Verfahren und Einrichtung zum Zerkleinern eines kristallinen laminaren Feststoffes
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zerkleinern eines kristallinen laminaren Feststoffes in ultradünne Schuppen sowie eine Einrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens.
Die Erfindung bezieht sich im besonderen auf das orientierte Zerkleinern eines Minerals, wie Glimmer, in eine Vielzahl von in einem Strömungsmittel suspendierten ultradünnen Partikeln oder Schuppen.
Natürliche und synthetische Glimmerkristalle können in verhältnismässig feine Schuppen aufgespalten werden. In der Industrie werden jedoch immer mehr grössere und dünnere
Schuppen mit einer grossen Oberfläche verlangt. Aus diesem
Grunde wurde versucht, den Glimmer in noch dünnere Schuppen aufzuspalten und diese Schuppen mit oder ohne Bindemittel zu zusammenhängenden Bogen oder Blättern zu vereinigen, die eine grosse Oberfläche aufweisen. Die älteren Verfahren zum Herstellen von Produkten mit einer gros- sen Oberfläche aus Glimmerpartikeln, die eine Dicke von ungefähr 0,010 bis 0,030 mm aufweisen, haben sich als sehr mühsam erwiesen, wobei verhältnismässig wenig Glimmer verwendet wurde, während die hergestellten Produkte ziemlich ungleichförmig und ausserdem noch teuer sind. Ferner weisen diese Produkte keine Oberflächenhaftkräfte auf.
Verfahren zum Herstellen von Bogen oder Blättern aus Glimmerpartikeln mit einer grossen Oberfläche und mit einer Dicke von weniger als 0,01 mm, z.B. von 0,002 bis 0,008 mm sind seit mehr als fünfzig Jahren bekannt. Jedoch haben die schlechten physikalischen und mechanischen Eigenschaften der Produkte verhindert, dass diese in der Industrie Bedeutung erlangt haben. Neuere Verfahren z. B. nach den amerikanischen Patentschriften Nrn. 2 405 576 (Hexman) oder 2 549 880 (Bardet) haben eine gewisse Bedeutung erlangt besonders deswegen, weil die mechanischen Eigenschaften der Produkte besser sind als die der älteren Produkte. Obwohl diese neueren Verfahren nunmehr älter als zwanzig Jahre sind so haben sie doch niemals weitgehende Verwendung gefunden.
Diese neueren Verfahren konnten nur zum Teil die älteren Verfahren ersetzen, nach denen Partikel mit einer Dicke von mehr als 0,01 mm erzeugt werden können, da die physikalischen und besonders die mechanischen und dielektischen Eigenschaften immer noch viel zu wünschen übrig lassen. Ausserdem ist die Verarbeitung schwierig, das Glimmerrohmaterial wird nur unvollständig ausgenutzt, und die Betriebskosten sind hoch.
Der Zweck der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren zum Zerkleinern eines kristallinen laminaren Feststoffes in ultradünne Schuppen vorzuschlagen, in dem dünne Glimmerschuppen erzielt werden, die eine grosse spezifische Oberfläche sowie neue und bessere Eigenschaften aufweisen, die solche Partikel besonders wertvoll machen als Agglomerationsmittel oder Pigmente sowie für die Herstellung von aggregierten oder agglomerierten Produkten.
Ein weiterer Zweck der vorliegenden Erfindung ist eine neue Einrichtung zum Durchführen des genannten Verfahrens vorzuschlagen, in dem orientiertes Spalten eines spröden kristallinischen Feststoffes, wie Glimmer, hauptsächlich in der Hauptkristallisationsebene und zweitens in einer weiteren Kristallisationsebene erfolgt, während die Aufspaltung in anderen Ebenen begrenzt wird, wodurch die Herstellung und wahlweise Gewinnung von Partikeln oder Schuppen ermöglicht wird, die die gewünschte grosse spezifische Oberfläche, eine geometrisch langgestreckte Gestalt und eine Dicke in der Grössenordnung von einigen Zehnteln oder sogar Tausendsteln eines Mikron oder weniger aufweisen.
Das erfindungsgemässe Verfahren zum Zerkleinern eines kristallinen laminaren Feststoffes in ultradünne Schuppen ist dadurch gekennzeichnet, dass a) ein flüssiges Medium durch Öffnungen am unteren Teil einer im wesentlichen kreisrunden Zerkleinerungszone hindurchgetrieben wird, welche Öffnungen senkrecht zur Höhe der Zone verlaufen, wobei die durch die Öffnungen hindurchgetriebene Flüssigkeit eine Wirbelströmung bildet, deren Orientierung sich der kreisrunden Bahn der Zerkleinerungszone anpasst, dass b) die groben Stücke des Feststoffes in die Wirbelströmung eingetragen werden, wobei die Stücke hauptsächlich in Ebenen aufgespalten werden, die den beiden Hauptachsen des Kristallgitters des Feststoffes entsprechen, dass c) die erhaltene flüssige Suspension mit dem zerkleinerten Feststoff vom unteren Teil aus an der Wandung entlang nach oben in einen oberen Teil in Umlauf gesetzt wird,
dass d) die nicht genügend zerkleinerten Feststoffpartikel aus der nach oben strömenden Suspension zurück in den unteren Teil wieder in Umlauf gesetzt werden, so dass sie in der Wir belströmung weiter zerkleinert werden, und dass e) die die geforderte Feinheit aufweisenden Feststoffpartikel aus dem oberen Teil der Zerkleinerungszone entfernt werden.
