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Verfahren zur Herstellung von Leichtsteinen oder Isoliermassen mit
chemischer Bindung Für die Herstellung von feuerfesten Leichtsteinen, also porösen,
keramischen Produkten, sind Ausbrenn-, Lösungs-, Sublimations-, Verdampfungs-, Quellungs-
und Schaumverfahren bekannt. Auf Grund vorliegender Erfahrungen stellen die klassische
Ausbrennmethode und das moderne Schaumverfahren die zweckmäßigsten Arbeitsmethoden
dar, während man das Lösungs-, Sublimations- und Verdampfungsverfahren als überholt
ansieht, das Quellungsverfahren als nur wenig wirksam und das Gastreibeverfahren
als ziemlich schwierig durchführbar hält. Beim Ausbrennverfahren hat man Braunkohle,
Steinkohle, Torf, Haare, Lumpen usw., auch vorbehandelten Koks oder wässerige Lösungen
von Torf und verseiftem Harz oder Pech und schließlich auch Petrolkoks als Ausbrennstoffe
genommen.
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Die Schaumverfahren wenden Kondensationsprodukte als Porenbildner
an, z. B. Fettalkohol, Fettalkoholsulfate, Alkylsulfonate, Alkylacrylsulfonate
USW.
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Mit diesen bekannten Verfahren hat man Leichtsteine mit Porositäten
von bis 44 bzw. 67 °/o bei Raumgewichten von 0,6 bis 1,40 kg/dms und Kaltdruckfestigkeiten
von 15 bis 75 kg/cm2 als Bestwerte erzielt, wobei sich die unteren Werte auf Schaumverfahren
und die oberen Werte auf Ausbrennverfahren mit Petrolkos beziehen. Aus diesen Werten
ist jedoch ersichtlich, daß sie keineswegs als besonders günstig anzusprechen sind.
Sie erklären auch die Tatsache, daß die Technik von diesem bekannten Verfahren nur
einen beschränkten Gebrauch gemacht hat.
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Die vorliegende Erfindung betrifft demgegenüber ein Verfahren zur
Herstellung von Leichtsteinen und Isoliermassen mit chemischer Bindung für den Einsatz
bei Temperaturen oberhalb 300° C, bestehend aus geblähtem Polystyrol als Porenträger,
Bindemittel und gegebenenfalls Füllstoff.
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Die Lösung der Erfindung besteht darin, daß das geblähte Polystyrol
als Ausdampfstoff und Porenträger in einer Körnung zwischen 0,1 bis 0,3 mm, einer
Toleranz von ± 0,2 mm und einem Raumgewicht von 0,04 bis 0,015 kg/dma verwendet
wird mit der Maßgabe, daß das geblähte Polystyrol bei einer späteren Verarbeitung
volumenbeständig bleibt und deshalb vor seiner Weiterverwendung etwa 8 bis 14 Tage
zur Alterung gelagert ist, die Kornverteilung des Gemisches von Polystyrol, Bindemittel
und gegebenenfalls Füllstoff nach den Gesetzen der dichtesten Packung in der Weise
gewählt ist, daß die Stege zwischen den Polystyrolkörnern eine Dicke von 5 bis 200
[, aufweisen und daß die so hergestellten Formlinge auf Temperaturen von 200 bis
300° C erhitzt werden. Es werden somit keine Ausbrenne temperaturen, sondern lediglich
Verdampfungstemperaturen für den Porenträger, das geblähte Polystyrol, angewendet.
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Einem weiteren Merkmal zufolge werden für das zugesetzte Bindemittel
Zement, feuerfester Zement, Wasserglas, kaustischer Magnesit oder Sintermagnesit
in Verbindung mit Wasser und/oder Magnesiumsulfat bzw. Natriumsulfat oder wässeriger
Sulfitablauge oder deren Kombinationen verwendet. Als Füllstoff werden nach der
Erfindung Leichtschamotte mit einem Volumgewicht von 0,5 bis 0,8 kg/dms eingesetzt,
daneben auch Quarz oder Schlackensand.
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Derartige Mischungen werden unter Beimischung von geblähtem Polystyrol
zu einer teigigen oder gießförmigen Masse angemacht und Formlinge daraus hergestellt,
sei es durch Pressen oder einfaches Gießen. Nach dem Wirksamwerden der chemischen
Bindung werden die Formlinge einem Wärmeprozel3 unterworfen, der bei etwa 200 bis
300° C eine Verdampfung der zugesetzten Blühstoffe zur Folge hat. Es hinterbleibt
ein poröser Körper mitVolumgewichten von 0,4 bis 0,8 kg/dms und Kaltdruckfestigkeiten
von 50 bis 150 kg/cm2; entsprechend den Volumgewichten von 0,4 bis 0,8 kg/dms ergeben
sich Porositäten von 80 bis 600/0.
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Das Blähen des Polystyrols selbst geschieht nach bekannten Verfahren,
wie Kochen im Wasser, Behandeln mit Dampf oder auch Behandeln mit Warmluft oder
Infrarotstrahlung in einem Wärmekanal. Je nach der angewandten Methode --- in Sonderheit
der Zeit, während der man das Blähen vornimmt --- ergeben sich viele kleine Zellen
in Wabenstruktur beim langsamen Blähen, die um so größer werden, je rascher die
oberen Blühtemperaturen erreicht werden.
