DE10252693A1

DE10252693A1 - Verfahren zur Herstellung von plättchenförmigen sowie unregelmäßigen, 3-dimensional oder regelmäßig geformten Glaspartikeln

Info

Publication number: DE10252693A1
Application number: DE2002152693
Authority: DE
Inventors: Harald Dipl.-Ing. Selig
Original assignee: Trovotech GmbH
Current assignee: Trovotech GmbH
Priority date: 2002-11-13
Filing date: 2002-11-13
Publication date: 2004-06-03
Anticipated expiration: 2022-11-14
Also published as: DE10252693B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von plättchenförmigen sowie unregelmäßigen, 3-dimensionalen oder regelmäßig geformten Glaspartikeln, welche aus sich entspannendem unter Druck stehendem geschmolzenen Glas durch Zugabe von Treibmitteln hergestellt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von plättchenförmigen sowie unregelmäßigen, 3-dimensionalen oder regelmäßig geformten Glaspartikeln.

Für diese plättchenförmigen und /oder 3-dimensional, unregelmäßigen oder regelmäßig geformten Glaspartikel ergeben sich eine Vielzahl von unterschiedlichen Einsatzgebieten.

So können diese als Zuschlagstoffe für Kunststoffe oder Kunstharze sowie als Füllstoffe für Farben und Lacke eingesetzt werden.

Auch Einsatzgebiete in der Kosmetik sind bekannt.

Große Mengen werden als feuer- oder flammhemmendes Mittel sowie in der Brandbekämpfung selbst benötigt.

Andere Einsatzgebiete sind in der Filtertechnologie sowie in der Weiterverarbeitung zu Katalysatoren zu finden.

Auch als Zuschlagstoffe für Gummimaterialien, Drucktinten, Papierbeschichtungen, Emaillacken gibt es Einsatzgebiete.

Verfahren zur Herstellung von plättchenförmigen und unregelmäßig geformten Partikeln sind bekannt. So kann man durch Auswalzen der Glasschmelze Plättchen herstellen, deren Dicke zwischen 10-15 μm beträgt. Durch einen anschließenden Mahlprozess können flächige Partikel mit der vorgegebenen Stärke hergestellt werden.

Andere Verfahren zur Herstellung von plättchenförmigen Partikeln beruhen auf dem Beschichten eines Endlosbandes mit flüssigen Precursor.

So ist aus der WO 93/08237 wurde ein Verfahren beschrieben, in dem der Precursor als dünner Film auf ein endloses Band aufgebracht ist.

Der nach Trocknung entstandene Film wird mit Säure behandelt, beschichtet und gewaschen und anschließend vom Trägermedium getrennt.

In der DE 42 15 276 A1 ist ein weiteres Verfahren zur Herstellung von plättchenförmigen Pigmenten mit hohem Deckvermögen unter Verwendung eines Endlosbandes dargestellt. Hierbei werden dem Precursor Metallverbindungen zugegeben, um das Deckvermögen zu erhöhen.

Ein Verfahren zur Herstellung von plättchenförmigen Pigmenten, das aus Siliciumdioxid und einem färbenden Metalloxid besteht, wird in der DE 42 12 119 dargestellt. Die Herstellung erfolgt auf einem endlosen Band, indem eine Wasserglaslösung zusammen mit der wässrigen Lösung einer Metallverbindung als dünner Film auf die glatte Oberfläche des Bandes aufgebracht wird.

Bei allen Verfahren zur Herstellung von plättchenförmigen Partikeln mit Hilfe von unterschiedlichen Precursoren in Verbindung mit einem Endlosband sind Probleme bei dem gleichmäßigen Auftragen der Schichtstärke sowie bei der Stabilisierung des Precursors auf dem Endlosband aufgetreten.

In DE 694 07 397 T2 werden Einsatzgebiete genannt, in dem zerkleinertes Einwegglas als Weißpigment eingesetzt werden kann.