Die erfindungsgemässe Einrichtung zum Durchführen des genannten Verfahrens ist gekennzeichnet durch einen Kessel, der eine Seitenwandung mit einem allgemein kreisrunden Querschnitt aufweist, und der im unteren Teil eine Zerkleinerungskammer und im oberen Teil eine Schlämmzone bildet, durch in der genannten Kammer angeordnete Zerkleinerungsmittel, die aus mehreren kanalbildenden Gliedern mit im wesentlichen senkrechten Wandungen bestehen und von dem in der Mitte gelegenen Teil der Kammer aus allgemein radial nach aussen verlaufen, welche Glieder Kanäle mit einer sich nachgebend verändernden Weite bilden, die vom genannten Mittelteil zur Wandung der Kammer hin allgemein schmaler werden und kurz vor der Wandung enden, durch Mittel, die die kanalbildenden Glieder in der Kammer drehbar lagern, durch Mittel, die mit den Gliedern in Verbindung stehen und diese drehen,
und durch eine am Kessel vorgesehene Einrichtung zum Eintragen der Feststoffe in das flüssige Medium in den Mittelteil der Kammer, sowie durch Mittel zum Abführen des Feststoffes aus der Schlämmzone.
Die Erfindung wird nunmehr an Beispielen ausführlich beschrieben. In der beiliegenden Zeichnung ist die
Fig. 1 eine Übersicht eines Verfahrens, das mit der Zubereitung einer Menge Rohmaterial (A) beginnt, das durch eine Aufspaltungsstufe (B) geführt wird, wonach aus den Partikeln eine Suspension (C) hergestellt wird, und schliesslich erfolgt eine Formgebung in der Stufe (E) mit oder ohne einer zwischengeschalteten Agglomerationsstufe (D),
Fig. 2 eine graphische Darstellung, aus der zu ersehen ist, welche Wassermenge (in %, y-Achse) aus einer Glimmermenge verlorengeht, die allmählich auf höhere Temperaturen (x-Achse in C) erhitzt wird, bis ein Anhydridgewicht erreicht wird,
Fig.
3 eine graphische Darstellung, die die Vergrösserung des Volumens des Glimmers (in %, y-Achse) in bezug auf die Zeit (in Sekunden, x-Achse) bei einer Erhitzung von 18 auf 885" C zeigt, d.h. die Wirkung der Geschwindigkeit der Erhitzung in bezug auf den Grad des erreichten Aufquellens,
Fig. 4 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Zugfestigkeit (in kg/mm2, y-Achse) und der Dicke des Glimmers (in Mikron, x-Achse), nachdem der Glimmer zwischen zwei komplementär ausgestalteten Flächen mit einem Z-förmigen Profil bei einer Belastung von 10 kg/cm2 gebobogen worden ist,
Fig. 5 ein senkrechter Schnitt durch die ein Z-förmiges Profil aufweisende Vorrichtung, die zum Biegen des Glimmers (Fig. 4) benutzt wurde,
Fig.
6 eine mikroskopische Darstellung einer Gruppe von typischen Glimmerpartikeln, wie sie nach den älteren Verfahren, z.B. nach dem Bardet-Verfahren erhalten werden, wobei die unregelmässige Form und die sehr unterschiedliche Grösse der Partikel zu erkennen ist,
Fig. 7 ein stark vergrössert gezeichneter senkrechter Schnitt durch ein in der Fig. 6 dargestelltes Partikel,
Fig. 8 eine mikroskopische Darstellung einer Gruppe von typischen Glimmerpartikeln, die nach dem erfindungsgemässen Verfahren erzeugt werden, und die vorwiegend eine rechteckige Form und eine innerhalb eines schmalen Bereichs liegende Grösse aufweisen,
Fig. 9 ein stark vergrössert gezeichneter senkrechter Schnitt durch ein nach dem erfindungsgemässen Verfahren erzeugtes typisches Partikel, das eine im wesentlichen ebene und von Unregelmässigkeiten freie Oberfläche aufweist,
Fig.
10 ein senkrechter Schnitt durch eine Ablagerung von verhältnismässig dicken und unbiegsamen Glimmerpartikeln aufeine festen Unterlage, die nach den älteren Verfahren hergestellt sind, wobei zwischen einigen benachbarten Partikeln sowie zwischen diesen und der Unterlage Hohlräume bestehen,
Fig. 11 ein senkrechter Schnitt durch eine dichte Ablagerung von nach der Erfindung hergestellten dünnen, ebenen und biegsamen Partikeln, die sich an die Oberfläche einer festen Unterlage anschmiegen, die mit der Unterlage nach der Fig. 10 vergleichbar ist,
Fig. 12 ein senkrechter Schnitt durch eine Ausführungsform der Einrichtung zum Aufspalten von Materialien, wie Glimmer, nach der Erfindung, die vorzugsweise zusammen mit einem flüssigen Suspensionsmittel verwendet wird,
Fig. 13 eine Draufsicht auf die in der Fig. 21 dargestellte Einrichtung, von der Linie 13-13 in der Fig.
12 aus gesehen,
Fig. 14 ein Ausschnitt aus einem senkrechten Schnitt durch eine andere Ausführung der in der Fig. 12 dargestellten Einrichtung, wobei die Produktpartikel aus der Aufspaltungskammer durch einen weiten Ablauf mit Hilfe elektrostatischer Mittel abgeführt werden, wobei nur eine geringe Menge der Flüssigkeit abfliesst, und wobei die Partikel der Grösse nach in verschiedene Fraktionen sortiert werden, und die
Fig. 15 ein Ausschnitt aus einem senkrechten Schnitt durch eine weitere andere Ausführung der in der Fig. 12 dargestellten Einrichtung, bei der die Produktpartikel aus der Aufspaltungskammer mittels Elektrophorese unter Verwendung eines sich bewegenden Bandes abgeführt werden, das als eine Elektrode dient, an der die Produktpartikel haften bleiben und von der die Partikel mittels eines Schabers entfernt werden.
