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Schaumbildungsfähige keramische Zusammensetzung Diese Erfindung betrifft
neuartige schaumbildungsfähige keramische Zusammensetzung und davon hergestellte
geschäumte keramische Produkte.
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Es ist bekannt, Leichtbetonprodukte durch die Anwendung der chemischen
Reaktion von Aluminiumpulver und dergleichen mit einer alkalischen Substanz herzustellen.
Um die mechanische Festigkeit von Beton produkten zu erhöhen, ist es bei diesem
Verfahren wesentlich, eine solche chemische Reaktion und die Bildung von Beton in
einer Form zu verursachen und dann den gelierten Beton an der Luft oder unter Dampfdruck
in einem Autoklaven auszuhärten. Nach einem solchen Verfahren besteht jedoch infolge
des durch die chemische Reaktion erzeugten Wasserstoffgases die Gefahr der Explosion
und Betonprodukte mit genauen Abmessungen und gewünschter Form können nicht erreicht
werden, da während des Aushärtevorganges eine-merkliche Expansion oder Kontraktion
unvermeidlich ist. Das Aushärten in der Luft erfordert darüberhinaus einen langen
Zeitraum zur Herstellung der Produkte von ausreichender mechanischer Festigkeit,
während das Aushärten unter Dampfdruck komplizierte Verfahren und grossräumige Autoklaven
nötig macht.
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In der U.S.-Patentbsschreibung Nr. 3 175 918 ist ein Verfahren veröffentlicht,
zur Herstellung poröser, hitzebeständiger Körper aus fein verteilten anorganischen
Substanzen
durch Verwendung von Phenolharz, Epoxyharz und dergleichen härtbare Harze als ein
Bindemittel in der Anwesenheit von vorgeschäumten Phenolharzen und dergleichen harzartigen
Blasenbildnern. Nach diesem Verfahren ist es jedoch wesentlich, eine verhältnismässig
grosse menge des Bindemittelharzes zu verwenden und das Harz durch Erhitzen zu karbonisieren.
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Während des Karbonisiervorganges tritt häufig ein merkbares Schrumpfen
auf und ergibt ein Produkt, das unertunschte Risse sowie ungenaue Abmessung und
Form aufweiset.
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Bei der schnellen Entwicklung der Hochhäuser in den letzten Jahren
ist die Schaffung von Baumaterialien mit leichtem Gewicht und ausgezeichneter mechanischer
Festigkeit sowie genaue Abmessung und gewünschter Form ein dringendes Bedürfnis.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht demgemäss darin, die Herstellung
geschäumter, cherainischer Produkte ohne die nachteiligen Begleitumstände der oben
erwähnten bekannten Verfahren möglich zu machen.
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Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine
schaumbildungsfähige
keramische Zusammensetzung zu schaffen, aus welcher geschäumte keramische Produkte
mit ausgezeichneter mechanischer Festigkeit und genauen Abmessungen durch einfache
Verfahren erreichbar sind.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum
Herstellen von leichten geschäumten keramischen Produkten mit ausgezeichneter mechanischer
Festigkeit zu schaffen, die für verschiedene Zwecke verwendbar sind, wie z.B. Baumaterialien,
thermische oder elektrische Isolationsmaterialien, Schalldämpfungsmaterialien etc.,
wobei genaue Abmessungen und die gewünschte Form ohne Expansion oder Kontraktion
erreicht werden können, welche Risse und Deformationen ergeben.
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Diese und andere Aufgaben der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung
hervorgehen.
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Eine schaumbildungsfähige keramische Zusammensetzung der Erfindung
enthält loo Gewichtsteile pulverisiertes keramisches Ausgangsmaterial, 40 bis 150
Gewichtsteile Wasserglas und o,5 bis lo Gewichtsteile anorganischen Blasenbildner,
der in der Lage ist, durch dessen
Zersetzung gasförmige Substanz
zu erzeugen, wenn er auf eine Temperatur von 50 bis 3000C erhitzt wird.
