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Verfahren zum Herstellen eines für das Ueberziehen von Papier geeigneten
Tons Die Erfindung betrifft ein Verfahen zum Herstellen eines für das Ueberziehen
von Papier geeigneten Tons, und insbesondere ein Verfahren zum Behandeln von Kaolinton
zwecks Verändern und Verbessern der rheologischen Eigenschaften wässriger Aufschlämmungen
des Tons.
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Im folgenden ßt ein vereinfachtes diagramfförmiges Fließbild einer
typischen Anlage wiedergegeben, in der eine bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsform
des Verfahrens durchgeführt wird:
Der Erfindung liegt die Aufgabenetellung zugrunde, die Viskosität wässriger Tonaufschlämmungen
hohen Gehaltes an Tonfeststoffen zu verringern , sobald die Aufschlämmungen hohen
Schwerwerten unterworfen werden, wie sie zur Zeit auf dem Gebiet des Ueberziehens
von Papier angewandt werden. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgaben stellung
zugrunde, die Dilatanz konzentrierter Tonaufschlämmungen bei hohen Scherwerten zu
verringern. Erfindungegemäß wird ein neuartiges Kaolinton-Produkt hergestellt, das
bei denn Einarbeiten in hohen Konzentrationen in Wasser oder wässrige Klebstoffsyeteme
zu Massen hohen Gehaltes an Tonfeststoffen führt, deren rheologische Eigenschaften
bei hohen Schwerwerten eine ausgeprägte Verbesserung gegenüber den rheologischen
Eigenschaften von Massen darstellen, die den nicht behandelten Ton enthalten.
Eines
der wichtigsten A@endungegebiete von Kaolnton, und Zwar insbesondere einer Tonfraktion
mit einer Teilchengröße von kleiner als 2 Mikron ist der einzige oder Hauptpigmentbestandteil
in einer Ueberzugsfarbe, die auf Papier zwecks Ausbilden einer geeigneten weißen
Oberflächenbeschaffenheit desselben aufgebracht wird. Die Ueberzugsmasse oder Material
besteht im wesentlichen aus Wasser, Klebstoff oder Pigment und Dispergiermittel
(Entflockungsmittel) für das Pigment. Bisher sind die Geechwindigkeiten, mit denen
die einschläigen vorrichtungen die Ueberzugsmassen auf das Rohmaterial auf bringen,
sehr langsam gewesen und es ist eine Ueberzugsmasae mit relativ geringem Feststoffgehalt
von 40 bis 60% ausreichend gewesen. Während sich die Fließeigenschaften von Kaolintonen
mit einer Teilchengröße von kleiner als 2 Mikron von dem einen Bergwerk zu dem anderen
Bergwerk als auch an verschiedenen Stellen in einem Bergwerk verändern, gibt es
ausgedehnte Lagerstätten von Kaolintonen aus den nen ein Material mit einer Teilchengröße
von kleiner als 2 Mikron gewonnen werden kann, dessen Aufschlämmungen die gewünschten
rheologischen Eigenschaften für das Ueberziehen von Papier aufweisen. Zur Zeit werden
jedoch auf dem einschlägigen Gebiet zum Ueberziehen von Papier mit sehr hoher Geschwindigkeit
arbeitende Maschinen angewandt, und um ausreichende Trocknungsgeschwindigkeiten
aufrechtzuerhalten, sind wesentlich stärker kompensierte Ueberzugsmassen erforderlich.
So werden z.B. bei vielen derzeitigen Verfahrensgängen zum Ueberziehen von Papier
Ueberzugsmassen angewandt, die einen gesamten Feststoffgehalt von etwa 60 bis 65%
aufweisen. Unter Anwenden von Kasein oder Latex-Klebstoffen übt das Kaolin einen
erheblichen Einfluß auf die Fließfähigkeit oder das Nichtvorhandensein der Fließ.
fähigkeit der Ueberzugsmasse hohen Festgtoffgehaltes auf, und es maß ein Kaolin"
ausgewählt werden, der nicht zu einer Ueberzugemasse übermäßig hoher Viakoeität
führt. Bei dem Herstellen von Ueberzu gemaseen höhen. Poetstoffgehaltes ist unabhängig
von dem angewandten
Klebstoff die Viskosität der Kaolinaufschlämmungen
hohen Feststoffgehaltes von großer Wichtigkeit für die einschlägige Industrie, Der
Ton muß zunächst in eine sehr konzentrierte entflockte Aufschlämmung (typischer
Weise mit 70 bis 72% Ton-Feststoffen) überführt werden, die im Anschluß hieran mit
einer Klebetoffsuspension verdünnt wird. Um die Lagerungskösten gering zu halten,
sollte der Feststoffgehalt der Aufschlämmung möglichst hoch gehalten werden. Es
muß möglich sein, die konzentrierte Tonaffschlämmung in der Anlage vermittels Pumpen
zu transportieren und darf bei dem Rühren keines übermäßigen Energie aufwanden bedürfen.
Bei Konzentrationen der Ton-Feststoffe von etwa 70% und mehr zeigen viele entflockte
Kaolin-Aufechlämmungen spezielle rheologische Eigenschaften bei hohen Schmierbelastungen,
die in den Pumpen und Mischvorrichtungen in der Ueberzugsanlage angewandt werden,
die Aufschlämmungen bei geringen Scherbelastungen oder Tonaufschlämmungen geringerer
Konzentration bei höhen Scherbelastungen nicht zeigen. So schwanken Aufschlämmungen
hohen Feststoffgehaltes mit einem erheblichen Anteil an Teilehen mit einer Größe
von kleiner als 2 Mikron, wie sie bei dem bergbautechnisch zur Verfügung stehenden
Kaolin erhalten werden, entweder zwischen geringfügig zu viskos oder erheblich zu
viskos, wenn dieselben den hohen Scherbelastungen unterworfen werden, die in den
Pumpen- und Mischvorrichtungen vorliegen, welche bei den derzeitigen Arbeitsgängen
zum Ueberziehen von Papier angewandt werden. Weiterhin zeigt ein hoher Prozentsatz
des Kaoline in den noch zur Verfügung stehenden Lagerstätten ein unzweckmäßiges
Ausmaß an Dilaktanz, wenn die Aufschlämmungen des Tone in konzentrierter Form hohen
Scherbelaetungen unterworfen werden, Die Dilaktanz ist eine Erscheinung, die sich
in einer Zunahme der scheinbaren Viekoeität bei erhöhter Scherbelastung -zeigt,
und Aufschlämmungen mit dieser speziellen Eigenecha Kt lassen sich schwierig oder
überhaupt nicht in der Anlage zum Ueberziehen des Papiere pumpen oder handhaben.
Deshalb können viele zur Verfügung stehende Kaolintone, die einen zweckmäßigen
Weißgrad
besitzen und so fraktioniert werden können, daß man eine entsprechende Freien mit
einer für das üeberziehen von Papier geeig, rieten Teilchengrößenverteilung erhält,
überhaupt nicht zum Herstellen der derzeitigen Ueberzugsmassen angewandt werden.
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Um die Fließeigenschaften von Tonaufschlämmungen bei den hohen Scher
belastungen zu messen, wie sie bei den modernen Bedingungen der Hand habung von
Ueberzugsmassen auftreten, findet in der Industrie die Hagan und Hercules Hi-Shear
Instrumente Anwendung. Werte, wie sie vermittels viskometrischer Methoden unter
Anwenden geringer Scherkräfte erhalten werden, wie z.B. vermittels der Brookfield
und Stormer Instrumente, besitzen praktisch keinerlei Bedeutung und die rheologischen
Eigenschaften der Aufschlämmungen bei hohen Scherbelasturigen können nicht festgestellt
werden. Somit sind alle hier angegebenen Viskositätawerte bei hohen Scherbelastungen
erhalten werden, und zwar handelt es sich um die Viskositäten von Systemen bei Scherbelastungen
von etwa 1500 bis etwa 9000 sec. , wie es vermittels des weiter unten erläuterten
Hagan Viskometers bestimmt wird Eine typische Viskositätsanforderung für einen Kaolin
"normaler Viskosität", das für das Ueberziehen von Papier vorgesehen ist, besagt,
daß eine Tonaufschlämmung mit 71% Feststoffen eine maximale scheinbare Viskosität
von etwa 17 P bei einer Scherbelastung von 1530 sec. -1 aufweist. Ein derartiger
Ton wird jedoch häufig nicht den strengeren Anforderungen der modernene Vorrichtungen
zum Ueberziehen von Papier entsprechen, nach denen eine Tonaufschlämmung mit einem
Feststoffgehalt von 70,5% eine scheinbare Viskosität nicht über etwa 1,7 F bei einer
Scherbelastung von 4820 sec. 1 aufweisen sollte. Diese letztere Angabe entspricht
einem Kaolin "niedriger Viskosität" und läßt sich schwierig erreichen. Englische
Kaoline, die primäre Tone daretellen, entsprechen nicht der Anforderung nach einem
Uelaerzugston "normaler Viekosität" und deren Viskositäten liegen wesentlich über
denjenigen von Tonen "niedriger Viskosität".
Die Reserven an einheimischen
(amerikanischen) Tonen, die der Anforderung nach einem Kaolin niedriger Viskosität
entsprechen, sind im Verschwinden begriffen, und dies stellt eine erhebliche Sorge
der Tonhersteller und der einschlägigen Papierindustrie dar.
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Das Problem Tone hoher Viskosität und Tone hiedriger Viskosität umzuwandeln
oder weiter die Viskosität von Aufschlämmungen niedriger oder normaler viskoser
Tone zu verringern, wird durch die Tatsache kompliziert, da es sur Zeit noch keine
gültige Erklärung für den Grund gibt, warum Veränderungen der Fließeigenschaften
unter hoher Scherbelastungen der Aufschlämmungen verschiedener Kaolintone erfolgen,
und zwar selbst bei Aufschlämmungen von Tonen der gleichen chemischen Analyse, Teilchen
größenvetteilung. Daher gibt es keine annehmbare-Erklärung, warum ein Ton, der an
einer Stelle eines Bergwerkes gewonnen worden ist, in grobe und feine Fraktionen
fraktioniert werden kann, deren jede eine hohe Viskosität aufweist, während ein
Rohton von einer anderen Stelle in dem. gleichen Bergwerk in die gleichen Fraktionen
zerlegt werden kann und die erhaltene Feinfraktion eine hohe Viskosität und die
grobe Fraktion-eine geringe Viskosität aufweisen können.
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Die Erfindung beruht nun auf der Ueberlegung, die auf ausgedehnte
einschlägige Untersuchungen der chemischen Analyse, Teilchengrößenverteilung, Oberfläche
und Röntgenstrahlen-Brechung zurückgeht, daß die Veränderung in den rheologischen
Eigenschaften von wässrigen Aufschlämmungen des Kaolinites hohen Feststoffgehaltes
sich durch die Intrateilchenpolen in dem Kaolinit ergibt, sowie der weiteren
.Ueberlegung, daß diese Poren sich fast stets durch eine Vielzahl an Urlachen ergeben.
Diese Ueberlegungen haben zu der Entwicklung einer neuartigen physikalischen Behandlung
von Kaolinit unter Anwenden von zwei wesentlichen, weiter unten erläuterten, Arbeitsstufen
geführt. Wenn diese Arbeitsstufen in der richtigen Reihenfolge ausgeführt werden,
führen dieselben zu der Umwandlung einer großen Vielzahl an
Kaoliniten
in Kaolinite der gleichen chemischen Zusammensetzung und gewöhnlich gleicher Teilchengrößenverteilwag,
deren Aufechlämmungen hohen Festetoffgehaltes jedoch ausgeprägt niedrigere Viekoeität
bei hoher Scherbelastung als das Auagsngekaolint zusammen mit wesentlich verringerter
Dilaktanz aufweisen.