Das vorliegende Verfahren betrifft im allgemeinen das Spalten leicht spaltbarer Materialien in feine Partikel und im besonderen das Spalten von Mineralien, wie Glimmer, Glas, Kieselerde, Asbest usw. in kleine dünne Flocken oder Schuppen, die aktive Flächen und ein ungewöhnlich gleichmässiges Verhältnis Oberfläche:Dicke aufweisen, und deren Grösse innerhalb eines verhältnismässig schmalen Grössenbereichs liegt. Diese Partikel können durch Agglomeration zu Papier, Oberflächenbelägen, Belegen von Kondensatoren, Konstruktionseinheiten, Laminaten, Pappe, Bänder, Platten, Röhren, Zylinder und zu anderen Produkten mit jeder gewünschten Gestalt und jedem Profil verarbeitet werden, wobei die einzelnen langgestreckten Partikel in einer gegebenen Ebene vorwiegend parallel zu einander orientiert sind.
Die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist in erster Linie für die Aufspaltung von Glimmer eingerichtet, kann jedoch auch zum Aufspalten von anderen Materialien im besonderen von anderen Mineralien mit Erfolg verwendet werden, die bei einem Erhitzen molekular gebundenes Wasser oder Kristallisationswasser freisetzen.
Die genannten Materialien können für verschiedene Zwecke verwendet werden. Zum Beispiel sind die freien Partikel oder die unorientierten, leicht wieder dispergierbaren Agglomerate solcher Partikel als Pigmente und Füllstoffe für Farben oder anderen Beschichtungszusammensetzungen, für harzhaltige Kunststoffe, für elastomere Zusammensetzungen oder auch als Adsorptionsmittel oder Träger für andere Materialien usw. von Nutzen. Die Partikel können in Form von orientierten Agglomeraten als Isolatoren oder Beschichtungen bei elektrischen Bauteilen, als Konstruktionsmaterialien usw. Verwendung finden.
Glimmer bildet eine Gruppe von Silikaten, welche Mine ralien gekennzeichnet sind durch ihre stark ausgeprägte Fähigkeit, sich in der kristallinischen Hauptebene leicht aufspalten zu lassen, jedoch weniger leicht in der zur erstgenannten Ebene im wesentlichen senkrechten Kristallebene und noch weniger leicht in einer anderen Ebene. Derartige Mineralien weisen daher kristallographisch eine blattartige Struktur auf, die höchst biegsam, elastisch und kräftig ist, und die in sehr dünne Flocken oder Schuppen aufgespalten werden kann.
Glimmer tritt auf in verschiedenen Kristallgrössen, wobei grosse Kristalle ziemlich selten sind, sowie in verschiedenen chemischen Zusammensetzungen, wie Muskovit, Phlogopit, Biotit usw. Wegen der ausgezeichneten dielektrischen und mechanischen Eigenschaften, der chemischen Stabilität und der Widerstandsfähigkeit gegen hohe Temperaturen wird Glimmer für verschiedene industrielle Zwecke verwendet, wobei der höchstwertige Glimmer hauptsächlich in der Elektroindustrie als Isoliermaterial verwendet wird. Die Eigenschaften und die Verwendbarkeit sind jedoch stark unterschiedlich und hängen nicht nur von der Grundsorte des Glimmers ab, sondern bei einer gegebenen Sorte auch von der genauen chemischen Zusammensetzung. Die chemische Zusammensetzung des natürlichen Glimmers ist sehr unterschiedlich sogar in einem einzelnen Kristall.
Die genaue chemische Zusammensetzung bestimmt daher den thermischen Widerstand einzelner Glimmerkristalle, und wenn die kritische Dehydrierungstemperatur eines gegebenen Glimmerstückes überschritten wird, im allgemeinen mehr als 500 C, so wird der Glimmer dehydriert, quillt auf und zerfällt je nach der Temperatur und der Dauer der Erhitzung. Einige synthetische Glimmersorten weisen die gleichen Merkmale auf.
In der vorliegenden Beschreibung bezieht sich der Ausdruck Pigmente auf fein zerteilte Feststoffe, die Farben oder anderen flüssigen B eschichtungszusammensetzungen, Glasuren und dergleichen zugesetzt werden, während der Ausdruck Füllstoffe sich auf fein zerteilte Feststoffe bezieht, die Formharzen, Pulvern, Pasten, elastomeren Gemischen, Graphitzusammensetzungen, Isolierzusammensetzungen, Papier usw. zugesetzt werden als Schichten frei schwebender Feststoffe, die als thermische oder akustische Isolatoren verwendet werden sollen.
Der Ausdruck Agglomerationsmittel bezieht sich auf feine Glimmerpartikel mit aktiven Flächen oder mit Adsorptionsfähigkeit, die die Partikel als Träger für aktive Substanzen, wie Insektiziden oder Herbiziden, oder als Bestandteile bei Filtern, oder als Träger für Pigmente oder anderen Farbstoffen oder für Materialien wie Silber oder Titandioxidpulver oder dergleichen für die Herstellung von Halbleitern geeignet machen. Aus den Fig. 8 und 9 ist zu ersehen, dass die nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten Glimmerpartikel die erforderliche Gestalt aufweisen, d.h. eine geringe Dicke und eine verhältnismässig grosse und ebene Oberfläche innerhalb eines verhältnismässig schmalen Grössenbereichs.
Je nach den Anforderungen weisen die nach der Erfindung hergestellten Flokken eine sehr viel grössere spezifische Oberfläche auf als die nach den älteren Verfahren hergestellten Flocken, d. h. eine Oberfläche von mehr als 7 m2/g (d.h. nach dem bekannten BET-Verfahren unter Messung der Gasadsorption bestimmt), z. B. bei gewissen Glimmersorten von mehr als 7 bis 700 oder sogar 2500 m2/g.