Üblicher Weise wird Titandioxid verwendet, was auch in größeren Mengen als Anstrichstoff sowie bei Papierbeschichtungen benötigt wird.

In EP 0 236 952 B1 wird ein Verfahren zur Herstellung von schuppenartigen Materialien durch Auftragen einer Dispersion auf eine glatte Oberfläche zur Bildung eines filmartigen Überzugs vorgestellt.

In DE 37 28 404 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung von plättchenförmigen Talkum mit hohem Verhältnis von Durchmesser zu Dicke beschrieben. Hier werden die plättchenförmigen Teile durch den besonderen Mahlprozess erzeugt. Mit Hilfe von Nassmahlen und dem anschließenden Klassieren werden diese Partikel hergestellt.

In der EP 0 384 596 und der DE 690 08 003 wird ein Verfahren zur Herstellung von dünnen Flocken aus Siliciumdioxid dargestellt.

Hierbei wird hydratisiertes Alkalisilikat in einen Strom eines erhitzten Gases von ca. 500 °C eingeleitet, wobei sich Hohlperlen mit dünnen Wandstärken bilden. Durch anschließende Zerkleinerung entstehen dünne Flocken aus Siliziumdioxid mit einer Dicke von weniger als 3 μm.

In DE 41 00 604 C1 wird ein Verfahren zur Herstellung von feinstem Glaspulver hoher Reinheit und mittlerer Korngröße von ≤ 10 μm beschrieben. In diesem Verfahren wird eine Rührwerksmühle mit Mahlkörpern aus Glas in Anwesenheit einer Mahlflüssigkeit bis zur gewünschten Korngröße gemahlen. Danach wird der Mahlschlicker gefroren und das Lösungsmittel durch Gefriertrocknung entfernt.

Aufgabe der Erfindung ist es, die bekannten Verfahren dahingehend zu verbessern, dass die benötigten Glaspartikel in ihrer chemischen Zusammensetzung (Struktur, Farbe, Fluoreszenz, Leitfähigkeit etc.) variabel herzustellen sind und die Produktion dieser Partikel wirtschaftlicher durchgeführt werden kann.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch das in den Ansprüchen 1 bis 15 beschriebene Verfahren gelöst und nachfolgend näher erläutert.

Die zur Herstellung der Glaspartikel notwendigen bekannten Grundstoffe oder auch Fertigglas z. B. Kalknatronglas, bleihaltige oder phosphathaltige Gläser, Quarzglas usw. werden vorzugsweise in einem druckdichten Behälter, zum Beispiel einem Autoklaven, geschmolzen.

In die Glasschmelze wird dann ein Treibmittel eingebracht. Dieses Treibmittel kann beispielsweise Wasser, Kohlendioxid, Argon oder anderes sein.

Diese Treibmittel werden unter Druck in die Schmelze eingebracht und liegen dann in Form einer Lösung vor.

Die Vermischung beziehungsweise der Lösungsprozess kann z. B. durch Rühren (Rührkessel) verstärkt werden.

Unabhängig davon, ob die in der Glasschmelze gelösten Treibmittel chemisch oder physikalisch gelöst sind, bildet sich bei einer Druckminderung der flüssigen Glasschmelze ein Schaum. Die Stabilisierung des Schaums ist von der Temperatur bei der Druckminderung abhängig. Dabei ist die Temperaturkurve in Abhängigkeit der Zusammensetzung der Schmelze und des jeweiligen Treibmittels und gegebenenfalls der Zuschlagstoffe zu wählen und exakt einzuhalten, da bei zu hoher Temperatur der Schaum zerfällt und sich bei zu niedriger Temperatur kein Schaum, sondern die gelösten Gase in dem erstarrten Glas enthalten bleiben.