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Kurz zusammengefaßt, wird erfindungsgemäß ein Gemisch hohen Feststoffgehaltes
aus Kaolinit und Waeser zunächst einerintensiven mechanischen Durcharbeitung z.B.
vermittels eines Verknetens unter Anwenden hoher Energie unterworfen, und der durchgearbeitete
Ton wir( sodann bei erhöhtem Druck einer hydrothermalen Behandlung unte@ orfen.
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Nach einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform liegt der
pH-Wert des Tons während des mechanischen Durcharbeitene bei 3 bis 7 so daß der
Ton in einem ausgeflockten oder halb ausgeflockten Zustand vorliegt, und weiterhin
Wird das Durchkneten in Abwesenheit von Dispergiermitteln für Ton ausgeführt. Bei
den meisten Klebvorrichtung scheint das Vorliegen von Dispergiermitteln für den
Ton (mit Ausnahme von NaOH, das zum Einstellen des pH-Wertes des Tons auf etwa 7
angewandt wird) einen erhöhten Energieaufwand gegenüber demjenigen erfordern, der
notwendig ist, wenn keine Dispergiermittel für den Ton vorliegen.
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Vermittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erhält man eine ungewöhnliche
Viskositäteverringerung bei Beaufsehlagung hoher Seherkräfte, wenn man primäre Kaoline,
wie z.B. englische Kaolintone, verarbeitet. Das erfindungagemäße Verfahren ist ebenfalls
auf die Behandlung roher (nicht fraktionierter) sekundärer Kaolintone oder auf eine
Feinfraktion des Tons anwendbar, die nach einem beliebigen der üblichen Klassierung
sverfahren erhalten worden ist. Grobe Kaolinfraktionen, die normalerweise als vollständig
ungeeignet für mit hoher Geschwindigkeit arbeitende Ueberzugsverfahren für Papier
aufgruzlL deren ungewöhnlich hoher Viskosität und extremer Dilaktanz betrachten
werden,
können ebenfalls in günstiger Weise erfindungsgemäß beeinflugt werden.
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Die erste Arbeitastufe des erfindungsgemäßen Verfahrens, d.h. das
mechanische Durcharbeiten von Feststoffsystemen hohen Tongehaltes,
| häirgezeigt, daß dasselbe nur eine geringe Wirkung auf die
Verringi |
| rung der Viskosität bei hoher Scherbelastung vcnkonzentrierten
Auf- |
| schlämmungen auf außerordentlich feinen feilchengrößenfraktionen
di |
| Kaolinite bedingt, wie sie für das Ueberziehen von Papier angewand' |
| werden, z.B. Fraktionen mit einem durchschnittlichen äquivalenten |
| Kugeldurchmesser von etwa 0,5 bis 0,7 Iäikron. Diese Arbeitsstufe |
| vermittelt jedoch den Aufschlämmungen aus dem Ton feiner Teilchen- |
| größe eine spezielle rheologische Eigensäaft, die man wahrschein- |
| lich am besten als "Vi$kositätselastzität" bezeichnen kann
und siel |
| durch kontinuierlich -oder diskontinuierliche Zickzackepuren
auf eij |
| Hagan-Rheogramm oder einer Belastungskurve zeigt, deren- Koordinatei |
| aus dem Rheogramm berechnet worden sind. Die hydrothermale
Behand- |
| lung einer nicht durchgearbeiteten feinen Tonfraktion führt
gewöhn- |
| lich zu einer recht mäßigen Viskositätsverringerung unter Scherbe- |
| laetung des Tone. Wenn jedoch eine feine Kaolinfraktion zunächst |
| mechanisch in einem ausreäehenden Ausmaß unter Ausbilden eines
miti |
| leren Tonmaterials durchgearbeitet worden ist, das den speziellen |
| jedoch unzweckmäßigen viskoelestischen Effekt zeigt,
und sodann de: |
| durchgearbeitete Ton im Anschluß hieran der hydrothermalen
Behand- |
| lung unterworfen wird, sind die Dilaktanz und die Viskosität
unter |
| hoher Scherbelastung des erhaltenen Tonproduktes wesentlich
keli.ne: |
| als bei dem Ausgangston, und die viskoelaetische Eigenschaft
des |
| Zwischenproduktes, d. h. des mechanisch gearbeiteten Tons,
verschwii |
| det. Somit wirken das Durcharbeiten und die hydrothermale
Behandlw |
| =ynergietisch und bedingen Ergebnisse, die nicht auf der Grundlage |
| einer dieser Behandlung$weisen mit dem feinen Kaolinit zu erreiche; |
| sind. Die Wirkung der kombinierten Behandlung ist insbesondere
bei |
| primären Kaolin-Ueberzugetonen ausgeprägt. |
Andererseits sprechen nicht zerlegte Tone oder eine Tonfraktion
mit einem äquivalenten Kugeldurchmesser von größer als etwa 0,8 Mikron n ormalerweise
etwas günstiger auf das Durcharbeiten als feinere Tone an. Wenn somit ein derartiger
Ton unter Anwenden hoher Energie durchgeknetet wird, wird die Viskosität bei hoher
Scherbelastung des Tone verringert. Der durchgearbeitete Ton kann ebenfalls die
Viskositätselastizität zeigen, wenn derselbe einen merklichen Gehalt an sehr feinen
Tonteilchen aufweist. Diese Verringerung der Viskosität bei hoher Scherbelastung,
wie sie lediglich durch ein 'Durcharbeiten der meisten rohen Tone erzielt wird,
ist jedoch gewöhnlich vollständig unzureichend, selbst wenn auf den Ton eine erhebliche
Arbeit ausgeübt wird. Wenn andererseits der nicht zerlegte Ton der hydrothermalen
Behandlung ohne vorheriges Durcharbeiten unterworfen wird, ergibt sich gewöhnlich
nur eine sehr mäßige Verringerung der Viskosität bei hoher Scherbelastung, und zwar
eine Verringerung, die für die meisten Zwecke unzureichend ist. Wie bei der feineren
Kaolinfraktion wird bei zunächst Durcharbeiten des nicht zerlegten Tone und sodann
Unterwerfen desselben einer Behandlung mit gesättigtem Wasserdampf bei erhöhten
Druck eine Viskositätsvertingerung bei hoher Schebbelastung erhalten, die gwwöhnlich
wesentlich über der Verringerung , die aufgrund der Verhaltensweise des Tone zu
erwartet wäre, der lediglich einer, jedoch nicht beiden, Arbeitsstufen unterworfen
worden ist.
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In dem Fall grober Kaolinfraktionen, die einer Fraktion mit einer
Teilchengröße von 5 Mikron, die gewöhnlich als Abfallprodukt bei dem Fraktionieren
des nicht zerlegten Tons zwecks Gewinnen einer feinen Fraktion als Ueberzugspgiment
für Papier, verworfen wird, kann eine wesentliche Viskositätsverringerung lediglich
durch ein mäßiges Durchkneten erzielt werden. Die in dieser Weise erzielte
Viskoeitäteverringerung
ist jedoch nicht ausreichend, um den Ton als Ueberz ugepigment ftfr
Papier geeignet-zu machen. Während eine
geringe,
wenn überhaupt eine weitere Viskositätsveringerung durch hydrothermale Behandlung
des geringfügig verkneteten Tons erreicht wird, wurde in unerwarteter weise gefunden,
daß dadurch, daß die grobe Kaolinitfraktion einen starken Durchkneten unterworfen
wird, das wesentlich intensiver ist, als es für die meisten Kaolinite ausreichend
ist, der verknetete Kaolinit auf die hydrothermale Behandlung unter Ausbildung eines
Materials anspricht, das die kennzeichnenden Eigenschaften einer "normalen Viskosität?
oder sogar einer "geringen Viskosität" des Kaolins aufweist. Somit stellt das erfindungsgemäße
Verfahren eine vielverspreehende Arbeitsweise zum Umwandeln von Abfallton in ein
wertvolles Pigment für die Ueberzugsindustrie dar.
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Diese Tatsachen zeigen, daß das mechanische Durcharbeiten und die
| hydromthermale Behandlung voneinander abhängen, und
da# durch das |
mechanische Durcharbeiten der Tone, und zwar insbesondere die feinen Kaolinteilehen,
in einen Zustand überführt werden, in dem die hydrothermale Behandlung einen derartigen
Effekt auf den Ton ausübt, der nicht vorliegt, wenn der Ton nicht zuvor mechanisch
durchgearbeitet worden ist.
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Nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform wird der nicht zerlegte
Ton durchgearbeitet und sodann fraktioniert, um so eine grobe Fraktion mit einem
durchschnittlichen äquivalenten Kugeldurchmesser von größer als 2 Mikron und eine
oder mehrere feine Ffaktionen mit einem durchschnittlichen äquivalenten Durchmesser
von l Mikron oder kleiner abzutrennen. Die Feinfraktion wird sodann der hydrothermalen
Behandlung unterworfen, um so einen Ton geringer Viskosität mit einer Teilchengrößenverteilung
zu erhalten, wie sie normalerweise für daa Ueberziehen von Papier angewandt wird.
in vielen Fällen wird in dieser Weise eine hervorragende und unerwartete Zunahme
in der Geeamtausbeute der Feinfraktion erzielt. So ergibt sich z.B. bei einem Rohton,
der normalerweise in etwa 50 Gew. Teile einer groben
Fraktion mit
einem durchschnittlichen äquivalenten Kugeldurchmeseer von etwa 5 Mikron und 50
Gew. Teile einer feinen Fraktion für das Ueberziehen von Papier mit einem durchschnittlichen
äquivalenten Kugeldurchmesser von @@a 0,8 Mikron fraktioniert wird, das es möglich
ist, eine Fraktionierung in 40 Gew. Teile eines Tons mit einer Teilchengröße von
5 Mikron und 60 Teile eines Tons mit einer Teilchengröße von 0,8 Mikron zu erzielen,
nachdem der Rohton verknetet wurde.
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Es wurde gefunden, daß das erfindungegemäße Verfahren zur Behandlung
von Ton zu bemerkenswerten Ergebnissen bei dem Verarbeiten einer Vielzahl an Kaolinittonen
führt. So wird z.B. die scheinbare Viskosität einer Aufschlämmung mit 70% Feststoffen
eines handelsüblichen Georgia Ueberzugstons hoher Viskosität von einem Wert von
höher als 18,7 % bei einer Scherbelastung von 1530 sec. -1 auf l,0 P bei einer Scherbelastung
von 4820 sec,-1 dadurch verrinert, daß der Ton 6 Stunden lang in einem offenen Knetwerk
verknetet und eine verdünnte Aufschlämmung des verkneteten Tons in einem Autoklaven
bei einem gesättigten Dampfdruck von 56 kg/cm 6 Stunden lang behandelt wird. Ein
englischer Ueberzugston mit einer hohen scheinbaren viskosität von 18,7 P (1530
sec.-1) einer Aufechlämmung mit 66,5% Feststoffen wird durch das Verkneten und die
hydrothermale Behandlung in einem derartigen Ausmaß verbessert, daß die scheinbare
Viskosität einer Aufschlämmung von 70% Feststoffen des behandelten Kaolites sich
nur noch auf 1,1 P bei 4820 sec. -1 beläuft. Die Behandlung kann ebenfalls zum Verbessern
einheimischen (amerikanischen) grauen Kaoline angewandt werden, der eine in großen
Mengen vorkommende Form des Kaolinites ist, der häufig eine ungewöhnliche Viskosität
aufweist und als vollständig ungeeignet für das Ueberziehen von Papier erachtet
wird. Die Viekosität grauen Kaoline aus Georgia wird von etwa
596 P bei 4820
sec._ i für eine Aufschlämmung äit 66% Feetetoffen auf
| eine scheinbare Viekoeitä t von nur 1,5 % bei
4820 -i für eine Auf- |
echlämmung mit etwa dem gleichen Festetoffgehalt verringert,
Der
rohe Kaolinton kann in der bergbautechnisch gewonnenen Form als Ausgangsmaerial
für das erfindungsgemäße Verfahren nach dem Zerkleinern angewandt werden. Es kann
ebenfalls eine handelsübliche Tonfraktion zum Ueberziehen von Papier angewandt werden.