Die grösste Abmessung der neuen Flocken oder Partikel kann entsprechend den Anforderungen vorherbestimmt werden und je nach der gewünschten spezifischen Oberfläche, welche Abmessungen 1 oder mehr Millimeter, Zehntel oder Hundertstel eines Millimeters und in bestimmten Fällen 1 oder mehr Mikron, Zehntel oder Hundertstel oder sogar Tausendstel eines Mikron betragen können besonders in vorherbestimmten schmalen Grössenbereichen, die innerhalb eines Gesamtbereiches von ungefähr 30 Millimeter bis herunter zu 2 Millimikron liegen. Zum Beispiel bestehen die in den Fig. 8 und 9 dargestellten Flocken erwünschtermassen vorwiegend aus Partikeln mit einem grossen Verhältnis Länge: Dicke in der Grössenordnung von
1000:1 bis zu 5 000 000:1.
Mit den nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten Pigmenten, Füllstoffen und Agglomerationsmitteln können neue Verwendungsgebiete erschlossen und neue Verfahren entwickelt werden, die bisher nicht durchgeführt werden konnten, da die neuen Partikel im physikalischen Sinne vollständig neue Eigenschaften aufweisen. Zum Beispiel verhalten sich die fein zerteilten Partikel in einem geeigneten Mittel dispergiert wie Kolloide und weisen eine überraschende Fähigkeit auf, Partikel anderer Materialien an der Oberfläche zu adsorbieren, und sich an Unterlagen verschiedener Gestalt anzuschmiegen, ohne zu brechen.
Die Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Folge von Verfahrensstufen, und zwar die Stufe A - Zubereitung des Rohmaterials
Bei dem Verfahren nach der Erfindung können alle verfügbaren Sorten Glimmer, natürlicher oder synthetischer Glimmer verwendet werden. Das Glimmerrohmaterial wird auf eine herkömmliche Weise gereinigt und von organischer Materie, Schmutz und Fremdmineralien befreit, wobei vorzugsweise ein Rohmaterial mit einem Reinheitsgrad von mindestens 90 % erzeugt wird. Die Erfindung weist u. a. den Vorzug auf, dass zugleich Gemische von Glimmerkristallen behandelt werden können, die eine unterschiedliche chemische Zusammensetzung und eine sehr unterschiedliche Grösse aufweisen.
Stufe B - die Zerkleinerung
Bei dem Verfahren zum wahlweisen orientierten Zerkleinern des Glimmers nach der Erfindung erfolgt eine Spaltung des Glimmers vorwiegend in zwei Richtungen, d. h. in erster Linie in der Ebene mit der geringsten Kohäsion (der Hauptebene) und weiterhin in einer die nächstschwächere Kohäsion aufweisenden Ebene, die im wesentlichen senkrecht zur erstgenannten Ebene verläuft. In anderen Richtungen treten keine Wirkungen auf, die gegebenenfalls von der Elastizität des Glimmers unterdrückt werden, so dass die mechanische Kohäsion des Glimmers in diesen Richtungen nicht nennenswert unterbrochen wird.
Nach dem erfindungsgemässen Verfahren werden die fortlaufend zugeführten Glimmerstücke der Einwirkung der erforderlichen mechanischen oder der Einwirkung mechanischer und thermischer Kräfte ausgesetzt, und zwar in einer oder mehreren Aufspaltungskammern, die nacheinander oder parallel angeordnet sind. Die Kräfte wirken auf die grossen Stücke des Rohmaterials in einem vorzugsweise inerten Strömungsmittel so lange ein, wie der Grösse der einzelnen Partikel entspricht, welche Zeitspanne Bruchteile einer Sekunde bis zu einigen Minuten umfassen kann. Die pulsierenden, vibrierenden, beschleunigenden oder abbremsenden Strömungen des Strömungsmittels, das in einer bestimmten Orientierung wirbelt, bewirken eine Aufspaltung der Glimmerpartikel vorwiegend von der Aussenseite der Partikel nach innen, bis die ursprünglichen Partikel bis zu dem gewünschten Grad aufgespalten sind.
Bei bestimmten Glimmersorten und je nach dem Verwendungszweck kann das Verfahren in einer einzigen Kammer durchgeführt werden, während in anderen Fällen die Aufspaltung in mehreren gleichen oder verschiedenen Aufspaltungskammern durchgeführt wird, z.B. zuerst bei der Umgebungstemperatur in einem flüssigen Mittel und danach bei einer höheren Temperatur in einem gasförmigen Strömungsmittel. Das Verfahren kann natürlich auch abgeändert werden, so dass z.B. die Glimmerstücke vor dem Eintragen in die Einrichtung erhitzt oder thermisch behandelt werden, vorzugsweise in einem inerten oder Schutzgas, wie Argon oder Wasserstoff.
Wenn die Glimmerflocken ihre vorherbestimmten geometrischen Abmessungen und damit eine aktive, d. h. adsorbierende Oberfläche erreichen, so werden die Flocken sofort abgeschieden und zur nächsten Verfahrensstufe befördert. In einigen Fällen können Bindemittel oder andere Stoffe zugesetzt werden, wie organische oder anorganische Fasern, Plättchen und dergleichen, um die Glimmerflocken im Produkt gleichmässig zu verteilen.
Die endgültige Grösse der Flocken kann als höchstzulässige Abmessung oder Durchmesser oder besser noch als zulässiger Partikelgrössenbereich ausgedrückt werden, z.B.
10-30 Mikron, oder 0,1-1 Mikron usw. Mit Hilfe des erfindungsgemässen Verfahrens können die Partikel in allen Spaltungsebenen aufgespalten werden, es können Partikel mit dem höchsten Feinheitsgrad erzeugt werden, und ferner können bei dem Verfahren die Wirkungen der hohen Geschwindigkeit des Aufspaltungsmediums (100 Meter pro Sekunde und mehr), hochfrequenter Wellen (20 kHz und mehr) ausgenutzt werden sowie die Beschleunigung und Abbremsung der Partikel mit den hiermit verbundenen Kavitationen. Das Verfahren wird noch wirksamer, wenn das Aufspaltungsmittel in die Reaktionskammer intermittierend eintritt und daher Pulsationen erzeugt.