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Nach den Untersuchungen der Erfinder der vorliegenden Erfindung ist
nun festgestellt worden, daß wenn pulverisierte keramische Ausgangsmaterialien mit
Wasserglas und anorganischen Blasenbildnern vermischt werden, schaumbildungsfähige
Zusammensetzung mit aus gezeichneter Plastizität erhalten werden können und daß
wenn die erhaltenen Zusammensetzungen auf eine Temperatur von 50 bis 300°C erhitzt
werden, sich die darin enthaltenen anorganischen Blasenbildner zersetzen, um Gas
zu erzeugen, während das Wasserglas gleichzeitig gehärtet wird, wodurch das gewünschte
geschäumte keramische Produkt mit einem niedrigen spezifischen Gewicht und ausgezeichneter
mechanischer Festigkeit ohne unerwünschte Expansion oder Kontraktion hergestellt
wird.
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Es ist ferner auch festgestellt worden, daß wenn das so erhaltene
geschäumte keramische Produkt bei einer Temperatur von über 8000C gebrannt wird,
das verwendete Keramikmaterial kristallisiert und das Wasserglas-Bindemittel glas
artig geworden ist, um das kristallisierte Keramikmaterial mit dem glasartig gewordenen
Wasserglas
zu verbinden und somit ein gebranntes Produkt von hoher
mechanischer F-estigkeit und leichtem Gewicht als auch genauer Abmessung und gewünschter
Form herzustellen, das frei von unerwünschten Rissen infolge von Expansion oder
Kontraktion ist.
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Als keramische Ausgangsmaterialien können in der Erfindung alle allgemein
in der keramischen Industrie verwendeten Ausgangsmaterialien verwendet werden.
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Solche materialien umfassen z.B.: 1.) Nitrite, solche wie BN, Be3N2,
CrN, SiN, TaN, TïN, ZrN etc., 2.) Oxyde, solche wie Al203, B203, BaO, CaO, CoO,
Zr2O3, FeO, etc., 3.) Carbide, solche wie B4C, Bi2C, Cr3C2, MoC, SiC, TaC, ThC2,
TiC, BC, ZrC, etc., und 4.) Keramikmeterialien, solche wie Kaolin (A1203.2 SiO2.2H20),
Silimanid (Al2SiO5), Baryt (BaSO4), Quarz (SiO2), Feldspat (KAlSi3O8. NaAlSi3. CaAl2Si2O8),
Pyrophyllit
(A1203.4SiO H20), 2 Kalkstein (CaCO3), Talg (3rngO.45i02.2H20), Dolomit (CaCO3.
mgco3), Wollastonit (CaSiO3), etc.
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Von diesen keramischen Ausgangsmaterialien sind kieselsäurehaltige
Materialien erwünscht, die mehr als 50 Gewicht% SiO2 sowie Tonerdematerialien, die
mehr als 50 Gewichts-% A1203 enthalten, welche in der keramischen Industrie leicht
verfügbar sind.
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Typische Beispiele bevorzugter keramischer Rohmaterialien sind Quarz,
Quarzit, Phyrophylit, kieselsäurehaltiger Sand, Tonerde und Sillimanit.
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Diese ke-ramischen Ausgangsmaterialien werden einfach in der Form
von Pulver oder in mischung miteinander verwendet. Die Partikelgrösse der keramischen
Rohmaterialien wird gemäss der gewünschten Verwendung der Produkte aus einem weiten
Bereich ausgewählt, es ist jedoch üblicherweise erwünscht, Pulver zu verwenden,
das durch ein Tyler-Sieb einer maschenweite von wenigstens 50 passt. Die erwünschteste
Partikelgrösse der keramischen Rohmaterialien ist eine, die durch ein Sieb einer
Maschenweite von loo passt, jedoch nicht
durch ein Sieb einer maschenweite
von 300.
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Das in der Erfindung verwendete Wasserglas ist eine wässrige Lösung
eines Alkalimetallsilikats mit der Formel 20.nSiO2, worin m ein Alkalimetall darstellt,
wie z.B. Natrium und Kalium und n eine Zahl von 2 bis 4 ist. Die Feststoffkonzentration
des Wasserglases liegt gewöhnlich höher als 17 Cewichts-Prozent und ein Wasserglas
mit einer solchen Konzentration wird vorteilhaft in der Erfindung verwendet, wobei
eine Feststoffkonzentration von 30 bis 40 Gewicht% erwünscht ist. Das Wasserglas
wird in dem Bereich von 40 bis 150 Gewichtsteilen basiert auf 100 Gewichtsteilen
des keramischen Ausgangsmaterials verwendet. Die Verwendung des Wasserglases in
geringeren oder grösseren mengen ergibt Produkte, die schlechte oder keine Porosität
und niedrige mechanische Festigkeit aufweisen. Die erwünschte menge des verwendeten
Wasserglases liegt in dem Bereich von 40 bis 80 Gewichtsteilen, basiert auf loo
Gewichtsteilen des keramischen Ausgangsmaterials.