Ein Kaolinit, der in einem derartigen Ausmaß erhitzt worden ist, daß das Kristallwaeeer
aus dem Mineralgitter entfernt worden ist, spricht auf das mechanische Durcharbeiten
und die hydrothermale Behandlung in andere Weise als der Kaolinit in seiner natürlichen
hydratisierten Form an, und der dehydratisierte Kaolint erfährt keine Verbesserung
durch die erfindungsgemäße Behandlung. Daher ist kalzinierter Ton als Ausgangs material
nicht für das erfindungsgemäße Verfahren geeignet. Ein über wiegend aus mineralischem
Kaolinit bestehender Ton muß zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrene angewandt
werden. Es wird prak tisch reiner Kaolinit, , der frei von Bentonitton ist, für
die Durch Führung des Verfahrens empfohlen, da das Vorliegen von Bentonit einen
ausgeprägt nachteiligen Effekt auf das Endprodukt ausüben kann. Mit anderen Worten,
geringe Mengen von Verunreinigungen in Form von Glimmermineral, wie sie in englischem
Ton auftreten, scheinen nicht schädlich zu sein. Wie weiter oben ausgeführt, kann
der Auegangston ein nicht zerlegter Ton sein (der gewöhnlich einen durchschnittliche
äquivalenten Kugeldurohmesser von etwa 0,8 bis 2 Mikron aufweist), oder es kann
sich um eine Feinfraktion eines nicht zerlegten Tone handeln, z.B. ein Ton mit einem
durchschnittlichen äquivalenten Kugeldurehmesser von 0,5 bis 0,8 Mikron. Es kann
ebenfalls eine grobe Tonfraktion, wie ein Material mit einem durchschnittlichen
äquivalenten Kugeldurchmesser von 5 Mikron angewandt werden.
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Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrene wird der Ton
in einen Zustand überfuhrt, in dem derselbe in geeigneter Weisse auf des mechanische
Durcharbeiten anspricht, indem der Ton mit Wasser am einen Gehalt an Tonfeststoffen
von etwa 69 bis etwa 80% vermischt wird (d.h. 69 bis 80 Gew. Teile knochentrockener
Ton und 31 bis 20 Gew. Teile Wasser). Kaolinitaufeehlämmungen mit einem Peuchtigkeitegehalt
innerhalb
dieses Bereiches weisen eine für das Verkneten geeignete Konsistenz auf. Ksolinit
mit einem geringeren Wassergehalt sind brüchig und widerstehen der. darauf ausgeübten
Arbeit. Andererseits sind stärker verdünnte Ton-Wassereysteme halbflüssig oder flüssig.
Um auf fließfähige Aufschlämmungen geringen Feststoffgehaltes Arbeit auszuüben,
müssen sehr erhebliche Scherkräfte angewandt werden. Dies führt au einem Vermahlen
oder Z@stören der Teilchen, so maß sich eher eine Erhöhung als eine Verringerung
der Viskosität der Aufschlämmung ergibt. Der optimale Gehalt an Tonfest-Stoffen
des verknetbaren Gemisches wird in Abhängigkeit von dem Vorliegen oder Abwesenheit
von zugesetzten Ausflockungsmitteln oder Entflockungemitteln schwanken und umgekehrt
proprotional zu dem Ausmaß des Ausflockens des Tons schwanken. Der pH-Wert des verknetbaren
Gemisches, das lediglich aus Ton und Wasser besteht, beläuft sich normalerweise
auf 4 bis 5 und kann etwas auf einen prWert von nur etwa 3 verringert werden, indem
eine Mineralsäure, wie Salzsäure, Schwefelsäure oder Phosphorsäure zugesetzt wird,
oder der pH-wert kann auf etwa 7 durch Zusatz eines Alkalihydroxydes, wie Natriumhydroxyd
oder Kaliumhydroxyd erhöht werden. Ein über 7 liegender pH-Wert führt zu einem Erhöhen
des Entflockens des Tons, wodurch Sich eine unzweckmäßige Zunahme der Energie ergibt,
die man auf das System beaufschlagen muß, um das Durcharbeiten zu erzielen. Die
abschließend erhaltene Viskosität des fertigen Tons bei Beaufschlagen hoher Scherkräfte
kann weiterhin dann etwas höher liegen, wenn alle anderen Bedingungen gleich sind,
wenn ein Entflookter Ton entweder bei dem Durcharbeiten oder der hydrothermalen
Behandlung angewandt wird. Es ist daher zu empfehlen, maß in dem zur Beschickung
kommender Ton für das mechanische Durcharbeiten alle Diepergiermittel für den Pon
nicht vorliegen.
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Das Durcharbeiten kann in jeder Ausrüstung ausgeführt werden, die
in der Zage ist, das feuchte Tongemisch durchzukneten. Es können Knetvorrichtungen
mit dner Schnecke. wie aie in der Toninduetrie Anwen-
Jung finden,
hierfür genau so wie Knetvorrichtungen mit Flügeln ange wandt werden. Die Mischausrüstung
kann ansatzweise oder kontinukerlich arbeiten und kann ebenfalls offen oder geechlossen
sein. Geeignete Vorrichtungen abbeiten den Ton dergestalt durch, daß die feuchten
Tonteilchen übereinander geschert werde, indem eine Knetwirkung ausgeübt wird (im
Gegensatz zu einem Vermahlen oder Rütteln).
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Zufriedenstellende Ergebnisse sind in geschlossenen Vonichtungen der
Art erzielt worden, die zwei parallele Wellen aufweisen, welche in entgegengesetzter
Richtung drehbar sind. Jede Welle trägt eine Reihe Nocken, wobei die Nocken so orientiert
sind, daß zwischen den an den verschiedenen Wellen getragenen Nocken ein lichter
Raum von 0,8 mm verbleibt. Der Ton wird vermittels einer Schnecke durch den lichten
Raum zwischen den Nocken transportiert und gegen einen Druck durch eine Oeffnung
stranggepreßt, die eine Abmessung von etwa 0,8 bis 12,7 mm aufweist.
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Die geringste, auf den Ton beaufschlagte Energie wird in Abhängigkeit
von den rheologischen Eigenschaften des Ausgangstone schwanken, und allgemein gesehen,
wird mehr Energie bei hochviskosem Ausgangston als bei einem niederviskosen Ausgangston
erforderlich sein. Die beaufschlagte Energie wird sich auf etwa 10 bis 125 PS/H/t
des verarbeiteten knochentrockenen Tons belaufen. Bei einigen besondere viskosen
Tonen. wie einer groben Fraktion von rohem Ton, wird das Anwenden einer Energie
von 150 bis 175 PS/h/t empfohlen. Bei den meisten Tonen wird eine Energie von 30
bis 75 PS/h/t bezüglich des trockenen Tone ausreichend sein. Während ein zu starkes
Kneten zu einem Produkt des Kaolinitee führen kann, dessen Aufschlämmungen durch
eine übermäßige Thigotropie gekennzeichnet sind, wird dieser Nachteil aufgrund der
.sich anschließenden hydrothermalen Behandlung überwunden, wo alle dem Ton
während des Verknetene vermittelten unzweckmäßigen theologischen Eigenschaften wieder
ausgeräumt werden.-Somit scheinen nur wirtschaftliche Ueberlegungen das Ausmaß des
Verknetens
zu begrenzen. Die Verknetungs zeiten belaufen eich
allgemein auf 0,5 bis 12 Stunden in offenen Knetwerken, während in geechlossenen
Knetwerken eine Verknetungszeit von einigen wenigen Sekunden bis zu einigen wenigen
Minuten ausreichend ist, Der verknetete Ton wird, ohne daß zuvor ein Trocknen erforderlich
ist mit Wasser verdünnt, bevor derselbe der hydrothermalen Behandlung unterworfen
wird. Aufgrund praktischer Ueberlegungen ist es bevorzugt, die hydrothermale Behandlung
mit wäserigen Aufschlämmungen aus verknetetem Tonauezuführen, die ausgeprägt fließfähig
Bind und wesentlich mehr Wasser als bei dem Durcharbeiten enthalten. Optimale Ergebnisse
werden mit der bevorzugten Tonbeschickung (die einen pH-Wert von 3 bis 4 aufweist
und frei von Dispergiermitteln für Ton ist) erhalten, indem der verknetete Ton vor
dem Ausführen der hydrothermalen Behandlung auf einen Festetoffgehalt von etwa 25
bis 33% verdünnt wird. Ein in Gegenwart von Dispergiermitteln für Ton verkneteter
Ton oder ein verkneteter Ton, dem Dispergiermitteln zugesetzt worden Bind (wie während
der hydraulischen klassifizierung des verkneteten Tone zwecke Erzielen einer Feinfraktion)
kann der hydrothermalen Bwhandlung bei Feststoffgehalten bis zu 50 bis 70% unterworfen
werden. Wäbrend der hydrothermalen Behandlung ist das Vorliegen von phosphatischen
Tondispergierungsmitteln, wie Tetranatriumpyrophosphat, unzweckmäßig, wenn die hydrothermale
Behandlung unter Temperatur- und pH-Wertbedingungen ausgeführt wird, bei denen eine
merkliche Hydrolyse der phoephatiechen Tondispergiermkttel eintritt.