Die in den Fig. 12-15 dargestellte Einrichtung ist mit Vorrichtungen ausgestattet, die die genannten Effekte erzeugen, so dass durch Bestimmen der betreffenden Veränderlichen, z.B. durch Erhöhen der Geschwindigkeit des Aufspaltungsmittels, durch Vermehrung der Düsen usw., Pigmente, Füllstoffe oder Agglomerationsmittel in verschiedenen Grössen und mit verschiedenen Verhältnissen Partikellänge: Dicke hergestellt werden können.
Stufe C - Zubereitung einer Suspension
Aus den aktive Flächen aufweisenden Glimmerpartikeln wird in dem bereits vorliegenden oder in einem anderen Schutzmedium eine Suspension hergestellt oder aufrechterhalten. Je nach den Erfordernissen der späteren Verwendung können verschiedene Kombinationen von gasförmigen oder flüssigen Aufspaltungsmitteln verwendet werden. Es können fortlaufend Zwischenprodukte erzeugt werden, und je nach den Anforderungen der nächsten Verfahrensstufe kann die Suspension konzentriert oder nur abgeändert werden. Die Aufrechterhaltung einer Suspension dieser Partikel wird am besten mit der Strömung des genannten Mediums bewirkt und nur durch mechanische Mittel, wobei es in einigen Fällen von Nutzen sein kann, zusätzlich die Wirkung eines elektrischen Feldes auszunutzen.
Die Suspension der Partikel mit der geeigneten Konzentration kann dann fortlaufend oder schubweise einer Agglomerationsstufe zugeführt werden oder direkt einer anderen Schlussbehandlungsstufe, wie später noch beschrieben wird.
Stufe D - die Agglomeration
In der nächsten Verfahrensstufe kann eine orientierte Agglomeration der Partikel aus der genannten gasförmigen oder flüssigen Suspension in einem Schutzmedium erfolgen, wobei verschiedene Arten von Produkten entweder direkt durch Agglomeration dieser Suspension erzeugt werden können, oder es wird zuerst ein Glimmerpapier hergestellt. Das agglomerierte Produkt kann dann in der Verfahrensstufe E weiterbehandelt werden, oder es können zwei Verfahrensstufen miteinander vereinigt werden.
Stufe E - die Schlussbehandlung
Wie in der Fig. 1 dargestellt, können in dieser Verfahrensstufe aus den in der Verfahrensstufe D erzeugten Agglomeraten Produkte hergestellt werden, und ferner können die in der Verfahrensstufe B erzeugten Füllstoffe, Pigmente und Agglomerationsmittel weiter umgewandelt werden, z. B. durch Vermischen oder Überziehen mit anderen Materialien.
Die in den Fig. 12 und 13 dargestellte Einrichtung weist eine axial symmetrische Aufspaltungskammer in Form eines Zylinders oder vorzugsweise in Form eines umgekehrten Kegelstumpfes 50 mit einem kreisrunden Querschnitt auf. Unvollständig aufgespaltene Glimmerstücke werden in die Aufspaltungszone in Richtung der senkrechten Hauptachse zurückgeleitet und wieder in Umlauf gesetzt. Die soweit beschriebene Einrichtung eignet sich besonders zum Aufspalten von Glimmer in einem flüssigen Medium, wie Wasser oder Äthylalkohol, obwohl ein Betrieb mit einem gasförmigen Medium gleichfalls möglich ist. Die Einrichtung kann entweder bei der Umgebungstemperatur betrieben werden, oder die Betriebstemperatur kann unter den Gefrierpunkt des Wassers abgesenkt werden, wenn ein geeignetes nicht wässriges Medium verwendet wird.
Anderseits kann die Betriebstemperatur auch erhöht werden, z.B. über die Temperatur, bei der der Glimmer gebundenes Wasser freisetzt.
Der Kessel 50 ist mit einem Deckel 51 versehen, der in der Mitte einen Trichter 52 trägt, durch den die aufzuspaltenden Glimmerstücke eingefüllt werden können. Der Trichter 52 setzt sich in einem rohrförmigen Element 53 vorzugs- weise in Form eines sich nach unten erweiternden Kegelstumpfes fort, welches Element mit Abstand von einem Staukörper 54 endet, der an der Seitenwandung des Kessels 50 befestigt ist. Oberhalb einer drehbaren Tragplatte 56 sind kanalbildende Elemente in Form von Schaufeln 55 auf Zapfen 57 verschwenkbar und bewegbar gelagert, welche Zapfen an der Tragplatte 56 befestigt sind. Die gesamte Aufspaltungsanordnung wird von einem Motor 58 gedreht.
Im oberen Teil des Kessels 50 sind die Stauglieder oder Rippen 59 in senkrechter Stellung an der Aussenwandung des Kessels 50 und am rohrförmigen Glied 53 befestigt An der Aussenwandung des Kessels 50 können ferner Vorrichtungen 60 zum Erzeugen von Schall- und Ultraschallschwingungen angebracht werden, die dem Staukörper 54 zugewandt sind. Am unteren Teil des Kessels 50 ist ein Ablauf 61 mit einem Ventil 62 vorgesehen, der zum periodischen Reinigen des Kessels sowie für andere Zwecke benutzt werden kann.
Am oberen Teil des Kessels 50 ist ein Überlauf für das fertige Produkt vorgesehen (63). Am unteren Teil der Wandung des Kessels 50 ist ein den kanalbildenden Elementen 55 zugewandtes Richtungselement in Form eines Ringes 64 angeordnet. Die Elemente 55 können leicht entfernt und durch anders ausgestaltete Glieder und in einer anderen Anzahl ersetzt werden. Die Form und die Güte der arbeitenden senkrechten Flächen 65 und 66 der kanalbildenden Elemente 55 sind so gewählt, dass sie ein elastisches System von Kanälen mit nach aussen schmaler werdenden waagrechteh Querschnitt bilden. Bei der Drehung bilden die Glieder ein System von im wesentlichen senkrecht orientierten flächenartigen Strömungen des Aufspaltungsmediums, die zwischen benachbarten Gliedern radial nach aussen verlaufen.