Die Blasengröße sowie die Wandstärke der einzelnen Blasen des Schaums stehen im direkten Zusammenhang mit der eingesetzten Art des Gases (Wasser, Kohlendioxid, Argon usw.), dem vorhandenen Druck im Autoklav, der gelösten Menge des Gases im Verhältnis zur Glasmenge und zur Zusammensetzung des Glases selbst. Gleichzeitig ist die Druckminderung ausschlaggebend für die Beschaffenheit des Schaums.

Eine allmähliche Druckminderung der Schmelze ergibt eine andere Schaumstruktur als eine plötzliche Druckminderung.

Durch den Schäumungsprozess ist es möglich, gezielt offensowie geschlossenporige als auch gemischtporige Schäume herzustellen. Durch vorgegebene Parameter können Wandstärken der einzelnen Blasen von unter 1 μm erreicht werden. Gleichzeitig ändert sich bei unterschiedlichen Parametern die Geometrie des Schaums und der Zwickel zwischen den Blasen.

Mit Hilfe eines anschließenden Mahlprozesses mittels beispielsweise einer Kugelmühle, Perlmühle oder anderen geeigneten Mühlen wird der Schaum zerkleinert.

Die flächigen Partikel werden hierbei durch die einzelnen Wände der Blasen gebildet.

Die Wandstärke der Blasen und somit die Dicke der flächigen Partikel werden, wie schon beschrieben, durch die Prozessbedingungen vorgegeben.

Das Längen- Breiten-Verhältnis der Partikel wird durch den Mahlprozess sowie die Blasengröße bestimmt.

Während die Blasengröße durch die Parameter zur Schaumherstellung z. B. Druck, Temperatur, Art des Gases, Druckminderung etc. beeinflusst wird, wird das Längen-Breiten-Verhältnis der Partikel durch den Mahlprozess bestimmt. Je intensiver dieser Mahlprozess, desto kleiner werden die Teilchen. Dieses gilt sowohl für die flächigen Teilchen, welche aus den Blasenwänden des Schaumes entstehen, als auch für die Zwickel zwischen den einzelnen Blasen.

Die Zerkleinerung kann sowohl durch Nassmahlen als auch in der trockenen Form erfolgen. Ebenfalls ist ein Zerkleinerungsprozess in flüssiger Phase, beispielsweise mittels eines Dissolvers, möglich.

Hierbei wird der zuvor gemahlene Schaum an den Wänden des Dissolvers in flüssiger Phase zerschlagen beziehungsweise die dünnen Wände der Blasen werden in den starken Turbulenzen der Strömung zerrissen.

Die Art der Zerkleinerung ist von dem vorgegebenen Schaum sowie von der benötigten Partikelgröße abhängig.

Die Zwickel zwischen den einzelnen Blasen des Schaums ergeben 3-dimensionale Partikel. Hierbei ist die Geometrie der Teilchen abhängig von den o. g. Parametern bei der Herstellung als auch von der Art der Zerkleinerung.

Es ist auch das Mengenverhältnis der 3-dimensionalen Partikel zu den flächigen Partikeln abhängig von den Parametern der Schaumherstellung sowie der Art der Zerkleinerung.

Die Formen der 3-dimensionmalen Partikel reichen hierbei von rund bis zu Teilchen mit spitzen Ecken. Es ist hierdurch auch möglich, durch Vorgabe der Parameter und dem Mahlprozess den Anteil der Teilchen mit spitzen Ecken (3-dimensional) zu verändern.

Eine anschließende Klassierung der Partikel z. B. durch Sieben, mittels Zyklone, Hydrozyklonen etc. ermöglicht somit eine gezielte Herstellung einer Korngröße entsprechend dem benötigten Einsatzgebiet.

In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung kann vorteilhafterweise ein Extruder zum Einbringen der o. g. Treibmittel verwendet werden. Durch die Extruderschnecke beziehungsweise Extruderschnecken wird der erforderliche Druck der Glasschmelze aufgebaut.