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Die Dispergierwirkung dieser Klasse verbindungen wird durch die Hydrolyse
nachteilig beeihflußt, und wenn eine merkliche Hydrölyee ein-
| tritt, wird das hydrothermale gehandelte fionProdukt eira
unzwecltmäßtgt |
| Menge an Aalsen enthalten, wenn mäteÜeÜeht, eine
Kompeneatiob durol |
| Zusatz einer auereiehebden ldenge en bidpe:ügiermittel auezufübrea,
am |
| to den Kaolin in eineu entflookten guttand au halten, |
Die hydrothermale Behandlung wird in einer geeigneten Druekvorriehtung,
wie einem Autoklanen ausgeführt. Die Behandlung kann bei eine Temperatur von etwa
150° bis etwa 290°C und bei einem Druck ausgeführt werden, der wenigstens gleich
dem gesättigten Wasserdampfdrue bei dieser Temperatur ist, so daß wenigstens @@
Teil des wassers im flüssigen Zustand vorliegt, So kann z.B. die hydrothermale Behandl@
unter den autogenen Druck mit gesättigtem Wasserdampf bei einem Druck von etwa 7
bis 70 kg/cm ausgeführt werden, indem die Aufschlämmung des durchgearbeiteten Tons
in einem Autoklanen erhitzt wifd, bis der Autoklan eine Temperatur von etwa 158°
bis 286°@ entsprechend der Sättigungstemperatur bei diesen Drücken erreicht. Ueb@
dem autogenen Druck liegende Drücke können ebenfalls angewandt werden. Des System
kann hydraulisch durch eine geeignete Pumpe oder durch Einführen eines Inertgases
unter Druck gesetzt werden. Es lie @ im Rahmen der Erfindung unter einem ausreichenden
Druck zu arbeiten, bei dem praktisch die Gesamtmenge des Wassers in der flüssigen
Phase während der hydrothermalen Behandlung gehalten wird. Es sind insbeäondere
gute Ergebnisse bei Temperaturen von etwa 227° bis 270°C erhalten wbrden, wobei
der Druck ausreichend ist, um wenigstens einen Teil des Wassers im flüssigen Zustand
zu halten. Die Dauer der hydrothermalen Behandlung beläuft sich auf einige wenige
Sekunden nachdem der Druck erreicht worden ist, bis auf 6 Stunden und mehr, und
wird unter Konstanthalten aller anderen Variablen umgekehrt proportional zu dem
Wasserdampfdruck Schwanken. So kann z.B. ein Arbeiten von nur etwa 1 Sekunde bei
gesättigten Wasserdampfdruck von etwa 28 kg/cm (etwa 229°C) ausreichend sein, wenn
auch das System bei einem derartigen Druck und derartigen Temperaturen mehrere Stunden
lang gehalten werden kann, ohne daß sich ein nachteiliger Effekt ergibt. Andererseits
kann eine Zeitspanne von 1 Stunde bei einem gesättigten Waseerdampfdruck von 14
kg/cm s ( etwa 196°C) oder 6 Stunde bei einem Druck von 7
kg/cm Z (etwa 158°C)
erforderlich sein. Es wurde gefunden,daß bei dem Unterwerfen des mechanisch durchgearbeiteten
Kaolinites
der hydrothermolen Behand lang bei wesentlich über etwa 290°C liegenden Temperaturen
und längeres Durchführen der Behandlung die Fließeigenschaften der Aufeohlämmungen
des verarbeiteten Kaolinites nachteilig beeinflußt werden, Wenn z.B, die hydrothermale
Behandluns, bei einem gesättitten Dampfdruck von 168 kg/om mehfere ßtunden lang
durchgeführt wird, wird gefunden, daß die Viskostität bei hoher Scherbelastung des
in dem Autoklaven nach dem Verneten behandelten Kaolinites nicht besser ist, als
wenn der verknetete Ton ohne eine sich anschließende hydrothermale Behandlung verabeitet
wurde. In der Praxis kann es sieh als schwierig erweisen, die Verweilzeit des durchgearbeiteten
Tone in der für die hydrothermale Behandlung angewandten Ausrüstung auf eine auereichende
kurze Zeitspanne zu begrenzen, um eo ein zufriedenetellendes Arbeiten bei Temperaturen
über 290°C zu erreichen. Das Arbeiten bei einer Temperatur weeentlich unter etwa
150°C bedingt, daß die zum Erzielen der gewünschten Ver-
ringerung der Viskosität
des durchgearbeiteten Tone
erforderliche
Zeitspanne zu lang wird. Es wurde
gefunden, daß die durch eine Behandlang im Autoklaven des durchgearbeiteten Tone
mit gesättigtem Dampf unter einem Druck von 2,05 kg/cm² nach 24 Stunden erhaltenen
Ergebnisse denjenigen unterlegen sind, wie sie bei der Behandlung des gleichen durehgearbetteten
Tons in einem Autoklaven bei einem gesättigten Dampfdruck von 14 kg/am innerhalb
weniger Stunden erzielt werden.
-
Nach dem Ausführen der hydrothermalen Behandlung wird die Tonaufschlämmung
teilweise, @.B. vermittels eines Drehfilters, entwässert, entflockt und sprühgetrocknet.
Es kann jedes der üblichen Tondispergiermittel (Entflockungemittel) für das Eintflocken
der Aufschlämmung angewandt werden. Beispiele hierfür sind Natriumhexamethaphosphat,
Tetranatriumpyrophosphat und Natriumtetranatriumphosphat. Das erhal-
tene
Produkt ist als Ueberzugemasse nach dem Zusatzmvon Klebmitteln,
wie
Stärke, Latex und Casein geeignet.
Die Erfindung
wird im folgenden beispielsweiee erläutert, wobei alle Viskositätsmeseungen, falle
nicht anderweitig vermakt, mit einem Hagan Viskometer ausgeführt Bind. Bei dem Ragan
Instrument wird die Drehkraft U/min. Kurre auf einer kreisförmigen graphischen Darstellung
aufgezeichnet. Bei dieser graphichen Darstellung wird die Spindelgeschwin digkeit
als ein Prozentsatz der maximalen Spindelgesohwindigkeit wiedergegeben und durch
Zahlenwerte um den äußeren Umfang der graphischen Darstellung aufgezeichnet. Die
auf der graphischen Darstellung als Prozentsatz der maximalen Drehkraft wiedergegebene
Drehkraft wird radial an der kreisförmigen graphischen Darstellung aufgezeichnet.
Die absoluten Werte der Scherkraft ausgedrückt in seo. werden durch Kultipäizieren
des Prozentsatzes der maximalen Geschwindigkeit mit dem Faktor 108 berechnet. Absolute
Werte der Drehkraft (Seherkraft) in dyn-cm, werden für die mittlere Spindel und
mittlere Drehkraftverbindung durch multiplizieren des Prozentsatzes der maximalen
Drehkraft, wie sie auf dem Hagan Rheogramm aufgezeichnet ist, durch den Faktor 1,25
x 10@ berechnet. Die scheinbare Viskosität ausgedrückt in Posse kann durch Dividieren
der Scherkraft pro Einheitsfläehe durch den Scherwert erhalten werden.
-
die scheinbare Viskosität umgekehrt proportional dem Seherwert bei
einer gegebenen Scherkraft (Drèkraft) ist , wird eine Flüssigkeit der höchsten scheinbaren
Viskosität durch einen Wert der Scherkraftbelastungskurve wiedergegeben, bei der
die maximale Scherkraft bei einem minimalen Scherwert vorliegt.
-
Alle mit dem Hagan Viakometer untersuchten Proben werden in der folgenden
Weise hergestellt, um so das Ausmaß des Entflockens der Tonfeetstoffe
bei Werten zu halten, die angenähert denjenigen Bind, - wie
sie beider
Herstellung ("making
down) von Tonen für
das Ueberziehen
von Papier
angewandt werden. Der Ton wird bei einer Temperatur
von
105.°0 getrocknet
und dem Ton in
der angegebenen Ordnung
die folgendes Lösungen zugesetzt:
destilliertes Wasser, IN Lösung von
NasP.01a in
einer Menge von 0,3% bezogen auf das Trockengewicht
des Tone und IN NaOH unter Einstellen des pH-Wertes auf 7, wie er mit einem PH-Meter
gemessen wird. Die dispergierte Aufschlämmung wird sodann auf einen Feststoffgehalt
von 70 + 0,2% (wenn nicht anderweitig angegeben) vermittels einer Ceneo Moisture
Balance (Feuchtigkeitswaage) durch den Zusatz einer entsprechenden Menge destillierten
Wassers gebracht Die vorbereitete Probe wird sodann in den Becher des Hagan-Instrumentes
gebracht und die Spindel in die Probe eingeführt. Sodann wird das Instrument angestellt
und die das Vorgelege antreibende Handkurbel mit einer Geschwindigkeit von 1 U/min.
betrieben bis entweder 100% Drekraft oder eine Geschwindigkeit von 80% der Skala
(die maximale Geschwindigkeit, die mit dem Hagan Instrument erhalten werden kann)
erreicht ist. Sodann w ird die nach unten verlaufende Kurve des Rheogramms durch
Betätigen der Handkurbel in der gleichen Weise erzielt, wie bei dem Erhalten der
nach oben gerichteten Kurve. Ein kreisförmiges Rheogramm, das die Veränderung der
Drehkraft in Abhängigkeit von dem Scherwert (wie durch die Spindelgeschwindigkeit
ange. zeigt) aufzeichnet, wird automatisch aufgeschrieben. Alle hier angegebenen
Teilchengrößen des Tons stellen die Größe der abschließend vorliegenden Tonteilchen
dar un d werden ausgedrückt in Mikron als äquivalente Kugeldurchmesser (AKD) angegeben.
Die Teilchengröße wird vermittels des Sedimentationeverfahrens (Tappi Standards
T 649 sm-54 bestimmt. Die Werte der Teilchengröße unter 095 Mikron werden durch
eine einfache Abwandlung des Tappi Verfahrene bestimmt, und zwar un-
ter Anwenden
einer langarmigen
Zentrifuge, wie es in der Veröffent-
lichung von
F.H:
Norton und S.Speil
in -J.Am.Caramie Soe.
21, 89,
(1938)
offenbart ist.
Beispiel 1 (a) Die Figur 1 zeigt drei Kurvenzüge
der Scherkraft aufgetragen gegen den Scherwert, Die Koordinaten für jede dieser
Kurven werden durch Umwandeln der Werte der kreisförmigen Hagan Karte auf geradlinige
Koordinaten erhalten. Die erste Kurve, und zwar die Kurve A
| ist ein Rheogramm einer 70%igen Außschlämmung des Ausgangstons,
un@ |
zwar einer handelsüblicgen chemisch gebleichten Tonsorte zum Ueberziehen von Papier,
die im Handel unter der Bezdichnung "HT" bekann, ist. Dieser Ton, der als ein Ton
"normaler Viskosität" bezeichnet wird, ist eine Tonfraktion eines rohen Georgia-Kaolinites
und gesitzt einen durchschnittlichen qäuivalen t en Kugeldurchmesser von
| etwa 1,0 Mikron. Der pH--Wert einer 1%igen Aufschlämmung
dieses Tons |
| in Wasser beläuft sich auf etwa 495, Die Kurire B
gibt ein Rheogrami |
| des ORT" Tons wieddr,nachdem derselbe mit Wasser
in einer offenen |
| Kentvorrichtung 6 Stunden lang verknetet worden ist. Die
Kurve C is |
| das Rheogramm eines Teils des "HT" Tons, der nach 6 stündigem
Verkr. |
| ten mit gesättigtem Dampf unter einem Druck von 28 kg/cm
2 Stundet |
lang im Autoklavan in der erfindungsgemäßen Weise behandelt worden ist.
| Bei dem Herstellen der Probe, deren rheologis che Eigenschaften
d urc |
die Kurve C wiedergegeben werden, wird ein Anteil des verkneteten Tons mit Wasser
auf eine Aufschlämmung mit 33,3% Tongehalt ohne zwischengeordnetes Trocknen verdünnt.
Dem verkneteten Ton wird lediglich Wasser zugesetzt. Die erhaltene Aufschlämmung
liegt aufgrun der Bauren Natur des Tone im ausgeflockten Zustand vor, Die Aufechlämmung
wird der hydrothermalen Behandlung mit gesättigtem Sand in einem 1,1 1 Autoklaven
unterworfen. Die für den gesättigten Wasse dampfdruck erforderliche Temperatur wird
durch elektrisches Erhitzen des Autoklaven erzhlt. Es werden 100 ml destilliertes
Wasser in den Autoklaven eingeführt und sodann ein 400 ml Becherglas aus 36%igem
Quarzglas (Pycor) eingeführt,
das die 33,3%ige Aufschlämmung
des verkneteten
Tons enthält. Der Wasserdampfdruck
wird durch
die
elektrische Heizvorrichtung auf 28 kg/cm² gebracht und der Druck in dem Autoklaven
2 Stunden lang bei 28 kg/cm² gehalten. Der Druck wird sodann durch Abstellen des
Erhitzens auf Normaldruck gebracht. Die in dem Autoklaven behandelte Aufschlämmung
wird bei 105°C getrocknet und pulverisiert.