Es ist möglich, die gegenseitige Beziehung zwischen dem unteren Teil der Wandungen des Einfüllrohres 53, dem Staukörper 54 und den Arbeitsflächen der Glieder 55 dadurch zu beeinflussen, dass diese in bezug aufeinander versetzt werden, wodurch das Strömungsmuster in der Einheit verändert wird. Die einzelnen Bauteile der Einrichtung werden aus den geeigneten Werkstoffen hergestellt, z.B. aus nichtrostendem Stahl oder anderen Metallen, aus Kunststoffen, keramischen Materialien usw. Die Einrichtung kann jede Grösse aufweisen. Es ist z. B.
möglich für Laboratoriumszwecke Einrichtungen mit Aufspaltungskammern zu bauen, die am Boden einen Durchmesser von ungefähr 35 cm und weniger und eine Höhe von z. B. 50 cm aufweisen, während für gewerbliche Zwecke Einrichtungen gebaut werden können, deren Aufspaltungskammern am Boden einen Durchmesser von 1-2 Metern und mehr und eine Höhe von 3-10 Metern und mehr aufweisen.
Im Betrieb werden in den Trichter 52 fortlaufend gereinigte Glimmerstücke jeder Art und Grösse eingefüllt. Durch den Trichter 52 wird ferner die erforderliche Flüssigkeitsmenge eingelassen z. B. gewichtsmässig 500 Teile Flüssigkeit pro ein Teil Glimmer. Der zugeführte Glimmer und das Aufspaltungsmedium werden dann angesaugt durch den Dreheffekt der Elemente 55, und zwar zum Teil vom Speiserohr 53 aus und zum Teil aus dem Raum zwischen der Innenwandung des Richtungselementes 54 und dem unteren Teil des Speiserohres 53. Ungenügend aufgespaltene Partikel werden in die Aufspaltungszone zurückgeführt und wieder in Umlauf gesetzt, bis sie zum gewünschten Feinheitsgrad aufgespalten worden sind.
Die Intensität der Aufspaltung kann bestimmt werden durch die Geschwindigkeit der Drehung der Rotoranordnung 56, der Weite und der Gestalt der Kanäle zwischen benachbarten Elementen 55 und zwischen den Aussenseiten dieser Elemente und dem Aussenring 56, durch die Viskosität des Aufspaltungsmediums usw. Zum Beispiel kann die von der Platte 56 getragene Anordnung mit einer Drehzahl von ungefähr 20 bis 500 U./min und mehr betrieben werden, und die Kontraktionsweite der Kanäle zwischen einzelnen Elementen 55 kann von 50 mm nahe an der Mitte des Kessels bis zu
1 mm und weniger nahe am Rand betragen. Selbstverständlich wird die Arbeitsweise von der Weite der einzelnen elastischen Kanäle beeinflusst, und je schmaler der Ausgang des Kanals ist, desto wirksamer ist die Aufspaltung, wenn die senkrecht orienteirten Glimmerpartikel im Aufspaltungsmedium hindurchgeführt werden.
Diese soweit beschriebene Einrichtung weist den wichtigen Vorzug auf, dass das Glimmerrohmaterial beim Ansaugen zwischen den Aufspaltungselementen 55 entsprechend orientiert wird, und zwar derart, dass die Hauptfläche eines jeden Glimmerstückes im wesentlichen parallel zur Richtung der Strömung des Mediums durch die genannten Kanäle und zu den laminaren Flächen der resultierenden Strömungen verläuft. Die Glimmerstücke behalten diese Orientierung im wesentlichen bei während des gesamten Aufspaltungsvorganges zwischen den Elementen 55, nach dem tangentialen Abführen aus den Kanälen, beim Lauf längs des Richtungsringes 64 und bei der Aufwärtsbewegung in den oberen Teil des Kessels, selbst wenn die Vibratoren 60 in Betrieb sind.
Diese Orientierung herrscht vor sowohl bei den neu eingetragenen Glimmerstücken als auch bei den wieder in Umlauf gesetzten Glimmerstücken.
Die Aufspaltungselemente 55 bilden im Verlauf des Verfahrens eine nachgebend elastische Anordnung mit höchst wirksamen Arbeitsflächen, die sich selbst reinigen und daher nicht als Hindernis wirken können. Die Wirkung der Anordnung kann leicht dadurch verändert werden, dass der Durchmesser und/oder die Höhe der Elemente vergrössert wird, dass deren Fläche vergrössert wird (wie bei 65a und 66a dargestellt) und dass die Anzahl der Elemente vergrössert wird.
Die gesamte wirksame Arbeitsfläche kann auch durch Vergrössern der Fläche der Richtungselemente 54 und 64 vergrössert werden.
Die Wirkung der Aufspaltung beruht in der Hauptsache auf dem Effekt der hochgeschwinden und laminaren Strömungen des Strömungsmittels, die im wesentlichen parallel zu den Hauptflächen der orientierten Glimmerpartikeln wirken.
Bei diesem Verfahren erhöht sich die Geschwindigkeit der Strömung in der Zentrifugalrichtung, während die Weite der Kanäle und damit die laminaren Strömungen in der Richtung radial nach aussen kleiner werden. Im Betrieb werden die einzelnen Kanäle schmaler oder weiter je nach der Dicke der hindurchwandernden Glimmerstücke.
Bei der bei 65a und 66a dargestellten Ausführung der Aufspaltungselemente werden zusätzlich gewisse Verzögerungskammern geschaffen, und es wird die Anzahl der schmalsten Kanäle oder Durchlässe erhöht, durch die der Glimmer im Verlauf des Verfahrens hindurchbefördert wird.
Hierbei wird eine pulsierende Strömung erzeugt und die Aufspaltung weiterhin gefördert.