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Um das Aushärten des Wasserglases zu beschleunigen,
wird
es, wenn nötig, in Kombination mit wasserlöslichen Salzen von Kieselfluss-Säure,
Fluorzirkonsäure, Fluorthalliumsäure und Fluorzinnsäure verwendet.
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Von diesen Salzen sind Alkali- oder Alkali-Erdmetallsalze von Kieselfluss-Säure
erwünscht, wie z.B.
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Natriumsilikofluorat, Kaliumsilikofluorat, Kalziumsilikofluorat etc..
Diese wasserlöslichen Salze werden einzeln oder in mischung in der menge von 1 bis
lo Gewichts-% verwendet, vorzugsweise 2 bis 6 Gewichts-%, basiert auf dem Gewicht
des verwendeten Wasserglases.
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Zur Verbesserung der Druckfestigkeit und Säurebeständigkeit der geschäumten
Endprodukte kann das Wasserglas auch in Kombination mit einer wässrigen koXoidalen
Dispersion von Kieselerde oder Tonerde verwendet werden. In der Erfindung ist es
erwünscht, kciloidale Dispersionen zu verwenden, die eine Feststoffkonzentration
von 5 bis 20 Gewicht% auf weisen und koloidale Partikel mit einem Durchmesservon
1 bis 100 P enthalten. Solche Dispersionen sind erhältlich unter der Handelsmarke
"Snowtex 20" (Warenzeichen kolloidale Dispersion von Kieselerde, Nissan Chemical
Industries Ltd., Japan), und
"Aluminasol ioo" und Aluminasol 20011
(beide sind Warenzeichen und beide sind kolloidale Dispersionen von Tonerde; Nisson
Chemical Industries Ltd., Japan).
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Die verwendeteMenge liegt vorzugsweise in dem Bereich von 5 bis 20
Gewichts-%, basiert auf dem Gewicht des verwendeten Wasserglases.
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In der Erfindung werden als die anorganischen Blasenbildner jene verwendet,
die in der Lage sind, Gas durch- deren Zersetzung zu erzeugen, wenn sie auf eine
Temperatur von 50 bis 300 OC erhitzt werden.
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Typische Beispiele dieser Stoffe sind Natriumbicarbonat, Ammoniumbicarbonat
und Ammoniumkarbonat. Die Blasenbildner werden in der menge von o,5 bis 1o Gewichtsteilen,
vorzugsweise von 2 bis 6 Gewichtsteilen verwendet, basiert auf 100 Gewichtsteilen
der keramischen Ausgangsmaterialien.
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Gemäss der Erfindung werden das keramische Ausgangsmaterial, Wasserglas
und Blasenbildner gleichmässig vermischt, um die schaumbildungsfähige keramische
Zusammensetzung der Erfindung herzustellen. Die Zusammensetzung weist Pastenform
auf und ist plastisch. Die Viskosität der Zusammensetzung variiert über einen
weiten
Bereich abhängig von der menge und Konzentration des verwendeten Wasserglases.
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Typischerweise ist es erwünscht, daß die pastenartige Zusammensetzung
eines Viskosität von 5000 bis 25000 Cp aufweist, obwohl auch jene mit einer höherenViskosität,
wie beispielsweise 30.ooo Cp oder einer niedrigeren Viskosität, wie beispielsweise
250 Cp in der Erfindung verwendet werden. Am erwünschtesten ist eine Zusammensetzung
mit einer Viskosität von lo.ooo bis 20.ooo Cp.
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Zur schaumbildungsfähigen Zusammensetzung der Erfindung werden verschiedene
Zusätze, wie z.B.
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Armierungsmaterialien, Stabilisatoren, Farbstoffe beigemengt. Die
Armierungsmaterialien sind z.B.