-
Die Fig. 1 (Kurve A) zeigt, daß eine 70%ige Aufschlämmung des Aue-
a
gangetons
einen Drehkraftwert von etwa 2,5 x 10 dyn-cm bei einem Scherwert von nur etwa 864
sec. -1 aufweist. Nachdem der Tonverknetet worden ist, beläuft sich der Drehwert
auf etwa 2,5 x 10@ dyn-cm bei einem Scherwert von etwa 3240 sec.-i (Probe B). Andererseits
wird bei der Behandlung im Autoklaven des zuvor verkneteten Tons in der erfindungegemäßen
Weise ein etwas geringerer Drehkraftwert als 2,5 x 10a dyn-cm bei einem maximalen
Seherwert von 8640 sec. -1 erreicht. Die Kurven zeigen ebenfalls, daß bei nichtbehandeltem
Ton
a
die Scherkraft von 0 auf 12,5 x 10 dyn-em bei Zunehmen des Scher wertes
von 0 auf etwa 1620 sec. -1 zunimmt. Die Scherkraft bezüglich des Tons, der lediglich
verknetet worden ist, nimmt von einem Wert von 0 bis 6,25 x 10a dyn-em bei Zunahme
des Scherwertes von 0 bis 8640 sec. -1 zu. Wie ausgeführt, beläuft sich die durch
die Aufeehläm mung des erfindungsgemäß behandelten Tons entwickelte maximale Scher
kraft auf weniger als 2,5 x 10a dyn-cm bei 8640 sec. -1. Die Rheogramme nach der
Fig. 1 zeigen somit, daß eine bemerkenswerte Viskositätverringerung der Tonaufschlämmungen
hohen Feststoffgehaltes bei hohen Scherwetten durch die erfindungsgemäße Behandlung
des Kaolintone erreicht werden kann. Das Rheogramm zeigt ebenfalls die Ueberlegenheit
des erfindungsgemäß behandelten Tons gegenüber einem Ton,
der lediglich verknetet
worden ist,
Die Kurve C in
der Fig.
1 zeigt, daß eine
bemerkenewette
Verringe-
rung der Dilatanz
der Aufschlämmung
dadurch erzielt wird, daß der
Ton verknetet
und sodann in einem
Autoklawen
behandelt wird und daß
diese Verringerung der Dilatanz nicht durch
ein einfaches Verkneten
des Ton erreicht
wird. Anhand
der Kurve
A ergibt sich weiterhin,-22-
daß sich die Scherkraft bei
dem Scherwert von etwa 648 sec. -1 auf etwa 1,25 x 10a dyn-cm und die Scherkraft
auf 12,5 x 10a dyn-cm bei 1620 sec. 1 beläuft. Wenn die Tonaufschlämmung Newton'sche
Eigenschaften aufwiese, würde sich die erwartete Scherkraft bei einem Scherwert
von 1620 sec. 1 auf 1,25 x 10a x
oder 3,1 x 10a dyn-cm belaufen, Der gemessene Drehwert von 12,5 x 10a dyn-cm bei
einem Scherwert von 1620 sec. -1 Set etwa viermal so hoch wie ein Wert, der mit
einer Newton'schen Flüssigkeit erreicht worden wäre. Hierdurch wird angezeigt, daß
die 70% Feetstoffe enthaltende Aufschlämmung des Ausgangstone hohe Dilatanz zeigt.
Wenn andererseits die Aufschlämmung des verkneteten Tons (Kurve B) Newton'sche Fließeigenschaften
a aufwiese, würde die Scherkraft von einem Wert von 0,1 X 10 auf einen Wert von
2,0 x 10a dyn-cm bei Zunahme des Scherwertes von 432 sec. -1 auf 8640 sec. -1 erhöht
worden sein. Tatsächlich nimmt der Drehkraftwert von 0,1 x 10a dync-m bei 432 sec.
-1 auf 6,0 x l0@dyncm bei 8640 seo.-1 zu, d.h. etwa das 3 1/2-fache der Zunahme
einer Newton'sehen Flüssigkeit. Somit weist der verknetete Ton immer noch hohe Dilatanz
auf, wenn auch etwas geringere Dilatans als die Aufschlämmung des Ausgangstone.
Die Neigung der Kurve C, die die Flie ßeigenschaften des erfindungsgemäß hergestellten
Tons wiedergibt, zeigt, daß der verknetete und im Autoklaven behandelte Ton nur
geringfügige Dilatanz besitzt, und zwar wesentlich weniger Dilatanz als sowohl die
Aufschlämmung des Ausgangstons als auch die Aufechlämmung des verkneteten Tons.
So nimmt bei der Aufschlämmung des a behandelten Tons die Scherkraft von etwa 0,3
x 10 dync-m bei einem Scherwert von 2160 sec. -1 auf nur etwa 2,2 x 10a dyn-cm bei
einem maximalen Scherwert von 8640 sec. -1 zu, Die Zunahme des Drehkraftwertes auf
2,2 x 10s dyn-cm bei 8640 sec.-1 beläuft sich nur auf etwa das 2-fache der Zunahme,
die eichbeieiner Newton'echen Flüssigkeit ergeben würde, und dies im Vergleich zu
der 3 1/2-fachen Zunehme des verkneteten Tons und einer 4-fachen Zunahme des i.iiugangstone.
(b)
Um restzustellen, ob das Durcharbeiten und die hydrothermale Behandlung des kaolintons
ebenfalls zu einer Verringerung der Viskosität bei geringen Scherkräften der Tonaufschlämmung
hohen Feststoff gehalter führt, werden die Viskoeitäten 70%iger entflockter Aufschlämmungen
jeder der Auegangstone ORT" des verkneteten "HT" und des gensteten sowie im Autoklaven
behandelten "HT" Tone mittels eines Brookfield Viekometers bei 10, 20 und 50 und
100 U/min, ge-
messen und die hierbei erhaltenen Ergebnisse
sind in der
Tabelle
I
wiedergegeben: Alle Tonaufschlämmungen werden mit 0,3 Gew.% Na6P4H1@
entfbekt.
| Tabelle I |
| Fließeigenschaften bei geringer Scherkrafteinwirkung von
Tonauf- |
| $chlämt uns en- |
| Brookfield Viskosität 70%iger entflockter Aufschlämmung eP |
| Scherwert HT Ton HT Ton 6 Std. verkneteter HT Ton |
| verknetet im Autoklaven behandelt |
| bei 28 kK/cme JK2 h |
| 10 U/min. 220 (Nr.2 Spindel)67 (Nr.lSpindel) - (Nr. 1 Spindel) |
| 20 " 154 " " 53 " " 84 " . " |
| 50 " 122 " 53 " " 74 " " |
| 100 " 140 " " 65 " " 72 " " |
Die Zahlenwerte nach der Tabelle I zusammen mit den in der Fig. 1 wiedergegebenen
Ergebnissen zeigen, daß die Verringerung der Viskosi. tät bei hoher Scherbelastung
von Tonaufschlämmungen vermittels Verkneten und Behandeln des Tone im Autoklaven
durch eine Verringerung der Viskosität bei geringen Scherkräften der Tonaufschlämmungen
begleitet wird. Es ist jedoch offensichtlich, daß die Verringerung der Viskositäten
bei geringen Scherkräften, die vermittels des Brookfield Instrumentes gemessen werden,
klein im Vergleich zu der Verringerung der Viskosität bei hohen Seherwarten der
Größenordnung ist, wie sie mit dem Hagan Viskometer gemessen werden, Es ist wichtig
festzuhalten, daß@ie Viakositäten bei geringer Seherbelaetung der Tonaufschlämmung,
die
lediglich verknetet
worden ist, ebrnfalle
wesentlich geringer
als die entsprechenden Viekoeitätewerte
der Aufechlämmung due dem Ausgangston
sind. Dies trifft bezüglich der
| Fließeigenschaften bei Beaufechlagen hoher Kaherkräfte- nicht
zu, |
| (wie vermittels des Hagen IPletrumentes bestimmt), wo die hydrother- |
| male Behandlung den verkneteten Ton eine weitere erhebliche
Viekoei# |
| täteverringerung vermittelt. |
| (c) Die Ueberzugameaen werden mit nicht behandelten HT Ton,
verkne- |
| tetem HT Ton und verknetetem HT Ton hergestellt, der ebenfalls
eine |
| hydrothermale Behandlung erfahren hat. Vermitials jeder der
Ueberzugi |
| massen werden Ueberzüge auf Standard Rohmaterial ausgeführt.
Die |
| Ergebnisse der Untersuchung zeigen eine bleibende Verringerung
der |
| Anforderungen an Klebemittel (Stärke) aufgrund des suegeführten
Ver |
| knetene und der hydrothermalen Behandlung. |
| Beispiel 2 |
| (a) Die Fig. 2 (Kurve A) zeigt das Verhältnis, aufgetragen
der Sehei |
| kraft gegen den Scherwert (vermittels eines Hagen Rheogramme
erhal- |
| ten) einer entflockten Aufschlämmung mit 70% Feetetoffen. einer
Kao- |
| linfraktion mit einem durchschnittlichen äquivalenten Kugeldurchmes- |
| ser der Teilchen von 0,6 Mikron, die durch hydraulische Klassifizie- |
| rung eines gut kristallisierenden Kaolinitee aus Georgia erhalten |
| worden ist. Dieser spezielle Ton wird als ein Ton hoher Viekoeität |
| betrachtet. Die Kurve B in der gleichen Figur gibt das entsprechende |
| Verhältnis einer entflockten Aufschlämmung mit 70% Feststoffen
des |
| gleichen Tone wieder, nachdem eil» 33,3%ige Aufschlämmung des
Tons |
| mit gesättigtem Wasserdampf unter einem Druck von 56 kg/cm
6 Stä, |
| im Autoklaven behandelt, sodann bei 105°C getrocknet und pulveri- |
| siert worden ist. Die Kurve D gibt das angegebene Verhältnis
einer |
| 70%igen altflockten Aufschlämmung der gleichen feinen Größenfraktion |
| wieder, die 12 Std. lang mit 69%igem Feetetoffgehalt ohne Zusatz- |
| mittel in einer offenen Read Knetvorrichtung verknetet und
sodann |
| ohne Trocknen mit Wasser auf 33,3% Fevtetoffgehalt verdünnt
und im |
| An$chluß hieran in einem Autoklaren mit gesättigtem Waeeerdampf
un- |
| ter einem Druck von 56 kg/eme 6 Std. behandelt, bei 105°C getrocknet |
| und pulverisiert worden ist, Für Vergleiche zwe eke wird eine
ent- |
sprechende Kurve einer entflockten Äufschlämmung mit 70% Feststoffgehalt
des verkneteten Tons ohne hydrothermale Behandlung ebenfalls in die Fig. 2 eingezeichnet.
Dieses Rheogramm ist durch "Kurve C" gekennzeichnet.
