DE19854650A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Färben von Vergußmassen - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Färben von Vergußmassen, insbesondere von mineralischen Vergußmassen und Beton mit Hilfe eines Farbadditivs, wobei das Farbadditiv hergestellt wird, indem ein Farbstoff, der eine Metalloxidverbindung umfaßt, mit einem körnigen Trägermaterial bei erhöhter Temperatur umgesetzt wird, wobei das Trägermaterial Granit- und/oder Quarzsand ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Färben von Vergußmassen, insbesondere von mineralischen Vergußmassen und Beton.

Vergußmassen, insbesondere diejenigen mit mineralischen Grundstoffen, wie z. B. Zement- und Betonzubereitungen, weisen in der Regel eine gleichförmige, wenig nuancierte Farbe auf, die derjenigen der Ausgangsmaterialien im wesentlichen ent­ spricht. Oftmals besteht jedoch eine Nachfrage nach individuell gefärbten Produkten, so daß Bauwerke oder dergleichen in einer jeweils gewünschten Farbe erstellt werden können.

Zu diesem Zweck wurden in der Vergangenheit zahlreiche Ver­ fahren vorgeschlagen. So beschreibt die US 4,204,876 eine Zusammensetzung zum Einfärben von Zement und Beton. Dort werden Pigmente, die aus Metalloxiden, Metallsalzen oder Ruß bestehen, zusammen mit einem Stabilisator, einem Dispersionsmittel und Wasser eingesetzt.

Die US 5,215,584 beschreibt ein Verfahren zum Färben von Baumaterialien, welches ein Einbringen von organischen Granalien, die aus einer Suspension hergestellt worden sind, umfaßt, die ein oder mehrere anorganische Pigmentmittel enthält.

Die DE 40 18 619 offenbart ein Verfahren, das darauf beruht, daß zu Natursanden oder zu anderen mineralischen Zuschlags­ stoffen Silikonharz und Pigmentfarbstoffe, organische Körper­ farbe oder Erdfarbe hinzugegeben und diese gründlich vermischt werden. Während der Mischung bildet sich hierbei auf der Oberfläche der Körner eine farbige Silikonschicht.

Die US 4,695,487 zeigt ein Verfahren zum Färben von Granit, wobei ein Metall in einer starken Säure aufgelöst wird, um eine Metallsalzlösung zu bilden, in welche anschließend der Granit gelegt wird. Durch eine folgende Wärmebehandlung im Bereich von 250°C bis 300°C entwickelt sich auf dem mit der Lösung imprägnierten Granit eine Farbe. Anschließend wird der farbige Granit einer Oberflächenbehandlung mit Silikonöl unterzogen.

All diesen bisher bekannten Verfahren ist es gemeinsam, daß die eingesetzten Materialien lediglich an ihrer Oberfläche behandelt wurden, so daß eine dauerhafte, abriebfeste und lichtbeständige Färbung einer späteren Zement- und/oder Betonmischung nach deren Fertigstellung nicht gewährleistet ist. Insbesondere bei den in der US 5,215,584 verwandten organischen Granalien ist ein erhöhter Abrieb und gegebenen­ falls auch mikrobiologischer oder oxidativer Abbau zu befürchten, so daß die anorganischen Pigmente ungeschützt einer Erosion ausgesetzt sind.

Weitere gravierende Nachteile weisen der in der DE 40 18 619 beschriebene gefärbte Sand sowie der in der US 4,695,487 beschriebene gefärbte Granit auf, da beide Produkte zum Schutz der Farbschicht mit Silikon behandelt werden. Aufgrund dieser Behandlung eignen sich diese Produkte nur bedingt für ihren Einsatz in Betonzusammensetzungen, wobei außerdem zu berück­ sichtigen ist, daß der Farbstoff, der die jeweiligen Träger umgibt, lediglich durch eine gegenüber mechanischen Einflüssen wenig widerstandsfähige Schicht vor Verschleiß und Abtrag geschützt ist.

Bei den genannten Verfahren sind die farbgebenden Pigmente im wesentlichen relativ lose zwischen den Zement- oder Betonbe­ standteilen eingebettet und relativ leicht durch mechanische Belastungen, wie z. B. Abrieb, Ausschwämmen und sonstige verschleißende Vorgänge abtrag- oder auswaschbar.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Färben von Vergußmassen, insbesondere von mineralischen Vergußmassen und Beton, zur Verfügung zu stellen, wobei ein gefärbter Zuschlagstoff eingesetzt wird, der gegen Verwitterung und Abrieb besonders resistent ist, und der die Festigkeitseigenschaften von Beton nicht beeinträchtigt.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß der Lehre nach Patentanspruch 1 oder mit einer Vorrichtung nach den Merkmalen des Patentanspruchs 15 gelöst.

Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird ein Farbadditiv hergestellt, indem ein Farbstoff mit einem Trägermaterial bei erhöhter Temperatur umgesetzt wird. Das Farbadditiv dient als Zuschlagsstoff für eine insbesondere mineralische Vergußmasse sowie für Beton.

Das Trägermaterial besteht hierbei aus Granit- und/oder Quarzsand, der eine Korngrößenverteilung von 0,1 mm bis 8 mm, vorzugsweise von 0,2 mm bis 5 mm und besonders bevorzugt von 1 mm bis 3 mm aufweist. Für spezielle Anwendungsbereiche ist jedoch auch die Verwendung von Splitt oder von Steinen, beispielsweise in der Größe von Kieselsteinen, als Trägermaterial möglich.