Die Geschwindigkeit der Strömung ändert sich entsprechend dem Kanalquerschnitt und ist daher im Mittelteil des Kessels am niedrigsten und in den am Umfang gelegenen Teilen am höchsten. Das Glimmer wird daher aufgespalten als Folge der Einwirkung einer raschen laminaren Strömung und der Änderungen, deren Geschwindigkeit, d. h. der Beschleunigung und Abbremsung, sowie als Folge der raschen Erhöhung der Geschwindigkeit der Strömung in der Richtung radial nach aussen und der resultierenden Kavitation und Vibration oder Pulsation längs der sinusförmigen Flächen 65a und 66a.
Wenn diese Effekte nicht ausreichen, um in einem besonderen Falle den gewünschten Grad der Aufspaltung zu erreichen, so kann die Wirkung der Aufspaltung noch durch die Verwendung der Vorrichtungen 60 verstärkt werden, die Schall- oder Ultraschallschwingungen im Bereich von 10 kHz bis zu 1 MHz erzeugen können.
Wenn die aufgespaltenen Partikel die gewünschte Grösse erreicht haben, so werden sie beständig abgeschieden, nach oben geschwemmt und mit der durch den Abfluss 63 überfliessenden Flüssigkeit entfernt und weiterbefördert. Die Hauptveränderliche, die den Umlauf und den Wiederumlauf der Partikel in der Aufspaltungskammer beeinflusst, ist die Drehzahl der Anordnung im unteren Teil des Kessels; jedoch kann auch die Geschwindigkeit der Flüssigkeitszirkulation durch die Einheit so bestimmt werden, dass die in einem bestimmten Grössenbereich liegenden Partikel aus der Einheit ausgeschwemmt werden.
Anstelle die aufgespaltenen Partikel in einer überfliessenden Flüssigkeitsströmung zu entfernen, wie in der Fig. 12 dargestellt, kann das Abführen der Partikel bei einer sehr geringen Flüssigkeitsmenge unter Benutzung der in den Fig. 14 oder 15 dargestellten Anordnungen erfolgen. Wie aus der Fig. 14 zu ersehen ist, bleibt das flüssige Medium fast vollständig in der Aufspaltungskammer 50 zurück, wobei am Überlauf 63 zwei auf Abstand stehende Elektroden 151 und 152 angeordnet sind, so dass die aufgespaltenen Partikel nahe an der Oberfläche der Flüssigkeit aufgeladen werden, aus der Flüssigkeit herausspringen und von der anderen Elektrode angezogen werden, von der die Partikel schliesslich entfernt werden.
In eine solche Anlage kann ein inertes Gas, wie Argon oder Neon, eingelassen werden, um einen Zerfall der Produktpartikel als Folge eines Kontaktes mit Luft oder Sauerstoff zu vermeiden. Durch Anordnen einer Reihe von Sammelbehältern unterhalb der beiden auf Abstand stehenden Elektroden können die die Aufspaltungseinrichtung verlassenden Glimmerpartikel zugleich dem Gewicht nach in verschiedene Fraktionen sortiert werden, wobei die schwersten Partikel zuerst herausfallen, während die feineren Partikel an Stellen herunterfallen, die vom Ausfluss mehr oder weniger weit entfernt gelegen sind.
Bei der in der Fig. 15 dargestellten Anordnung ist im oberen Teil der Aufspaltungseinrichtung ein bewegbares Band angeordnet, und es wird ein elektrisches Feld erzeugt, das eine Aufladung der Produktpartikel nahe an der Oberfläche des flüssigen Mediums in der Kammer 50 bewirkt mit der Folge, dass die Partikel durch Elektrophorese zu dem entgegengesetzt aufgeladenen und sich bewegenden Band befördert werden, an dem die Partikel haften bleiben, bis sie vom Band abgestrichen und gesammelt werden.
Beispiel 1
In den Trichter 52 der in der Fig. 12 dargestellten Einrichtung werden gereinigte Muskovitstücke mit einem Durchmesser von 3 bis 100 mm eingefüllt. Zugleich wird eine Menge von 800 Teilen reines Wasser pro ein Teil Glimmer eingefüllt, wobei das Gemisch zwischen die Drehelemente am unteren Teil der Aufspaltungseinrichtung befördert und der Glimmer in kleine Partikel unter der Einwirkung der Wasserströmung und der von den Vorrichtungen 60 erzeugten hochfrequenten Schwingungen von 100 kHz aufgespalten wird. Der Rotor wird mit einer Drehzahl von 100 U./min angetrieben. Erreicht ein Partikel eine spezifische Oberfläche von 5 m2/g, so wird es sofort im Wasser nach oben geschwemmt und abgeschieden, während die gröberen Partikel sich in der Wasserströmung absetzen und nach unten zu den sich drehenden Elementen zurückkehren, wobei eine weitere Aufspaltung erfolgt.
Die resultierende Suspension aus Glimmerflocken mit der geeigneten Grösse fliesst in ein in der Fig. 12 nicht dargestelltes Sammelgefäss und wird nach Herstellung der ordnungsgemässen Konzentration der Feststoffe in die Kammer einer Papiererzeugungsmaschine eingetragen und zu Papier verarbeitet.
Beispiel 2
In eine Einrichtung nach den Fig. 12, 13 und 14 werden fortlaufend gereinigte Stücke aus Phlogopitglimmer eingetragen und unter der Einwirkung der laminaren Strömungen des flüssigen Mediums und der von den Vibratoren 60 erzeugten Ultraschallwellen in dünne Partikel aufgespalten. Die aufgespaltenen Partikel werden von dem zwischen den Elektroden 151 und 152 erzeugten elektrischen Feld sofort ausgeschieden. Das Aufspaltungsmedium besteht in diesem Falle aus wasserfreiem Äthylalkohol. Die Glimmerpartikel mit einer spezifischen Oberfläche von 5 m2/g und mehr werden unter der Einwirkung des elektrischen Feldes beständig ausgeschieden und weiterhin in drei Fraktionen a, b und c unterteilt, wie in der Fig. 14 dargestellt.