-
Aus der Kurve A in der Fig. 2 ergibt sich, daß die 70%ige Aufschlämmung
des Ausgangstons hoher Dilatanz und eine Scherkraft von etwa 1295 x 10a dyn-cm bei
einem Scherwert von nur etwa 900 sec.-1 aufweist. Die Kurve B in der Fig. 2 zeigt,
daß die bloße hydrothermale Behandlung des Tone zu einer Erhöhung der Viskoeität
bei hoher Scher belastung des Tone führt und nicht leine Verringerung der Dilatan
z bewirkt. Der Zickzackverlauf in der sich nach oben erstreckenden Kur ve der Kurve
C nach der Fig. 2 gibt die Erscheinung wieder, die wahrscheinlich ein Viskositätselastischer
Effekt ist, der dem Ton durch des Verkneten ohne sich anschließende hydrothermale
Behandlung vermittelt wird. Dieser Effekt (Stärker in der Kurve C der Fig. 2 als
in der Kurve B der Fig, 1 ausgeprägt) scheint durch sich wiederholendes Versagen
der Zugkräfte der Flüssigkeit zwischen dem Becher und der Spindel und sich daran
anschließender Relaktation der Belastung auf der Flüssigkeit verursacht zu werden.
Die Kure C in der Fig. 2. zeigt, daß ein bloßes Verkneten der feinen Tonfraktion
zu einer geringfügigen Viskoeitätsverringerung des Tons führt. Die Kurve D zeigt
je@b eh, daß das Verkneten kombiniert mit der hydrothermalen Behandlung den Ton
mit der normalen Dilatanz und hohen Viskosität in einen Ton sehr geringer Viskosität
und wesentlich verringerter Dilatanz umwandelt, Die Werte der scheinbaren Viskosität
(bei Scherwerten, die denjenige: entsprechen, wie sie für die täpezifizierungen
von Ueberzugetonen angewandt werden) werden aufgrund der Neigungen der Kurven in
der Fig. 2 berechnet,
wobei die folgenden Ergebniege erzielt
werden:
| Tabelle- II |
| Scheinbare Viskosität bei hoher Scherbelaetung der
behandelten Tone |
| T o n p r o b e |
| Verknetungezeit hydrothermale scheinbare Viskosität |
| h Bedingungen Po e |
| keine keine > 18,7 (5130 sec. |
| keile 56 kg/cm8/6 h > 18,7 " -i ) |
| 12 keine 2,1 (4820 eee. |
| 12 5 6 kg/cmz / 6 h 093 " |
(b) Die Teilchengrößenverteilung und die effektive Oberfläche des Ausgangstone,
des verkneteten Tons und des verkneteten
sowie in dem Autoklauen behandelten
Tone werden gemessen, um so die Wirkung des Verknetens oder die Wirkung durch das
kombinierte Verkneten und Behandlung in dem Autoklauen festzustellen. Die hierbei
erzielten Ergebnisae sind in der folgenden Tabelle III zusammengefaßt.
| Tabelle III |
| Teilchengrößenverteilung, durchschnittliche Teilchengröße und
effek- |
| tive Oberfläche der behandelten Feinfraktion hoher Viekoeität
des |
| Kaoline |
| Teilchengröße- unbehan- im Auto-(1) verkne- verknetet 12 h
und |
| Bereich delt klauen tet 12 h im Autoklauen beh. |
| Gew.p beh.Gew.% Gew.% (1) 56 kg/em8i# h #2) |
| #ew# |
| > 4 lu 1 0 -1 2 +l 2 1 0 |
| 3-4 Nu 1 3 +2 4 +3 3 +2 -1 |
| 2-3 A 6 .5 -1 5 -1 4 -2 -1 |
| 1p5-2 U 6 6 0 5 -1 4 -2 - 1 |
| 190-195 ,u 14 13 -1 14 0 17 +3 + 3 |
| 0,8-1,u 10 13 +3 12 2 10 0 -2 |
| 096-098,9 12 15 +3 14 + 2 13 +1 - 1 |
| 094-096 u 21 19 -2 19 _ 2 15 -6 -4 |
| 092-094 ,u 20 20 0 21 +"-=1 24 +4 +3 |
| >092 tu 9 6 -3 4 -5 8 -1 + 4 |
| 5036 feiner |
| als /@ 0,6 0,66 0,68 0,64 |
| Oberflächen- |
| fläche nie/ß(3) 15,1 14,0 17,4 1494 |
| (1) 96 Veränderung gegenüber dem nichtbehandelten |
| (2 g6 Verängerung gegenüber der verkneteten Probe |
| (3) % nach dem B. E. T. Verfahren |
Die Zahlenwerte in der Tabelle III zeigen, daß das Verkneten und die Behandlung
im Autoklauen hierbei jeweils allein durchgeführt, allgemein die gleiche Wirkung
auf die meisten Teilchengrößenbereiche des Tone ausüben. In überraschender Weise
bedingt nun das im Anechluß en
das Verkneten ausgeführte Behandeln
im Autoklauen
auf die meisten
Größenbereiche
eine Wirkung, die
entgegengesetzt derenigen
ist, wie
sie bei Durchführen lediglich
einer dieser Arbeitsstufen erreicht wird. Während somit lediglich das Behandeln
im Autoklaven zu einer Erhöhung des 0,8 - 1 ### Gehaltes b@i 3% und das Verkneten
zu einem Vergrößern des Gehaltes dieser Fraktion um 2% führt, bedingt die im Anschluß
an das Verkneten ausgeführte hydrothermale Behandlung keine Veränderung des 0,8
- 1# Gehaltes des Tons. In ähnlicher Weise führt die Behandlung im Autoklaven und
das Verkneten zu einer Verringerung des Gehaltes der Teilchen mit einer Größe kleiner
als 0,2 ### um 3% bzw 5% während die kombinierten Behandlungen lediglich zu einer
Verringe-
| rung von 1% des Gehltee an Teilchen mit einer Größe
als kleiner als |
0,2 ### führt. Allgemein läßt sich sagen, daß die Teilchengrößen-Verteilung des
verkneteten und im Autoklaven behandelten Tons sich nicht merklich von den jenigen
des Ausgangstons unterscheidet.
-
Die Zahlenwerte der Tabelle III zeigen, daß die Behandlung im Autokla
ven dazu neigt, eine Verringerung der effektiven Oberfläche des Tone zu bewirken,
während das Verkneten zu einer Vergrößerung der effektiven Oberfläche führt. Die
effektive Oberfläche des Tons, der diesen zwei Arbeitsschritten unterworfen wird,
gibt diese Erscheinungen wieder und unterscheidet sich nicht wesentlich von derjenigen
des Ausgangstons.
-
Beispiel 3
In diesem Beispiel wird eine Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert, bei dem ein roher Kaolinit sehr stark verknetet
die Tone fraktioniert und sodann eine wässrige Aufschlämmung einer feinen Fraktion
für das Ueberziehen von Papier des verkneteten Rohproduktes einer Behandlung mit
gesättigtem Wasserdampf bei hohem Druck unterworfen wird.
-
Das Rohprodukt stellt einen nicht gebleichten, sedimentären Georgia-Kahlinton
dar, der aus gut kristallisiertem Kaolinit besteht. Das Rohprodukt wird als ein
Ton "niedriger Viskosität" bewertet, und eine entflockte wäserige Aufschlämmung
des Tons mit 72% Feststoffen zeigt ein Drehkraf tmoment von 12p5 z
108 dyn-cm bei einem Scherwert von
-1 4104 sec.
-
Be werden 1100 g des Rohproduktes mit Wasser unter Erzielen einer
Aufschlämmung mit 73,8% Feststoffen in einer offenen Read Knetvorrichtung 12 Stunden
lang verarbeitet. Während des Yerknetene wei den keine Zusatzmittel zugesetzt.
-
Der verknetete Ton wird mit einem Gehalt von 12,5% Feetetoffen mit
IN NaOH und einer Feinfraktion (durchschnittliehe Teilchengröße 1,1 Mikron AKD)
die in einer Zentrifuge erhalten worden ist , entfloekt. Die Feinfraktion wird mit
Schwefelsäure ausgeflockt, in eine Buchner Trichter gegoeeen und der Rücktand wird
mit Wasäer auf einen Feetstoffgehalt von 33,3% eingestellt. Das im Autoklaven behandelte
Produkt wird auf 8000 Ohm spezifischen Widerstand mit destilliertem Wasser gewaschen.
Die hydrothermale Behandlung wird 6 Stunden lang bei einem Druck von 56 kg/cm² durchgeführt,
Ee werden Hagan Rheogramße für (1) eine entflockte Aufschlämmung des Rohproduktes
mit 72% Tonfeetstoffen, (2) eine entflockte Aufeehlämmung des verkneteten Rohproduktes
mit 72% Feststoffen, und (3 eine antflockte Aufschlämmung der im Autoklaven behandelten
Fraktion mit 70% Feststoffen, die aus dem verkneteten Rohprodukt herausgearbeitet
wörden ist, hergestellt. Es wird ebenfalls ein Rheogramm für die Feinfraktion des
Rohproduktes vor dem Verkneten hergestellt. Ueberraschend erweise wird hierbei gefunden,
daß die nicht behandelte Feinfraktion, die aus dem Rohprodukt geringerViskosität
gewonnen wurde, ein Ton hoher Viskosität ist. Eine 70%ige Aufschlämmung der nicht
behandelten Feinfraktion des Tone weist Dilatanz auf und erreicht 100% Drehkraftwert
bei nur etwa 7% der Spindelekala (entsprechend ein er Seherkraft von 12,5 x 105
d@n-chm bei 756 sec.-1 ). Das intensive Verkneten des Rohproduktes fährt zu einer
Verbeeeerund der rheologiechen Eigenschaften des Tons, obgleich das
Rheogramm des
verkneteten @Rohproduktee eine typische "thixotrope"
Schleife zeigt. Durch Fraktionieren des verkneteten Tons und Unterwerfen der Feinffaktion
des
Tons der Einwirkung des geäättigten Wasserdampfes unter hohem Druck wird jedoch
die Viskosität des Tone in dramatischer Weise bei allen Scherwerten verringert.
Da@ Eheogramm einer 70%bigen entflockten Auf schlämmung des verkneteten, fraktionierten,
hydrothermal behandelten Tons ist frei von der thixotropen Schleife, die in dem
Rheogramm des verkneteten Rohproduk@s vorliegt. Dieses in rechtwinklige Ordinaten
umgewandelte Rheogramm ist praktisch das gleiche wie durch die Kurve C in der Fig.
1 wiedergegeben, und zwar mit der Ausa nehme, daß sich die maximale Scherkraft auf
etwa 2,8 x 10 dyn-cm bei einem Scherwert von 8640 sec.-1 anstelle einer maximalen
Scherkraft von etwa 2,5 a 10@ dyn-cm bei 8640 sec. 1 beläuft. Die scheinbare Viskosität
der Aufschlämmung der im Autoklaven behandelten Frak-1 tion des verkneteten Rohproduktes
wird auf 0,8 P bei 4820 sec.- berechnet und stellt somit eine ausgeprägte Verbesserung
gegenüber jedem d er folgenden Produktedar.: Die Aufsch lämmung des Rohproduktes
die eine scheinbare Viskosität von 8,8 P bei 1530 sec. s aufweist, der Aufschlämmung
des verkneteten Rohproduktes, oder der Aufschlämmung der nicht behandelten Feinfraktion
mit 1,1 Mikron AKD des gleichen Rohproduktes (jedes derselben weist eine scheinbare
Viskosi@ tät von mehr als 18,7 P bei 1530 cm-1 s auf).
