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Verfahren zur Herstellung eines Kaolins hoher Weiße und geringer Zähigkeit.
| Die Erfindung bezieht sich auf ein Kaolinprodukt, wel- |
| ches mechanisch aus Kaolin hergestellt ist, das-bergbau- |
| lich gewonnen und zum Entfernen von Fremdstoffen, wie Sand, |
| Glimmer usw., aus ihm gewächen worden ist, sowie auf ein |
| Verfahren zur Herstellung eines solchen Ka°linproduktes. |
Zweck der Erfindung ist die Herstellung eines Kaolins, das sich durch.eine außergewöhnliche
Weiße und geringe Zähigkeit, d.h. durch Eigenschaften auszeichnet, die in der Industrie,
insbesondere für das Überziehen von Papier von großer Bedeutung sind.
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Beträchtliche Ablagerungen von kaolinithaltigem Ton .werden an vielen
Orten in aller Welt gefunden,. wobei der in diesen Ablagerungen enthaltene Ton in
seinen Qualitäten, wie der Teilchengrößenverteilung und der Farbe, schwankt. Es
ist übliche Praxis, den bergbaulich gewonnenen Ton, nachdem er eine zweckentsprechende
Behandlung zur Bildung eines dünnen Schlammes aus reinem dispergierten Kaolin erfahren
hat, zu klassieren, weil gefunden wurde, daß die
brauchbarste und
wertvollste Fraktion diejenige ist, die aus Feinteilchen (fines), d.h. aus Teilchen
mit einer Größe unter -1,2 (äquivalenter Kugeldurchmesser) besteht.
Obwohl bekannt ist, daß Kaolinteilchen dieser Größe die Form von flachen Plättchen
haben, die, sofern sie nicht beschädigt sind, hexagonale Kontur besitzen, besteht
die allgemein angewendete Methode zum Bestimmen der Teilchengröße darin, die Sinkgeschwindigkeit
der Teilchen in Wasser zu messen und die Größe der Teilchen gemäß einer von Stokes
gefundenen Formel dein Durchmesser von Kugeln desselben Materials gleichzusetzen,
die mit der gleichen Geschwindigkeit sinken. Da die kleineren Kugeln langsamer als
die größeren Kugeln sinken und da flache bzw: ebene Teilchen langsamer als Kugeln
von gleichem Durchmesser sinken, ist die tatsächliche Breite der Plättchen größer
als der äquivalente Kugeldurchmesser.
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Da die die größeren Teilchen enthaltenden Fraktionen von klassiertem
Ton in der Papierindustrie von vergleichsweise geringem Nutzen sind, sammelten sie
sich in den meisten Fällen als Abfallmaterial an. Es sind viele Anstrengungen gemacht
worden, um dieses Material in Feinteilchen durch Zerkleinern der größeren Teilchen
umzuwandeln, die meistens in der Form von zu Stapeln geschichteten Plättchen vorliegen,
welche an ihren Stirnflächen fest aneinanderhaften, so daß sehr hohe Kräfte erforderlich
sind, um die Plättchen voneinander zu trennen. Die Teilchen sind zu klein, um sie
in ihrer Größe durch Schleifen in einer Kugelmähle od.dgl. reduzieren zu können.
| Das heftige Rühren eines Tonschlammes in der Weise, |
| daß ein Strahl des SchlammeEygegen die Zähne eines sich |
mit hoher Geschwindigkeit drehenden Zahnrades gerichtet wird (wie dies z.B. in der
britischen Patentschrift 876 668 und der USA-Patentschrift 3 058 671 aufgezeigt
ist), führt dazu, daß die meisten Flättchenstapel zerbrochen und dadurch die Zähigkeit
des sich ergebenden Produktes erhöht wird.
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Das Rühren eines Tonschlammes mit reibenden Partikeln wie Sand oder
Nylonperlen (wie dies z.Bo in der britischen Patentschrift 892 746 und der USA-Patentschrift
3 171 718 beschrieben ist) ergibt ein Erzeugnis, das viele Teilchen enthält, deren
sie bildenden Kaolinitschichten eine umfängliche Abblätterung (oder "Ausfiederung")
aufweisen, was zu einem Produkt von erhöhter Zähigkeit führt.
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Ein weiteres, in der USA-Patentschrift 2 535 647 beschriebenes*Verfahren
zum Zerkleinern von Kaolin durch Kneten eines konzentrierten Schlammes des Tons
verursacht ein Zerbrechen der Kaolinitkri'stallplättchen Und vermindert dadurch
die Zähigkeit des Produktes (vgl. Paper Trade Journal 1951, Seiten 28 bis 32, N.