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anorganische Fassrn, solche wie Asbest, Basaltwolle, Glasfaser etc.
; synthetische Fasern, solche wie Polyamid, Polyester etc. ; und metallpulver, solche
wie Eisen, Kupfer, Nickel etc..
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In dem Fall der Herstellung geschäumter keramischer Produkte, welche
anschliessend an den schaumbildenden Vorgang nicht gebrannt werden, können solche
Substanzen
verwendet werden, die mit Wasserglas nicht reaktionsfähig
sind und sich während des schaumbildenden Vorganges nicht zersetzen und im Fall
der Herstellung gebrannter Produkte werden Substanzen verwendet, die die obigen
Eigenschaften aufweisen und sich ferner während des Brennens nicht zersetzen. Die
erwünschte menge der verwendeten Armierungsmaterialien liegt in dem Bereich von
3 bis 20 Gewicht% basiert auf dem Gewicht der kerajirischen Ausgangsmaterialien.
Die Stabilisierungsmittel enthalten Phloxin, Saponin, Albumin, Polyvenylalkohol,
Natriumsterat, Gelatine und Stärke und werden in der Menge von o,o5 bis 1,o Gewicht%
basiert auf dem ewicht der keramischen Ausgangsmaterialien verwendet.
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Bei der Herstellung geschäumter keramischer Produkte aus der vorliegenden
Zusammensetzung wird dieselbe in eine Form aus metall, Gips, Holz oder dergleichen
gebracht. Auf die Innenfläche der Form wird ein Trennmaterial aufgebracht, wie z.B.
Papier, Stoff, Beschichtungen aus Silikonharzen und Fluor enthaltenden Harzen etc..
Die geeignete Menge der in die Form eingebrachten Zusymmensetzung wird nach den
gewünschten Eigenschaften und Verwendungen der fertigen Produkte bestimmt, gewöhnlich
ist es jedoch erwünscht, daß die Zusammensetzung in die Form
eingebracht
wird, um 40 bis 80 Volum-% des Innenvolumens der Form zu füllen. Die Form ist entweder
geschlossen oder offen, es wird jedoch bevorzugt, sie mit Löchern zu versehen, um
das Austreten von Dampf zu erlauben, welcher von der Zusammensetzung erzeugt wird.
Die Form wird dann mittels eines geeigneten Heizgerätes, wie z.B. eines luftgeheizten
Ofens, eines elektrischen Ofens etc. von aussen zugeführter Wärme ausgesetzt. Eine
Temperatur im Bereich von 50 bis+300°C, vorzugsweise 50 bis looO wird gemäss der
Art des verwendeten Blasenbildners zugeführt. Das Wasserglas beginnt auszuhärten
und die Blasenbeildner beginnen sich zu zersetzen, wenn sie Wärme ausgesetzt werden
und die Zersetzung der Blasenbildner ist gewöhnlich innerhalb von etwa 3 bis 15
minuten vollendet. Während dieser Zeit ist das Wasserglas in der Zusammensetzung
beinahe ausgehärtet und somit sind die gewünschten geschäumten keramischen Produkte
der Erfindung hergestellt. Wenn nötig, kann die Erwärmung etwa 1o bis 40 minuten
fortgesetzt werden, um das Wasserglas vollständig zu erhärten und den Wassergehalt
in dem Produkt auf weniger als 1 Gewicht% zu vermindern. Der Form wird dann erlaubt,
auf Zimmertemperatur abzukühlen und die somit erhaltenen geschäumten, keramischen
Produkte werden aus der Form genommen.
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Die somit erhaltenen geschäumten keramischen Produkte weisen gewöhnlich
offene oder halb geschlossene Zellstrukturen und ein spezifisches Gewicht von o,5
bis 1,4 auf. Die Produkte besitzen ausreichend mechanische Festigkeit und Feuchtigkeits-Absorbtionseigenschaft,
sodaß sie vorteilhaft auf einem Gebiet angewendet werden können, wo ein leichtes
Gewicht und Feuchtigkeits-Absorbtionseigenschaft erforderlich ist.
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Um die mechanische Festigkeit weiter zu verbessern und um den Produkten
nützliche Eigenschaften zu verleihen, werden sie gebrannt. Die Brenntemperatur wird
gemäss den Arten der verwendeten keramischen Ausgangsmaterialien bestimmt, üblicherweise
wir-d jedoch eine Temperatur von 800 bis 1600 Grad C verwendet.