-
Beispiel
Es wird erfindungsgemäß ein handelsüblicher urgebleichter,
hochviskoser englischer Ueberzugston "SPS English clay" bzhandelt. Die Viskosität
dieses primären Tone ist ungewöhnlich hoch im Vergleich mit einheimischen (amerikanischen)
Kaoliniten. So weist eine entfloekte Aufschlämmung mit 66,5% Feststoffen dieses
Ton eine Ragen-Viskosität von nur 2% der Skala bei 100% Drehkraft (entsprechend
einer Scherkraft von 12,5 x 106 dyn-cm bei einem Scherwert von 216 sec. l ) auf,
und eine Auf echlämmung
mit 70% Festetof fgehalt
liegt außerhalb
des
Meßbereiches
der Instrumente unter Anwenden der mittleren Spindel,
Die
Viskosität bei hoher Scherbelästung des Tons, der erfindungegem$ behandelt
worden ist, wird mit derjenigen des Ausgangstone
ver-
glichen,
und der Ton lediglich durch Verkneten in der offenen Knetvorriehtung oder lediglich
vermittels der hydrothermalen Behandlung
| bearbeitet. Das Verknoten wird in einer offenen Read
Knetvorrichtung |
| keinem |
| unter/Zusatz von Zusatzmitteln ausgeführt, Das Behandeln
in dem Auto. |
klauen wird mit gesättigtem Wasserdampf unter Anwenden von Aufschlämmungen mit 33,3%
Feststoffgehalt ohne Zusatz von chemischen Zusatzmitteln ausgefUhrt. Die hierbei
erhaltenen Ergebnisse sind in der Tabelle IV zusammengefaßt.
| Tabelle IY |
| Die Wirkung des üerknetens und der Behandlung im Autoklauen
auf die |
| Fließeigenschaften der Aufschlämmungen des englischen
Ueberzugg tonie |
| Verknetungezeit hydrothermale scheinbare Vis- Feststoffgehalt
bei |
| h Behandlung kosität P dem die Viekosität |
| bestimmt iird 9# |
| keine keine >18,7 (1530 sec - 66,5 |
| keine 56 kg/cm /6 h N18,7 ( " 66,5 |
| 12 keine 2, 2 (4820 " 66,7 |
| 12 keine 693 ( " " / 70 |
| 12 28 kg/em /2 h 1,1 ( " " ) 70 |
Die in der Tabelle IV wiedärgegebenen Ergebnisse zeigen, daß der englische Ueberzugston
ausgezeichnet auf das erfindungsgemäße Verfahren anspricht und weder das Verknoten
noch die hydrothermale Behandlung allein zu den gewünschten Ergebnissen fühfen.
Die Zahlenwerte
zeigen weiterhin an, daß der Ton mit abnorm hoher Viskosität
durch
das kombinierte Verknoten und Behandeln im Autoklauen so verändert werden
konnte, daß derselbe den handelsüblichen Ansprüchen an einen Ueberzugston mit einer
maximalen scheinbaren Viskosität von 1,8 P bei einem Scherwert von 4820 sec,-1 für
eine Auf schlämmung mit 70, 5% Festetoffgehalt entspricht.
-
Beispiel 5
(a) Es wird eine mechanische Aufschlämmung
einer groben Fraktion Georgia Kaolinit (5 Mikron MM) mit einem Kieserledesand einer
Teilchengröße entsprechend einer lichten Maschenweite von -1,65+0942 mm um so eine
Kaolinitfraktion mit 1 Mikron AKD frei von Sand zu erhalten, mechanische vermahlen.
Das Vermahlen ist in der US-Patentschrit 3 097 801 beschrieben, Das Nermahlene
Tonprodukt erweist sich als
ein Produkt ungewöhnlich
hoher Viakosität (wahrscheinlich aufgrund der speziellen Art des Vermahlene). Daher
ist dieser vermahlene Kaolinit als Ueberzugston für Papier nicht anwendbar, genauso
wie die als Ausgangsmaterial angewandte grobe Fraktion des Tons. Es wird somit eine
Aufschlämmung mit 64% Feststoffgehalt des vermahlenen Tons erhalten, die 12,5 x
10s dyn-cm Drehkraftwert bei nur 216 sec. Scherwert im Vergleich zu einem Ton normaler
Viskosität aufweist, der in Form einer Aufschlämmung mit 70% Feststoffgehalt 1295
x 10s dyn-cm Drehkraftwert bei einem Scherwert von 1188 sec. -1 aufweist, oder einem
Ton geringer Viskosität, der in einer Aufschlämmung mit 74 Feststoffgehalt 12,5
a 106 dyn-cm Drehkraftwert bei 5940 sec.-² besitzt.
-
Durch Verkneten des vermahlenen Tons mit 74% Festetoffgehalt 12 h
lang in einer offenen Read Knetvorrichtung und Behandeln des verkneteten Tons im
Autoklaven mit 33,3 % Feststoffgehalt vermittels gesättigten Waeserdampfs unter
einem Druck von 28 kg/cm² 2 Stunden lang, wird die scheinbare Viskosität einer entflockten
wässrigen Aufschlämmung mit 64% Feststoffgehalt von einem Wert über 18,7 P bei 1530
eeo.-1 für den Ausgangston auf eine Viskosität von nur 1,5 P bei 4820 aec.-1 für
den behandelten Ton in Form einer Aufschlämmung
| mit 64,5% Feststoffgehalt veriingert. Die scheinbare Viskosität
eine: |
Aufschlämmung mit 64,4% Feststof fgehalt beläuft sich nach 12 stündigem Verkneten
in der offenen Read Knetvorrichtung, jedoch vor der Behandlung in dem Autoklaven
auf 4,2 P bei 4820 sec. -1. Diese scheinbare Viskosität ist fast 3-mal so groß wie
die scheinbare Viskosität des Tone, der erfindungsgemäß behandelt worden ist. Es
ist wichtig zu beachten, daß die auf diesen speziellen Ton beaufschlagte Energie.
ausgereicht hat, ungewöhnlich günstige Ergebnisse zu erzielen, wäh-
| rend bei anderen Tonen, z.B. dem Ton nach Beispiel 2) die
beaufsohlad |
te Energie
nicht ausreichend war,
um für
diesen speziellen Ton
opti-, male
Ergebnisse zu erreiohn.
Somit würde sich für einen
Ton, wie den
vermahlenen -Ton nach diesem Beispiel
bei Anwenden
einer
größeren Enr-
gis nach dem Behandeln im Autoklaven
ein Produkt ergeben, das in Aufschlämmungen eher hoher Feststoffgehalte überführt
werden kann. (b) Es wird eine weitere Probe eines mit Sand vermahlenen Kaolinite
erfindungsgemäß in der folgenden Weise verarbeitet. Der aus der Aue rüstung für
das Vermahlen mit Sand erhaltene Ton wird durch Verdampfen auf 75% Feststoffgehalt
eingedickt. Die Aufschlämmung wird 24 h in einem Schneckenkneter verknetet. Der
verknetete Ton wird hydraulisch fraktioniert, und man erhält so ein Produkt bestehend
zu 92% aus Teilchen mit einer Größe von kleiner als 2 Mikron in For@ einer wässrigen
Aufschlämmung. Das so erhaltene Produkt mit Schwefe@ säure ausgeflockt, Bowie auf
einen spezifischen Widerstand von 8000 Ohm mit Wasser gewaschen und sodann in einer
Aufschlämmung mit 33,3% Feststoffen gebracht. Die Aufschlämmung des fraktionierten
Tone wird in einem Autoklaven so lange erhitzt, bis ein gesättigter Wasserdampfdruck
von 28 kg/cm erhalten wird. Man hält die Aufschlä@ mung unter diesem Druck 2 Stunden
lang. Im Anschluß hieran wird abgekühlt und getrocknet. Es wird gefunden, daß die
Fließeigenechafter unterhoher Scherbelastung einer Aufschlämmung mit 71% Feststoffgehalt
dieser verkneteten und sodann hydrothermal behandelten Feinfraktion des Tone praktisch
den Eigenschaften einer Aufschlämmung mit 63% Feststoffgehalt des mit San d vermahlenen
Tone nach der Fraktionierung auf eine ähnliche feine Teilchengröße entspricht. Man
erhält eine Zunahme an 8% Tonfeetstoffen. Beiepiel Um zu zeigen, daß caleinierter
Kaolinton nicht auf das Verkneten und die hydrothermale Behandlung wie Rohton ansprieht,wird
eine Probe ORT" Ton nach Beispiel 1 bei 700°0 4 Stunden lang calciniert. Es werden
Ragen-Rheogramme für 67% von (1) des calcinierten Tone, (2) des calcinierten Tons
nach dem Verkneten in einer offenen Knetvorrichtung 6 Stunden lang und (3) des calcinierten
Tone nach 6 stündigen Verkneten und sodann Behandeln in einem Autoklaven mit 33,3%
Feotetoffgehalt mit gesdttigtem Dampf 2 Stunden lang unter einem
Druck
von 28 kg/cm aufgestellt.
-
Bezüglich dar Außschlämmungen des caleinierten HT Tons wird gefunden,
daß dieselben genauso große Dilatanz wie der Ausgangston aufweisen, und daß im Gegensatz
zu nicht caleiniertem Ton, dessen Dilatanz wesentlich durch das Verkneten und die
Behandlung im Autoklaven verringert wird. Weiterhin wird ein maximaler Drehkraftwert
von 12,5 x s 10 dyn-cm mit allen Aufschlämmungen erreicht, die calcinierten HT Ton
enthalten, und dies im Gegensatz zu vergleichbaren Aufschlämmungen nicht calcinierten
HT Tons, wo dieser maximale Drehkraftwert nur durch den nicht behandelten Ton erreicht
wurde. Die Aufschlämmung des nicht behandelten calcinierten Tons erreicht den maximalen
Dreh-
| kraftwert von 12,5 x 10s dyn-cm bei einem Seherwert von nur
504#e |
sec.-1 , und der verknetete caleinierte Ton erreicht einen maximalen
a
Drehkraftwett
von 12,5 x 10 dyn-cm bei einem Scherwert von nur etwa 50 sec. , der verknetete,
calcinierte Ton zeigt den maximalen Drehkraftwert bei nur etwa 375 sec. -1, und
der verknetete, im Autoklaven -1 behandelte Ton erreicht diesen Wert bei etwa 25
sec. . Im ausge präg ten Gegensatz hierzu weist der verknetete, im Autoklaven behandelte,
nicht calcinierte Ton einen maximalen Drehkraftwert auf, der kleiner als etwa 2,5
x 10a dyn-cm ist, und dieser Wert wird bei dem maximalen Scherwert von 8640 cm-1
erreicht.
-
Beispiel 7 Es werden Untersuchungen ausgeführt, durch die die
Notwendigkeit des Durchführens des Verknetens vor der hydrothermalen Behandlung
in einem Verfahren zum Verringern der Viskosität bei hoher Scherbelastung von Tonaufschlämmungen
hohen Feststoffgehaltes nachgewiesen wird.