Millman-Viseosity Control of Concentrated Clay Suspensions). Der Verfasser beschreibt
dies mit folgenden Worten? "Die strukturelle Anordnung von Teilchengröße und Teilchengestalt
ist eine solche, welche die geringste Behinderung der Rotation der Teilchen in einem
relativ kleinen Flüssigkeitsvolumen hervorruft.
Jede Behandlung,
die zu einer Erhöhung der Zähigkeit des Schlammes führt, ist zu beanstanden, weil
sie den Ton für den Gebrauch zum Überziehen von Papier weniger erwünscht macht.
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Es wurde gefunden, daß zwischen der Weiße der Oberflache der meisten
Kaolinteilchen und ihren inneren Trennflächen ein höchst bedeutsamer Unterschied
besteht. Es ergibt sich daher, daß die natürlichen Feinteilchen', wenn sie nicht
sorgfältig von den groben Teilchen vor dem Entschichten der letzteren entfernt werden,
einen unerwartet großen nachteiligen Effekt auf die Farbe des sich ergebenden zerkleinerten
Tons ausüben. Da die Helligkeit einer Tonprobe in einem beträchtlichen Ausmaß von
der Feinheit der Teilchen abhängt, würde beobachtet, daß diese Verfahren zum Vermindern
der mittleren Teilchengröße des Tons zu einem Produkt führen, welches heller als
das Ausgangsmaterial ist. Jedoch haben sich diese Verfahren zum Vermindern der mittleren
Teilchengröße von Ton für eine wirtschaftliche Anwendung oft als unbefriedigend
erwiesen.
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Ein besseres Verfahren zum Zerlegen der geschichteten Stapel in der
groben Fraktion eines klassierten Tons ist in der USA-Patentschrift 2 904 267 aufgezeigt.
Es besteht darin, daß der Feuchtigkeitsgehalt der Tonmasse auf einen Wert zwischen
17 und 23 76 (je nach der Art des Tons) eingestellt wird, um ihr eine sehr steife
Konsistenz zu
Er-
geben. Für einige europäische Kaoline hat sich ein so niedriger
Feuchtigkeitsgehalt wie 15 96 als erwünscht erwiesen. Diese feuchte Masse wird dann
einmal oder mehrmale
durch eine Lochmatritze hindurchgepreßt (ausgestoßen),
deren Köcher einen Durchmesser von 1,5 bis 10,5 mm haben können. Die Tonmasse muß
genügend dick sein, so daß ein Druck von 24,6 kg/cm 2 erforderlich ist, um sie durch
Löcher von 4,5 mm Durchmesser hindurchzupressen. Durch das Aneinanderreiben der
Teilchen unter einem Druck von dieser Höhe werden viele der Stapel entschichtet,
d.ho in plattenartige Teilchen verschiedener Größen unterteilt, die entweder einzelne
Plättchen oder Mosaike aus mehreren Plä±tchen bilden, wobei der Durchmesser der
Plättchen größer als ihre Dicke ist. Das durch diesen Entschichtungsvorgang erhaltene
Produkt hat gewöhnlich eine geringere Zähigkeit als das Ausgangsmaterial. Es wurde
gefunden, daß für `eine wirksame Durchführung dieses Verfahrens in der Masse nicht
mehr als etwa 40 % Feinteilchen (fines) vorhanden sein sollen, gleichgültig, ob
sie natürliche Feinteilchen oder durch die Entschichtung entstandene Plättchen sind,
da angenommen wird, daß Plättchen in der Größenordnung von
| 2"cL(äquivalXenter Kugeldruchmesser) oder weniger wie |
Schmiermittel oder nach Art von. "Schuhanziehern" zu wirken scheinen und das Bestreben
haben, die Stapel zu trennen und das wirksame gegenseitige Reiben unter dem die
Stapel entschichtenden hohen Druck zu verhindern. Daher ist zur Erzielung eines
hohen Wirkungsgrades das Entfernen von entschichteten Teilchen nach jedem Entschichtungsvorgang
ratsam.
Die Erfindung bezweckt, einen Ton von überragender Weiße
dadurch herzustellen, daß Kaolinfraktionen behandelt werden, die bisher»weggeworfen
wurden, weil sie, zumindest auf dem Gebiet des Überziehens von Papier, von keiner
oder nur geringer Brauchbarkeit waren.
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Obwohl Kaolinfeinteilchen in verschiedenen Industrien verwendet werden,
finden sie jedoch die bei weitem umfangreichste Anwendung zum Überziehen von Papieren,
für diä ein glatter Oberflächenüberzug erforderlich oder erwünscht ist. Für das
Überziehen von Papier ist eine hohe Weiße höchst erwünscht.