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Die einzelnen Porenträger werden nach Korngrößen klassiert. Für die
erfindungsgemäße Weiterverwendung kommt an sich ein Bereich von 0,1 bis 3 nun in
Frage, der wieder in einzelne Bereiche mit
einer Toleranz von ±
0,2 mm unterteilt wird, d. h. es wird z. B. eine Korngröße von 1 mm ausklassiert,
und die einzelnen Korngrößen liegen hierbei zwischen 0,8 und 1,2 mm. Die Klassierang
erfolgt zweckmäßigerweise mit Luftsichtern. Vor der Weiterverwendung, gegebenenfalls
auch schon vor der Klassierung, müssen erfindungsgemäß die Körner eine gewisse Zeit
gelagert werden, damit diese für die Verarbeitung volumenbeständig bleiben, einen
pseudostabilen Zustand erreichen. Die Wände der Porenträger haben eine Dicke von
3 bis 6 lt. Diese Wanddicke muß so bemessen sein, damit sich die Körner bei der
Weiterverarbeitung nicht zusammendrücken lassen.
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Durch die Lagerung wird eine Verfestigung dieser Körner erreicht.
Sie soll erfindungsgemäß bis zu 14 Tagen, vorzugsweise bis zu 8 Tagen betragen.
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Für die eigentliche- Herstellung der Leichtsteine werden nun die Porenträger
mit den chemischen Bindemitteln allein oder mit chemischen Bindemitteln und Zusatzstoffen,
wie oben dargelegt, vermischt. Für die Ermittlung der Korngrößenverteilung innerhalb
des Gemisches Porenträger, Bindemittel und gegebenenfalls Füllstoff gelten die Gesetze
der dichtesten Packung.
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An den engsten Stellen zwischen den Porenträgern sollen noch Stege
von 5 bis 200 1,, vorzugsweise 20 1. und mehr, vorhanden sein. Die Porenträger liegen
also nicht unmittelbar aneinander, sondern dazwischen bestehen Wände aus feinsten
Bindemittelstoffen oder Füllstoffen, die erhalten bleiben, wenn die Porenträger
verdampft sind:- Sie bestimmen die mechanische Festigkeit entscheidend.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist kein Ausbrennverfahren, da die
angewendeten Temperaturen unterhalb des Flammpunktes des verdampfenden Porenbildners
liegen. Es hat gegenüber den bekannten Verfahren den Vorteil, daß die beim Ausbrennen
nicht zu vermeidenden Schwierigkeiten mit dem Nachschwinden und Reißen der Formlinge
vermieden werden, so daß absolut rißfreie und maßhaltige Formkörper resultieren.
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Darüber hinaus vermeidet die niedrige Behandlungstemperatur explosionsartige
Verdampfungserscheinungen, die zur Sprengung und zur Rißbildung führen können. Außerdem
führt die Verwendung des Polystyrols als Porenbildner dazu, daß gewichtsmäßig gesehen
nur ganz geringfügige Mengen verdampft werden müssen.
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Die so hergestellten Leichtsteine können je nach Wahl der Bindemittel
und gegebenenfalls Füllstoffe für Temperaturen über 300 bis zu 1200° C Verwendung
finden. Infolge der Vorausbestimmung in der Zusammensetzung in der Korngrößenverteilung
sowie in der Vorbehandlung des Materials ist ein gezielter Aufbau möglich, so daß
keinerlei Schwierigkeiten eintreten mit der Verteilung von Porenbildnern und Füllstoffen.
Die Methode der Herstellung der Mischung und der Formlinge gestattet ohne Schwierigkeiten
die Fabrikation von sehr komplizierten Formsteinen, weil in diesem Falle mit dem
Gießverfahren gearbeitet werden kann. Des weiteren hat das Polystyrol keine Aschenrückstände.
Die resultierende Temperaturbeständigkeit des Leichtsteines wird also nicht durch
Aschenbestandteile herabgesetzt, wie sie sich ergeben, wenn man beim Ausbrennverfahren
Kohlen, Textilien oder dergleichen brennbare Stoffe anwendet. Die vorgeschlagene
Masse eignet sich zur Herstellung von Formlingen durch Verarbeitung auf entsprechenden
Maschinen.
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Sie kann aber ebenso als Rohmasse an der Einbaustelle verarbeitet
werden, wobei für die Verarbeitung dann jene Gesichtspunkte wichtig sind, wie sie
bei Verwendung von normalem Beton eine Rolle spielen.