-
La wird eine Probe einer Fraktion mit 1 Mikron AKD eines Georgia Kaolintons
12 Stunden lang verknetet und Hagen-Rheogramme bei die-
| ser Verfahrensstufe eiwrie bei dem folgenden Behandeln im Autoklaven |
des verkneteten Tons bei 33,3% Feetetoffgehalt mit gesättigtem Wasserdampf unter
einem Druck von 56 kg/em8 unter 6 ständigem
Ärbei-
ten im
Autoklaven, ausgeführt, Es wird einszweite Probe des Auegangetons mit 33,3% Feststoffgehalt
in einem weiteren Autoklaven mit gesättigtem Wasserdampf 2 Stunden lang unter einem
Druck von 28 kg/cm² behandelt. Ein Rheogramm einer Aufschlämmung des im Autoklaven
behandelten Tone wird bei dieser Verfahrensstufe ausgeführt, und ein weiteres Rheogramm
nach dem Verkneten der im Autäklaven behandelten Aufschlämmung in einer offenen
Knetvorrichtung hergestellt (nachdem die aus dem Autoklaven kommende Aufschlämmung
in eine verknetbare Konsistenz eingeengt worden ist). Der verknetete Ton wird sodann
einer zweiten Behandlung im Autoklaven mit gesättigtem Wasserdampf unterworfen und
es wird sodann ein Rheogramm dieses Produtes hergestellt.
-
In der Tabelle V sind die scheinbaren Viskositäten der Aufschlämmungen
der Prüftone zusammengestellt, wie sie eich anhand der Hangan-Rheogramme berechnen.
| Tabelle V |
| Die Wirkung der Aufeinanderfolge des Verknetene und Autoklaven-Be- |
| handlung auf die Fließeigenschaften von Kaolinaufschlämmungen
mit |
| 70% Fee tat of fachalt , |
| Probe Beschreibung des Tone scheinbare Vi,ekositiät P |
| (1) nicht behandelter Ton >18,7 (1530 sec. ) |
| (2 Probe (1) im Auto klaven behandelt |
| 28 kg/cm2/2 Stunden >18,7 |
| (3) Probe(2) 12 Stunden verknetet 7,5 n " |
| (4) Probe (3) im Autoklaven behanddlt 0,8 |
| bei 28 kg/cm2/2 h _ |
| 1,3 (4820 sec. ) |
| (5) Probe (1) 12 Stunden verknetet 0,6 (1530 |
| ' 4,0 (4820 |
| (6) Probe 5 im Aut oklaven behandelt 094 (1530 " |
| bei 28 kg/cm202 h 0,5 (4820 '# |
Die Zahlenwerte der Tabelle V zeigen, daß die Viskosität einer 70%ig, Aufachlämmung
des nicht behandelten Tone (Probe Nr. 1) größer als 18,7 P bei einer Scherbelastung
von 1530 sec.-1 ist. Die Zahlenwerte zeigen, daß die Viskoeität der Probe 1 nach
der Behandlung im Autoklaven (Probe Nr. 2) ebenfalls größer als 18,7 P bei einem
Scherwert von 1530 eee.-i ist. Somit eeheint daa AuafUhren lediglich der
hydrothermalen
Behandlung nicht zu einer Verbesserung der Viskosität bei hoher Scherbelaetung des
Tons zu führen. Im Gegansatz zu der Probe Nr. 2, die durch Behandlung im Autoklaven
der Probe 1 erhalten worden ist, stellt die Probe 5, die durch Verkneten der Probe
1 erhalten worden ist, eine wesentliche Verbesserung gegenüber der Probe 1 dar.
So weist eine 70%ige Aufschlämmung des verkneteten Tons eine Viskosität von 0,6
P beil530 sec.-1 und 4,0 P bei 4820 sec.-1 auf. Die Viskosität des verkneteten Tons
wird wesentlich bei jedem dieser Scherwerte durch Behandlung im Autoklaven des verkneteten
Tons unter Gewinnen der Probe 6 verbessert. Die Viskosität der Probe bei 4820 sec.
-1 wird von 4,0 für den verkneteten Ton auf 0,5 P für den verkne. teten und im Autoklaven
behandelten Ton verringert. Die Zahlenwerte zeigen, daß dieses Ergebnis nicht durch
die Umkehr der Reihenfolge der Behandlungen erreicht wird. So weist ein zunächst
im Autoklaven behandelter und sodann verkneteter Ton, Probe Nr. 3, eine Viskosität
von 745P bei e inem Scherwert von 1530 sec. auf. Die sich anschließende Behandlung
im Autoklaven der Probe 3 führt nicht zu einet Ueberwinden dieser dem Ton durch
die Behandlung zugefügte Besehädigung, die sich dadurch ergibt, daß zunächst im
Autoklaven behandelt und sodann verknetet wird. So beläuft sieh die Viskosität einer
70%igen Aufschlämmung der Probe Nr. 4, die durch Behandeln im Autoklf ven des Ausgangstone
erhalten worden ist, der zunächst autoklavenbehandelt und sodann verknetet wurde,
auf nur 0,8 P bei 1530 sec.-l, und auf 1,3 P bei 4820 sec.-1, und dien im Vergleich
zu Viskositäten von 0,4 P bei 1530 sec.-1 und 0,5 P bei 1530 sec. 1 für die Probe
6, -die ohne die ernte Behandlungsstufe den Autoklaven erhalten wurde. Das Kristallwasser
der nicht behandelten Kaolintone mit den Kristallwasser von (1) der Tone nach dem
Verkneten und (2) der Tone nach dem Verkneten und sich sodann anschließender Behandlung
im Autoklaven entspreohend der erfindungsgemäßen Arbeitsweise verglichen. Alle Untereue)itea
Tone sind diejenigen, die günstig auf die kombinierte .
Behandlung
in Form eines Verknetens und Arbeiten im Autoklaven günatig unter Ausbilden von
Tonen mit ausgeprägt verbesserten Viskositätseigenschaften bei hoher Scherbelastung
ansprechen. Das Kristal wasser wird wie folgt berechnet: % Kristallwasser =
"L.O.I." in der Gleichung gibt den Glühverlust wieder, der durch Erhitzen des Tone
auf ein konstantes Gewicht bei 1000°C bestimmt w@@@ F.M. gibt die freie Feuchtigkeit
wieder, die durch Erhitzen des To@ auf ein konstant es Gewicht bei 105°C bestimmt
wird.
| Tabelle |
| Kriställwavaer der behandelten und nicht behandeiten
Kaolintoncrobi |
| A_Ran as tos _ - Kris tallwaever der Tonproben |
| durchechn. AKD Viekoei- nicht be- Autokla- 12 h 12 h verki |
| Mikron tät handelter ven beh. -verkne- tet und i: |
| Ton Ton bei = tet Autokl.bel |
| 16 kg/cm 5 6 kg/eme |
| _@ 6 h _ 6 h |
| 0,72 gering 14,00 13,70 - - |
| 1,0 normal 14,10 13,98 14,19 13,98 |
| 1,l gering 14,72 - 14,15 14,02 |
Die Zahlenwerte der Tabelle VI zeigen, d aß die Behandlung im Autoklaven eines verkneteten
Kaolinites zu einer geringen Verringerung des Kristallwassers des verkneteten Tone
auf einen Wert unter demji rügen des Ausgangstone führt. Daher läßt eich die Wirkung
der in A schluß an das Verkneten ausgeführten hydrothermalen Behandlung nie] als
eine einfache Hydratisierung des Tonminerale erklären.
-
Beispeiel 9 Erfindungsgemäß wird ein roher Georgia Kaolinton geringer
Viskositi durch eine Zweiwellen-Knetvorrichtung mit 81,O% Feststoffgehalt geführt,
um so den Ton in Stückchen mit Abmessungen von etwa 2,54 cm aufzubrechen. Die Stückchen
werden durch eine Baker Perkin's Ko-Knetvorrichtung geführt, in die Wasser zwecke
Verringern des Feetstoffgehaltee auf 79,6% eingeführt wird. Die Ko-Knetvorrichtung
is in dem Chemical Engineering Catalog CEC, 1963, veröffentlicht von der Reinhold
Publiehing Corporation, beschrieben. Die Tonatüekchen werden in der Knetvorrichtung
unter Beaufechlagen einer Energie voi
70,2 PS/h/t durchgearbeitet.
Der durchgearbeitete Ton wird mit Was ser auf 33,3% Festatoffgehalt gebracht, und
zwar ohne daß ein Ton-Diapergiermittel zugesetzt wird. Die so erhaltene Aufschlämmung
wird in einem Autoklaven auf einen gesättigten Wasserdampfdruck von 28 kg/cm erhitzt
und unter diesem Druck 2 Stunden lang gehalten. Es wird gef enden, daß der verknetete,
im Autoklaven behau ddlt e Ton in eine Aufschlämmung mit 77% Feststoffgehalt gebracht
werden kann, die die gleichen Fließeigenschaften wie eine Aufschlämmung mit 71%
Feststoffgehalt eines typischen Tone mittlerer Viskosität besitzt. In den US-Patentschriften
2 535 647 und 2 907 666 wird das Verkneten viskoser Massen von Kaolinton zwecke
Verringern der Viskosität des Tons offenbart, Es kann eine wesentliche Viskositätsverringerung,
wie sie vermittels der Stormer oder Brookfield Instrumente gemessen wird, in dieser
Weise (siehe Tabelle I) erzielt werden. Die vermittels eines Durcharbeitens des
Tone unter Anwenden hoher Energie erzielten Ergebnisse, wie sie vermittele der Hagan
oder Hercules Viskometer bestimmt werden, die einen verläßlicheren Hinweis auf die
Fließeigenschaften bei hohen Scherkräften ergeben, lassen jedoch vie zu wünschen
übrige@ies trifft insbesondere auf sehr feine Fraktionen von Ueberzugstonen zu,
bei denen lediglich ein intensives Verkneten zu der sogenannten "Viskositätselastisität"
führt, jedoch keine merk liche Verringerung der Viskosität bei hoher Scherbelastung
bedingt und keine Verringerung der Dilatanz verursacht. Derartige Tone, sowie roher
nicht fraktionierter Ton oder sogar eine grobe Tonfraktion erfahren fast immer eine
Verbesserung in bisher unerwarteter weise, wenn erfindungsgemäß sich an das intensive
Durcharbeiten eine Behand lung im Autoklaven anschließt.
-
Die Anmelderin ist weiterhin mit den Arbeiten von Joseph S. Iraird
vertraut, der vor fast einem halben Jahrhundert die Behandlung verschiedener Tone,
wie ;.B, Flintton in einem Autoklaven untersucht hat und hierdurch eine Verbesserung
der Plastizität des Tons fand. So wird nach der US-Patentechrift 1 275 705 roher
oder calcinierter
Ton bei erhöhter Temperatur einem trockenen oder
feuchten Wasserdampf unterworfen. Durch Laird wurde weiterhin gorgeschlagen, die
Wasserdampfbehandlung mit einem Verkneten oder äqu@@alentem Vermahlen zu kombinieren,
um so die Plastizität des Tons zu verbessern und in dem Fall des Verknetens die
Einheitlichkeit des Materials zu verbessern. Diese Zielsetzung von Laird die Tonplaatizität
zu erhöhen, ist offensichtlich diametral entgegengesetzt der erfindungsgemäßen Augabenstellung,
nach der die Tonviskosität verringert oder mit anderen Worten die Fließfähigkeit
des Tons erhöht wird. Weiterhin hat Laird, der ein Verkreten zusammen mit einer
Wasserdampfbehandlung empfohlen hat, offensichtlich nicht erkannt oder gemerkt,
in welcher Weise ein praktisch reiner Kaolinit auf ein kombiniettes Verkneten und
hydrothermale Behandlung anspricht, bei der das Verkneten und das Aufschlagen einerwesentlich
höheren kergie durchgeführt wird, als sie üblicher Weise auf dem Gebiet der Keramik
zur Anwendung kommt.