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Wenn als die keramischen Ausgangsmaterialien jene die SiO2 oder Al203-Bestandteile
in mehr als 50 Gewichts-% enthalten, verwendet werden, wird vorzugsweise eine Brenntemperatur
von 1100 bis 1200 OC angewendet.
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Durch dieses Brennen wird da Keramikpulver kristallisiert und das
Wasserglas gesintsrt, um das kristallisierte keramische material zu binden und als
Ergebnis kanndas
geschäumte keramische Material mit ausgezeichneter
mechanischer Festigkeit und leichtem Gewicht sowie genauer Abmessung und gewünschter
Form, jedoch ohne Feuchtigkeits-Absorbtionseigenschaft und ohne die Entstehung von
Rissen und Deformationen erhalten werden.
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Das gebrannte Produkt der Erfindung kann unverändert oder nach der
Verzierung der Oberfläche für verschiedene Zwecke verwendet werden. Für die Verzierung
der Oberfläche sind verschiedene allgemein bekannte Verfahren anwendbar. Z.B. kann
die Oberfläche des Produktes verziert werden durch Auftragen einer Glasur, die Farbstoff
enthält oder nicht und dann durch Einbrennen der Glasur durch Beschichten der Oberfläche
mit einem härtbaren Harz, wie z.B.
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Epoxyharz, Polyesterharz, melaminharz, Uretanharz etc.
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und dann durch Aushärten des Harzes oder durch Ausmeißeln oder Streichen
der Oberfläche.
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Die gebrannten keramischen Artikel der Erfindung sind leicht, von
ausgezeichneter Feuerbeständigkeit, Wärmefest, wetterfest, schalldicht und besitzen
Wärme speichernde Eigenschaften sowie hohe mechanische Festigkeit.
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Sie können für verschiedenen Zwecke verwendet werden, die solche Eigenschaften
verlangen, wie z.B. Ziegel, Keramikplatten, Deckenmaterialien, Wandmaterialien,
oder andere Baumaterialien, wärmeisolierende materialien, elektrische Isolationsmateralien,
Luftfilter, Filterträger für Katalysatoren etc. Jene mit verzierter Oberfläche können
als dekorative Platten für Tische, Spiegel, Türen, Fernsehanlagen und andere Innendekorationsmaterialien
verwendet werden.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung werden im Folgenden Beispiele
angegeben, in welchen die physikalischen Eigenschaften der Produkte gemäss der folgenden
Normen gemessen sind: Spezifisches Gewicht: JIS A-9512 (JIS: japanische Industrienorm)
Wasserabsorbtion: JIS R-2205 Druckfestigkeit: JIS A-5410 Wärmeleitfähigkeit: JIS
A-9510 Beispiel 1: mit 1200 Gramm einer Mischung aus Pyrophilit, Quarzit, Topfstein
und Sillimanit in einem Geichts-Mischverhältnis von 7 : 4 : 1 : o,5 wurden 700 Gramm
von 380 Beg Wasserglas
(Natriumsilikat in wässriger Lösung mit
einer Feststoffkonzentration von 33,4 Gewichts-%) und 20 Gramm Natriumbicarbonat
vermischt und die mischung wurde gründlich geknetet, wodurch eine schaumbildungsfähige
keramische Zusammensetzung der Erfindung in pastenartiger Form erhalten wurde.