Die Zuführung des Treibmittels, beispielsweise Wasser, Kohlendioxid, Argon usw., erfolgt mittels Düsen in die Schmelze.

Eine Mischwirkung von Glas mit dem Treibmittel erfolgt durch die Drehbewegung der Schnecke beziehungsweise Schnecken bei sehr hohem Druck, wobei gleichzeitig eine Förderung zur Austrittsdüse erfolgt.

Mit einem Extruder können Drücke bis 500 bar und höher erzeugt werden. Bei einer anschließenden Druckminderung erfolgt die Schaumbildung.

Mittels Extruder ist nicht nur eine kontinuierliche Fahrweise, sondern auch eine genaue Einstellung der Parameter (Druck, Temperatur etc.) möglich.

In einer weiteren besonderen Ausgestaltung der Erfindung können durch in der Glasstruktur löslichen Zuschlagstoffe wie z.B. Farboxide wie Cobaltoxid, Chromoxid u. a. sowie Brechmodifizierende Oxide z. B. Bleioxid, Titanoxid und weitere, in Struktur und Eigenschaften veränderte Gläser erzeugt und im Anschluss verschäumt werden, so dass Schäume und daraus hergestellte Partikel mit veränderten, neuen Eigenschaften erhalten werden, die durch spezifische Lichtdurchlässigkeit, Reflektivität, Farbigkeit, Fluoreszenz-eigenschaften oder andere positive Eigenschaften gekennzeichnet sind und somit für neue Einsatzgebiete in Frage kommen.

Die erforderlichen Zuschlagstoffe können dem Extruder kontinuierlich zugeführt, mit dem Glas vermischt und zusammen verschäumt werden.

Eine weiteren Ausgestaltung der Erfindung schlägt vor, daß in den Extruder Stoffe zugegeben werden, die mit dem Glas keine chemische Bindung eingehen, sondern in ihrer Substanz erhalten bleiben und nur im Glas fein verteilt beziehungsweise vermischt werden und auf diese Weise das Glas in seinen Eigenschaften verändern.

So können z. B. Weiß-, Schwarz- oder Buntpigmente sowie auch Leucht- und Fluoreszenzpigmente zugegeben werden. Für eine sehr gute Durchmischung von Glas und den Zusatzstoffen können statt Einschneckenextruder auch Zwei- beziehungsweise Mehrschneckenextruder (Compounder) eingesetzt werden.

In besonderen Fällen kann sowohl eine chemische Veränderung als auch eine physikalische Modifizierung vorliegen.

Dies ist z. B. bei Chromoxid, Eisenoxid usw. der Fall, wobei sich ein Teil bis zur jeweiligen Löslichkeitsgrenze löst und der andere Teil in seiner Charakteristik erhalten bleibt.

In weiteren Fällen können durch Zugabe von z. B. Ferriten oder Magnetit zum Glas dem Schaum beziehungsweise dem Partikeln, vorzugsweise nach einer thermischen Behandlung, eine magnetische Eigenschaften gegeben werden.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die Zugabe der Treibmittel auch durch chemische Reaktion erfolgen.

Das ist dann der Fall, wenn beispielsweise in einem Autoklaven oder einer anderen druckdichten Maschine, zum Beispiel, einem Extruder, das Glas oder dessen Rohstoffe mit dem chemischen Treibmittel, beispielsweise Natriumcarbonat, eingeschmolzen werden.

Bei der Erwärmung spaltet dann das hier genannte Natriumcarbonat das Treibmittel Kohlendioxid ab, was sich letztlich, wie im erfindungsgemäßen Verfahren dargestellt, löst und bei der Druckminderung die Schaumbildung verursacht.

Das verbleibende Natriumoxid wird hierbei in die Glasstruktur als übliche Komponente eingebunden.