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Die meisten englischen Kaolintone sind zwar hinsichtlich ihrer Weiße
den an irgendwelchen anderen Orten gefundenen natürlichen Tonen überlegen, jedoch
ist ihr Prozentgehalt an. Feinteilchen gerir$ so daß große Mengen Ton bergbaulich
gewonnen werden müssen, um eine relativ kleine Menge an Ton zu erzeugen, der zum
Überziehen von Papier geeignet ist, während der Rest des gewonnenen Tons als Abfall
weggeworfen wird.
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Kaoline, die im sünd-östlichen Teil der Vereinigten Staaten, einschließlich
des Staates Georgia bergbaulich gewonnen werden, haben viel höhere Prozentgehalte
an Feinteilchen als die englischen Tone, jedoch ist ihre Farbe nicht so gut, und
die Teilchen sind oberflächlich durch Eisen- und Titanverbindungen verfärbt,
die nur teilweise.e,.
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und nicht vollständig durch chemisches Bleichen;entßernt werden können.
Die in Kontinentaleuropa gefundenen Tone
haben im allgemeinen niedrige
Prozentgehalte an Feinteilchen und sind von schlechter Farbe.
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Um ein künstliches Produkt von außergewöhnlicher Weiße zu erhalten,
wird gewaschenes Kaolin klassiert, wobei die Feinteilchen zu anderen Verwendungszwecken
abgezogen werden, während die grobe Fraktion zurückbehalten wird.
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Während es vorteilhaft ist, soviel der Fraktion an verfärbten Feinteilchen
zu entfernen, wie es praktisch möglich ist, ist gefunden worden, daß ein Rückstand
bis zu etwa 20 % zugelassen werden kann, ohne daß dadurch das Enderzeue nis ernsthaft
beeinflußt wird. Diese Toleranz von 20 > ist eine britische Grenze, da, gefunden
wurde, daß jeder merklich über diesem Wert liegende Prozentsatz an verfärbten Feinteilchen
die Farbe des endgültigen Erzeugnisses nachteilig-beeinflußt und zu einem Produkt
führen kann, das zum Überziehen von Papier unannehmbar ist.
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Die grobe Fraktion, die aus wenigstens 80 jö Teilchen über 2
(äquivalenter Kugeldurchmesser) besteht, wird dann einem Entschichtungsvorgang unterworfen,
der vorzugsweise von der oben beschriebenen Art ist. Das Ergebnis einer solchen
mechanischen Entschichtung ist, daß die durcr sie freigelegten großen Stirnflächen
der plättchenartigen Teilchen von einem reinen Weiß sind; die verfärbten achmalen.Kanten
der Plättchen haben keinen bedeutsamen Einfluß auf die Gesamtfarbe der Tonmasse.
Dies läßt sich mit einem Weißbrotlaib vergleichen, der eine braune Rinde hat; wenn
der Brotlaib in Scheiben geschnitten wird und die
Scheiben ausgebreitet
werden, dann ist der Gesamtfarbeindruck ein hoher Weißgrad.
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Nachdem die Tonmasse einem Entschichtungsvorgang unterworfen worden
ist, werden ihrWasser und ein Entflockungsmittel zugesetzt, um einen Schlamm zum
Klassieren des Tons zu bilden. Die die entschichteten Teilchen enthaltende Menge
des Schlammes kann dann in Fraktionen verschiedener Teilchengrößen'unterteilt bzw.
klassiert werden, was von den besonderen Anwendungszwecken, für die sie bestimmt
sind, abhängt. Beispielsweise ist es für die Zwecke des Überziehens von Papier gewöhnlich
erwünscht, eine Fraktion zu gewinnen, die 80 > oder mehr Teilchen mit einer Größe
unter 2
(äquivalenter Kugeldurchmesser) enthält, um Überzüge zu erhalten, die sich durch
hohen Glanz, Undurchsichtigkeit, große Helligkeit, hohen Weißegrad und hohen Widerstand
gegen das Eindringen von Farbe auszeichnen.
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Für andere Zwecke, z.B. als Pigment für Anstrichfarben, ergibt eine
Fraktion mit Teilchengrößen in dem Bereich von 2 bis 10@
Oäquivalenter Kugeldurchmesser) eine gute Deckkraft, ohne einen Glanz zu entwickeln,
der in Anstrich-Farben
unerwünscht ist.
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Die Fraktionen zeichnen pick durch einen hohen Weißegrad aus, der
durch chemisches Bleichen weiter erhöht werden kann.