Die aus den feinsten Partikeln mit einer spezifischen Oberfläche von ungefähr 10 m2/g bestehende Fraktion c wird als eine 0,5 %ige Suspension in Alkohol weiterbehandelt und in eine Glimmerfolie mit einer Dicke von 12,5 Mikron umgewandelt.
Die Fraktion b, die Partikel mit einer spezifischen Oberfläche von ungefähr 7 m2/g enthält, wird in ein Glimmerpapier mit einer Dicke von ungefähr 15 Mikron umgewandelt.
Die Fraktion a, die die gröbste ist und Partikel mit einer spezifischen Oberfläche von ungefähr 5 m2/g enthält, wird als Pigment verwendet.
Die beschriebenen neuen Glimmerprodukte weisen wesentlich bessere mechanische, elektrische und andere physikalische Eigenschaften auf als die bisher zur Verfügung stehenden ähnlichen Glimmerprodukte, so dass mit den neuen Glimmerprodukten auch neue Verwendungsmöglichkeiten erschlossen werden können. Die aus dem neuen Material, d. h.
aus den ultrafeinen Glimmerflocken hergestellten Erzeugnisse weisen besondere Vorzüge auf. Wegen der ausserordentlich geringen Dicke der neuen Glimmerflocken können nunmehr selbsttragende und zusammenhängende Glimmerfolien, Glimmerbeläge und Laminate mit einer Dicke von nur einigen Mikron hergestellt werden.
Die wichtigsten Teile der Einrichtung nach der Erfindung weisen eine grosse Kapazität und verhältnismässig kleine Abmessungen auf, so dass mit einer gegebenen Anlage eine zehnfache Ausbeute als bisher erzielt werden kann. Ausserdem ist das Aufspaltungsverfahren nach der Erfindung insoform aussergewöhnlich vorteilhaft, als zugleich verschiedene Arten von Glimmer, wie Muskovit und Phlogopit, verwendet werden können sowie sehr unterschiedlich grosse Glimmerpartikel. Ferner können mit dem erfindungsgemässen Verfahren im wesentlichen 100% des Rohmaterials in die gewünschten Produkte umgewandelt werden.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist ausserordentlich abwandlungsfähig und ermöglicht die Verwendung verschiedener Arten von Aufspaltungseinrichtungen, die den gewünschten Produkten entsprechend hintereinander oder parallel angeordnet werden können. Mit der Einrichtung nach der Erfindung kann z.B. Glimmerpapier fortlaufend in Mengen von mehreren hundert Metern in der Minute hergestellt werden, während mit den älteren Verfahren höchstens einige Meter Glimmerpapier pro Minute hergestellt werden können.
Es wird noch darauf hingewiesen, dass in der vorstehenden Beschreibung, sofern nichts anderes angegeben ist, alle Prozentsätze und Anteile sich auf das Gewicht beziehen. An den beschriebenen Ausführungsbeispielen für die Erfindung können von Sachkundigen im Rahmen des Erfindungsgedankens Änderungen, Abwandlungen und Ersetzungen vorgenommen werden. Die Erfindung selbst wird daher nur durch die beiliegenden Patentansprüche abgegrenzt.
PATENTANSPRUCH 1
Verfahren zum Zerkleinern eines kristallinen laminaren Feststoffes in ultradünne Schuppen, dadurch gekennzeichnet, dass a) ein flüssiges Medium durch Öffnungen am unteren Teil einer im wesentlichen kreisrunden Zerkleinerungszone hindurchgetrieben wird, welche Öffnungen senkrecht zur Höhe der Zone verlaufen, wobei die durch die Öffnung hindurchgetriebene Flüssigkeit eine Wirbelströmung bildet, deren Orientierung sich der kreisrunden Bahn der Zerkleinerungszone anpasst, dass b) die groben Stücke des Feststoffes in die Wirbelströmung eingetragen werden, wobei die Stücke hauptsächlich in Ebenen aufgespalten werden, die den beiden Hauptachsen des Kristallgitters des Feststoffes entsprechen,
dass c) die erhaltene flüssige Suspension mit dem zerkleinerten Feststoff vom unteren Teil aus an der Wandung entlang nach oben in einen oberen Teil in Umlauf gesetzt wird, dass d) die nicht genügend zerkleinerten Feststoffpartikel aus der nach oben strömenden Suspension zurück in den unteren Teil wieder in Umlauf gesetzt werden, so dass sie in der Wirbelströmung weiter zerkleinert werden, und dass e) die die geforderte Feinheit aufweisenden Feststoffpartikel aus dem oberen Teil der Zerkleinerungszone entfernt werden.
UNTERANSPRÜCHE
1. Verfahren gemäss Patentanspruch I zum Aufspalten von Glimmer in ultra-dünne ebene Schuppen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Suspension der groben Glimmerstücke in einer Flüssigkeit zum unteren Teil einer sich nach oben erstreckenden und einen im wesentlichen kreisrunden Querschnitt aufweisenden Zerkleinerungszone eingeführt wird, dass das Gemisch nahe am unteren Teil der Zerkleinerungszone in zentrifugaler Richtung durch enge Kanäle getrieben wird, die im wesentlichen senkrechte Wandungen und eine sich nachgebend verändernde Weite aufweisen, so dass das Gemisch beim Durchströmen der Kanäle stärker gedrosselt wird, dass das Gemisch in der Zerkleinerungszone nach oben in Umlauf gesetzt wird, so dass die die gewünschte Feinheit aufweisenden Glimmerpartikel zum oberen Teil der zerkleinerungszone aufsteigen und aus dieser entfernt werden,
während die nicht genügend feinen Partikel zum Mittelteil
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