Ebenfalls können in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung Treibmittel eingesetzt werden, die die Schaumbildung durch Änderung ihres Aggregatzustandes verursachen. Diese Stoffe liegen in der unter Druck stehenden Glasschmelze in flüssiger beziehungsweise fester Form vor und gehen bei der Druckminderung in den gasförmigen Zustand über.

Die Vermischung dieser Stoffe erfolgt beispielsweise im Extruder oder in einem anderen unter Druck stehenden Behälter (Rührkessel).

Die so hergestellten Glaspartikel können anschließend in bekannter Weise beschichtet werden, um ihre Transparenz, Interferenz usw. zu verbessern.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weisen die hergestellten Partikel, in Abhängigkeit vom Mahlprozess, poröse als auch nichtporöse Strukturen auf.

Durch eine nachträgliche thermische Behandlung des Schaums vor dem Zerkleinern oder der Glaspartikel nach dem Zerkleinern des Schaums beziehungsweise nach dem Klassieren der Partikel lässt sich der Glasschaum beziehungsweise die Glaspartikel zu gesinterten Glas, Glaskeramik oder keramischen Material umwandeln.

Claims

Verfahren zur Herstellung von plättchenförmigen sowie unregelmäßigen, 3-dimensionalen oder regelmäßig geformten Glas-partikeln, dadurch gekennzeichnet, daß unter Druck stehendem geschmolzenen Glas mindestens ein Treibmittel zugegeben wird, anschließend eine Druckminderung durchgeführt und danach der bei der Druckminderung und Entspannung entstehende Schaum zu Glaspartikeln zerkleinert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem unter Druck stehenden geschmolzenen Glas zusätzlich zum Treibmittel Zuschlagstoffe beigegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem unter Druck stehenden geschmolzenen Glas Zuschlagsstoffe zugegeben werden, welche die Eigenschaften des Glases verändern.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem unter Druck stehenden geschmolzenen Glas Stoffe zugegeben werden, die mit dem Glas keine chemische Bindung eingehen, sondern in ihrer Substanz erhalten bleiben, im Glas fein verteilt beziehungsweise gemischt werden und dadurch den Schaum und nach erfolgter Zerkleinerung die Eigenschaften der Partikel bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem unter Druck stehenden geschmolzenen Glas Stoffe zugeführt werden, die sowohl eine chemische Veränderung und/oder eine physikalische Modifizierung des Glases hervorrufen und somit den Schaum und nach erfolgter Zerkleinerung die Eigenschaften der Partikel bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem unter Druck stehenden geschmolzenen Glas Stoffe zugegeben werden, die den Partikeln, vor oder nach einer thermischen Behandlung, magnetische Eigenschaften geben.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem unter Druck stehenden geschmolzenen Glas Stoffe zugeführt werden, die durch chemische Reaktion das Treibmittel freisetzen und dadurch die Schaumbildung verursachen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Treibmittel eingesetzt werden, die bei Druckminderung eine Änderung ihres Aggregatzustandes erfahren und somit die Schaumbildung verursachen.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, das durch eine nachträgliche thermische Behandlung des Schaumes vor dem Zerkleinern oder der Glaspartikel nach dem Zerkleinern des Schaumes beziehungsweise nach dem Klassieren der Partikel Veränderungen des Materials hervorgerufen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Glaspartikel in bekannter Weise beschichtet werden, um ihre Eigenschaften zu verbessern.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das die hergestellten Glaspartikel sowohl poröser als auch nichtporöser Struktur sein können.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Glas in einem Druckkessel verarbeitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Duchführung des Verfahrens ein Extruder verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung des Verfahrens ein Compounder verwendet wird.
Verwendung der nach den Ansprüchen 1 bis 14 hergestellten Partikel dadurch gekennzeichnet, dass diese Partikel als Zusatzstoffe oder Pigmente in Kunststoffen, Lacken und Farben, Kosmetika, Papierbeschichtungen, Drucktinten, Gummimaterialien, Emaillacken, keramischen Materialien etc. eingesetzt werden.