese konzentrierte Säure tritt in Reaktion mit dem mineralisehen Pulver.
Auch ohne eine solehe chemische Reaktion kann durch diese Zugabe von Schwefelsäure die kolloidale oder emulsive Eigenschaft des Pulvers ge- ändert werden. Wird das Wasser entfernt. so o liat die trockene Schicht einer solchen Emulsion nicht melir genügend Materialen. die als Emulgierungsmittel wirken könnten, und jedes Bestreben eines solchen Alaterials, eine neue Emulsion xu bilden, wird dadurch zunichte.