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Wird eine solche Isoliermasse Temperaturen ausgesetzt, die über 300°
C liegen, so erfolgt eine nachträgliche Verdampfung des zugefügten Polystyrols,
und zwar in der verfestigten Isoliermasse. Um den so entstehenden Gasen ein Entweichen
aus dieser Isoliermasse zu gestatten, ohne die Festigkeit dieser Masse zu gefährden,
muß dafür gesorgt werden, daß durchgehende Kanäle, wenn auch in geringer Zahl, in
der Isoliermasse enthalten sind. Aus diesem Grunde werden erfindungsgemäß Füllstoffe
angewendet, die den damit versehenen Körpern Gasdurchlässigkeit bis zu einem gewissen
Grade verleihen. Als solche Füllstoffe kommen die aus der Herstellung von Isoliersteinen
bekannten Stoffe, wie Kieselgur, Asbest, Asche von Reisstroh, Vermiculit, Diatomeenerde
u. ä. in Betracht.
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Um denselben Zweck, nämlich die Herstellung einer Verbindung über
den Querschnitt der Isoliermasse mit der Außenhaut zu erreichen, kann auch zusätzlich
Polystyrol in geblähtem oder ungeblähtem Zustand verwendet werden, wobei eine zweckentsprechende
Form, z. B. Faden- oder Röhrchenform, dieses Polystyrols gewählt werden muß.
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Die so hergestellten Steine bzw. Leichtmassen dienen der Herstellung
von Mauerwerk, das isolierend wirkt, so daß sie z. B. zwischen den feuerfesten Steinen
und der Außenwand eingesetzt werden können, um den Wärmeverlust auf ein Minimum
zu reduzieren. Zwischen dem Raumgewicht des sich aus der Mischung und der weiteren
Behandlung ergebenden Leichtsteins und dem zugesetzten Prozentsatz an Porenträger
besteht ein echter Zusammenhang. Die Höhe des Zusatzes an Porenträger, die das Raumgewicht
des fertigen Steines bestimmt, ist nach vier Seiten beeinfiußbar: 1. Durch das Maximalkorn
der Massebestandteile. Berücksichtigung findet hierbei die Korngrößenverteilung,
wie sie in bezug auf die dichteste Packung in der keramischen Industrie durch die
drei Kurven von Litzow, Andreas en und F u 11 e r für verschiedene Maximalkorngrößen
unter Anwendung des Exponenten q von z. B. =1/2 oder 1/a charakterisiert ist. Im
einzelnen braucht auf die Bedeutung und die Folgerungen, die aus diesen Kurven gezogen
werden, nicht näher eingegangen zu werden, es sei lediglich auf Harders-Kienow »Feuerfestkunde«,
S. 81 ff., 1960, Springer-Verlag, Berlin, Göttingen, Heidelberg, verwiesen.
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2. Durch die Veränderung der Wahl des Korngrößenbereiches des Porenträgers.
Beim Zusatz eines großen Porenträgeranteils fällt das Raumgewicht des Leichtsteines
niedriger aus, während bei einem geringeren Porenträgeranteil sich das Raumgewicht
des Steines erhöht. Einen geringeren Anteil an Porenträger bekommt man im Rahmen
der Gesamtkornverteilung nach 1. durch Wahl eines engen Korngrößenbereiches für
den Porenträger, einen größeren Anteil andererseits erhält man durch einen weiten
Korngrößenbereich.
3. Änderung der Wahl der Füllstoffe. Je nachdem,
ob ein poröser oder ein dichter Füllstoff verwendet wird, ist bei einem bestimmten
Raumgewicht des fertigen Leichtsteines ein niedrigerer oder höherer Anteil an Porenträger
notwendig.
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4. Ausblähzustand des Porenträgers, gekennzeichnet durch sein Raumgewicht.
Je nachdem, ob der Ausblähzustand des Porenträgers an der unteren Grenze von 0,004
kg/dm3 oder an der oberen Grenze von 0,015 km/dm3 liegt, wird für ein bestimmtes
Raumgewicht des fertigen Leichtsteines ein niedrigerer Gewichtsprozentsatz an Porenträger
oder ein höherer notwendig sein.
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Das Verfahren sei an einem Beispiel beschrieben: Aus einem Polystyrolpulver
mit einem Korndurchmesser von 0 bis 2,0 mm wurden durch Blähung Porenträger von
0,1 bis 25,0 mm Durchmesser erzeugt. Die Blähung erfolgte in kochendem Wasser bei
einer Temperatur von 100° C. Nach dem Blähen wurden die Porenträger 10 Tage gelagert.
Alsdann erfolgte eine Windsichtung und eine Klassierung in die verschiedenen Kornklassen.
Die Porenträger hatten ein Raumgewicht von 0,015 kg/dm3.
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Auf 3 Volumteile Porenträger kam etwa 1 Volumteil Zement und Schamottemehl,
das sich in 0,60 Volumteile Zement und 0,40 Volumteile Schamottemehl aufteilte.
Das Anmachwasser führte zu einem Feuchtigkeitsgehalt der Masse von 3011/o. Nach
Mischung der Masse in einem Eirichmischer, nach der Verformung und Abbindung wurde
alsdann der Formling getrocknet. Das Polystyrol wurde bei 250° C ausgedampft. Es
ergab sich ein Leichtstein mit einer Porosität von 7511/o und einem Raumgewicht
von 0,75 kg/dm3 und einer Druckfestigkeit von 70 kg/dm2.