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Das verwendete Phyrophilit, Quarzit, Sillimanit und der Topfstein
waren fein zerteilte Prüfer, die durch ein Sieb einer maschengrösse von ioo passten
und die folgenden Bestandteile enthielten: Pyrophyllit: SiO2 86,52 Gewichts-% Quarzit:
SiO2 99,43 Gewichts-% Topfstein: SiO2 78,21 Gewichts-% Sillimanit: SiO2 34,92 Gewichts-%
Al2O3 56,91 Gewichts-% Die so erhaltene pastenartige Zusammensetzung wurde in eine
quadratische hölzerne Form 300 x 300 x 15 mm eingebracht, deren Innenfläche zum
leichteren Ablösen mit einem Baumwollstoff überzogen war und wurde in einer thermostatischen
Kammer 1o Minuten lang auf looOC erhitzt und weitere 20 minuten lang auf 2000C erhitzt,
um das geschäumte Produkt herzustellen. Das aus der Form
genommene
erhaltene geschäumte Produkt wurde zwei Stunden lang in einem Ölofen bei 1150 oC
gebrannt, wodurch ein gebranntes Halbporzellanprodukt von weisser Farbe mit halb
geschlossener Zellstruktur erhalten wurde. Die physikalischen Eigenschaften des
Produktes waren wie folgt: Spezifisches Gewicht: 1,o Druckfestigkeit: loo kp/cm2
Wasserabeorbtion: 33,o % Wärmeleitfähigkeit: o,21 kcal/m.h.0C mit unbewaffnetem
Auge beobachtete Risse: keine Dieses Produkt war als thermisches Isolationsmaterial,
Baumaterial etc. gut verwendbar.
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Beispiel 2: mit 1250 Gramm einer Mischung aus Pyrophyllit, Feldspat,
Quarzit und Topfstein in einem Gewichts-Mischverhältnis von 4 : 3 : 2 : 1 wurden
700 Gramm Wasserglas, dasselbe wie in Beispiel 1 und 25 Gramm Ammoniumkarbonat vermischt
und die mischung wurde gründlich geknetet, wodurch eine schaumbildungsfähige keramische
Zusammensetzung
in pastenartiger Form erhalten wurde.
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Das verwendete Pyrophillit, Quarzit und der Topfstein waren dieselben
wie in Beispiel 1 und der verwendete Feldspat war in feine Partikel zertailt, die
durch ein Sieb mit einer maschenweite von loo passten und 74,43 Gewichts-% des 102
sowie 13,63 Gewichts-% Al203 enthielten.
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Die erhaltene pastenartige Zusammensetzung wurde in eine quadratische
Form 300 x 300 x 15 mm eingebracht, deren Innenfläche mit einem Baumwollstoff zum
leichteren Lösen bedeckt war und wurde in einer thermostatischen Kammer 1o minuten
lang auf looOC erhitzt und dann weitere 20 minuten auf 200°C erhitzt, um das geschäumte
Produkt herzustellen. Das aus der Form entnommene, erhaltene geschäumte Produkt
wurde zwei Stunden lang in einem Ölofen bei 1050°C gebrannt, wodurch ein gebranntes
Halbporzellan-Produkt von weisser Farbe mit halb geschlossener Zellstruktur erhalten
wurde. Die physikalischen Eigenschaften des Produktes waren wie folgt: Spezifisches
Gewicht: o,9 Druckfestigkeit: 75 kp/cm2
Wasserabsorbtion: 14 %
mit unbewaffnetem Auge beobachtete Risse: keine Beispiel 3: 600 Gramm Pyrophyllit
und Quarzit, dieselben wie in Beispiel 1 in einem Gewichts-Mischungsverhältnis von
1 : 1 wurden mit 300 Gramm Wasserglas, dasselbe wie in Beispiel 1, und 1o Gramm
Ammoniumbicarbonat vermischt und die mischung wurde gründlich geknetet, wodurch
eine schaumbildungsfähige keramische Zusammensetzung in pastenartiger Form erhalten
wurde.
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Die erhaltene pastenartige Zusammensetzung wurde in eine quadratische
Form 300 x 300 x 15 mm eingebracht, deren Innenfläche mit einem Baumwollstoff zum
leichteren Ablösen bedeckt war und wurde in einer thermostatischen Kammer 1o minuten
lang auf looOC erhitzt und weitere 20 minuten lang auf 2000C erhitzt, um ein geschäumtes
Produkt herzustellen. Das erhaltene geschäumte Produkt wurde in einem Ölofen 2 Stunden
lang bei 11oo 0C gebrannt, wodurch ein gebranntes Halbporzellan-Produkt von weisser
Farbe mit halb geschlossener Struktur erhalten wurde. Die physikalischen Eigenschaften
des Produktes waren wie folgt:
Spezifisches Gewicht: o,5 Druckfestigkeit:
27 kpscm2 Wärmeleitfähigkeit: o,17 kcal/m.h.°C Mit unbewaffnetem Auge beobachtete
Risse: keine Patentansprüche