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Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung
näher veranschaulicht.
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Fig. 1 ist ein Fließschema, welches die zur Durchführung der Erfindung
angewendeten Behandlungsstufer wiedergibt.
Fig. 2 ist eine graphische
Darstellung der mittels eines Spektrophotometers aufgezeichneten prozentualen Reflexionsgrades
von Lichtwellen mit
| Wellenlängen im Bereich von 380 bis 700 m&, |
| die von einer ungebleichterAnd einer gebleich- |
ten Probe von bergbaulich in Deutschland gewonnenem, klassierten natürlichen Ton
mit 80 Feinteilchen reflektiert sind.
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Fig. 3 ist eine entsprechende spektrophotometrische Aufzeichnung des
Reflexionsgrades einer ungebleichten und einer gebleichten Probe von entschichtetem
Kaolin, das vor der Entschichtung 20 79-Feinteilchen enthielt.
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Fig. 4 ist eine entsprechende spektrophotometrische Aufzeichnung des
Reflexionsgrades einer ungebleichten und einer gebleichten Probe von entschichtetem
Kaolin, das vor der Entschichtung 5 9 Feinteilchen enthielt.
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In den Figuren 2 bis 4 ist die Helligkeit durch den
| Reflexionsgrad für die Wellenlänge 457 mau, wiedergegeben. |
| Der Weiße-Index ist die Differenz zwischen den Reflexions- |
| graden für die Wellenlängen 700 und 400 m/ U.. Reinweißes |
| Material würde eine gerade waagerechte Linie ergebene und |
| sein Weiße-Index würdeX den Wert Null haben. Der Weiße- |
Index iet daher eine umgekehrte Funktion, d. h. ein weiße-
res Material hat
einen kleineren Weiße-Index.
Wie bereits oben erwähnt, ist es erwünscht,
aus dem Ton, der unter Druck ausgestoßen werden soll, so viel wie möglich der Feinteilchenfraktion
(Teilchen mit einem
| äquivalenten Kugeldurchmesser unter 2&) zu entfernen. Da |
ein vollständiges Entfernen der Feinteilchen wegen der entstehenden Kosten wirtschaftlich
nicht durchführbar ist, wurde gefunden, @daß eine Toleranz bis zu etwa 20 96 Feinteilchen
zulässig ist.
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Die nachstehende Tabelle zeigt-die Ergebnisse von Prüfungen, die an
einem typischen deutschen Kaolin durchgeführt wurden.
| Gehalt des Kaolins nach dem Ausstoßen erneut klassiert |
| an Feinteilchen vor 80 % Feinteilchen |
| dem Ausstoßen urigebleicht gebleicht |
| Helligkeit Weiße-Index Helligkeit Weiße-Indeg |
| 5 % 82,1 13,6 84,4 10,2 |
| 15 9d 81,6 15,6 84,3 10,4 |
| 20 % 81,2 15,0 83,4 10x2 |
| 35 % 78,8 16,0 81,3 10,4 |
| 4 5 % 7891 1695 8095 lito |
| natürliche Feinteilchen |
| 80 96 Feinteilchen 75,4 22,4 79,6 1591 |
Die aus apektrophotometrischen Messungen erhaltenen Werte für die Helligkeit und
die Weiße können leichte
Ab-
weichungen aufweisen,
die durch geringfügige
:Änderungen der Teilchenorientierungakonfigurationen der der Prüfung
unterworfenen
Tonproben verursacht werden, jedoch sind diese Abweichungen klein und mit dem bloßen
Auge nicht feststellbar.
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Die vorstehende Tabelle zeigt, daß 1. je vollständiger die verfärbten
Feinteilchen vor dem Entschichten der groben Fraktion entfernt werden, umso weißer
das Produkt ist; 2. falls 20 o-Feinteilchen vorhanden sind, wenn die Entschichtung
stattfindet, schon das ungebleichte Produkt weißer als die gebleichten nätärlichen
Feinteilchen ist; 3. das Verfahren gemäß der Erfindung es ermöglicht, für das Überziehen
von Papier geeigneten Ton hoher Güte aus den großen Teilchen deutschen Kaolins herzustellen,
welches eine derart schlechte Farbe hat, daß die Feinteilchen-Fraktion,. selbst
wenn sie chemisch gebleicht wird, nicht einmal den Anforderungen für einen Uberzugston
geringer güte genügen würde.
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Es sei bemerkt, daß eine Differenz von nur fünf Punkten in den Werten
für die Weiße bzw. die Helligkeit den Unterschied zwischen einem annehmbaren Produkt
und einem unverkäuflichen Produkt wiedergeben kann.