Vorzugsweise wird hierbei ein möglichst transparent er und/oder heller Granit/Quarz eingesetzt, damit sich auf dem Trägermaterial möglichst viele Farbtöne verwirklichen lassen. Es ist jedoch auch möglich, daß zum Herstellen bestimmter Farbnuancen auch dunkler Granit/Quarz verwendet wird.

Als Farbstoffe werden Oxide von Aluminium, Magnesium, Silizium, Nickel, Mangan, Kobalt, Eisen, Chrom, Titan, Zink, Kupfer, Silber, Antimon, Blei, Uran, Neodym und Praseodym und/oder Mischoxide dieser Elemente verwendet. Die Wahl der jeweiligen Elemente richtet sich hierbei nach dem später gewünschten Farbton des Farbadditivs.

Aufgrund des nachstehend beschriebenen Verfahrens zur Herstellung des Farbadditivs ist es notwendig, daß die Oxide bzw. Mischoxide der jeweiligen Elemente beständig gegen höhere Temperaturen sind.

Insbesondere auch die aus der Hartporzellan-Färberei bekannten "Schaffeuerfarben" sind für das Verfahren der vorliegenden Erfindung geeignet. Zu nennen sind hier Kobaltoxid und Thenards-Blau für blau, Chromoxid für grün, Eisenoxid für braun und Uranoxid für Schwarz. Auch Kobaltgrün, das auch als Rinmanns-Grün bezeichnet wird und durch Zusammenglühen von Zinkoxid mit Kobalt(II)-Oxid erhalten wird, ist als türkisgrüner Farbstoff geeignet. Besonders geeignet für das vorliegende erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch Kobaltblau, auch Thenards-Blau genannt, mit der allgemeinen Formel CoAl₂O₄.

Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Farbstoff bei erhöhter Temperatur mit einem körnigen Träger­ material umzusetzen, so daß das körnige Trägermaterial ober­ flächlich zumindest teilweise schmilzt und der Farbstoff in der geschmolzenen Trägermaterialmatrix eingebettet wird und nach dem Abkühlen vor verschleißenden Einflüssen geschützt darin verbleibt. Vorrichtungsseitig wird hierbei ein entsprechend beschickter Drehrohrofen eingesetzt.

Zu diesem Zweck wird eine Substratmischung, die den Farbstoff und das Trägermaterial enthält, vorzugsweise in einem Drehrohr­ ofen bei einer Temperatur, die größer als 960°C ist, umgesetzt. Bei diesem Vorgang werden die Körner des kornförmigen Träger­ materials zumindest in Teilbereichen oberflächlich oder vollständig geschmolzen. Durch ein inniges Vermischen der Substratmischung werden die Körner des Trägermaterials je nach Mengenzugabe an Farbstoff zumindest teilweise oberflächlich von dem Farbstoff bedeckt, der mit den geschmolzenen Teilbereichen der Körner in Wechselwirkung tritt und von der Schmelze umhüllt wird. Die Umsetzung der Substratmischung erfolgt so lange, bis eine gewünschte Färbung der Körner des Trägermaterials erreicht ist, wobei der Farbstoff entweder zu Beginn der Umsetzung mit dem Trägermaterial zusammen in das Drehrohr eines Drehrohrofens eingebracht wird, oder nachträglich zudosiert wird.

Auch die Kombination beider Varianten ist denkbar, bei der zunächst eine gewisse vorbestimmte Menge an Farbstoff direkt mit dem Trägermaterial in den Drehrohrofen eingebracht wird und erst anschließend nach einer erfolgten Teilumsetzung erneut weiterer Farbstoff zudosiert wird. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn entweder sehr intensive Färbungen erreicht werden sollen, oder wenn ein zweiter Farbstoff, der eine andere Farbtönung als der erste anfänglich zugegebene oder zudosierte Farbstoff aufweist, zu der Substratmischung hinzugegeben werden soll.

Durch ein inniges Vermischen der Substratmischung bei einer Temperatur von 900°C bis 1400°C, vorzugsweise von 1100°C bis 1350°C und insbesondere im Bereich von 1200°C bis 1290°C, werden die Partikel des Farbstoffs innig mit der aufgeschmol­ zenen Oberfläche des kornförmigen Trägermaterials vermengt und von diesem umhüllt, so daß die Farbstoffpartikel bei einem Abkühlen der Substratmischung nach erfolgter Umsetzung inner­ halb der auf der Oberfläche der Körner erstarrenden Schmelze verbleiben.

Auf diese Weise werden die Farbstoffpartikel innerhalb der wieder erstarrten Schmelze eingeschlossen, so daß sie von außen nicht mehr zugänglich und für Reaktionen physikalischer und chemischer Natur nicht mehr ohne weiteres verfügbar sind. Die Farbstoffpartikel können bei den Umsetzungstemperaturen ent­ weder als Feststoff vorliegen oder ihrerseits auch in einen Schmelzzustand übergehen.

Der Farbstoff wird vorzugsweise in einer Konzentration von 0,1 Gew.-% bis 2 Gew.-% eingesetzt, jedoch sind auch - je nach Güte des Trägermaterials und beabsichtigter Färbung - Konzen­ trationen von 0,01 Gew.-% bis 10 Gew.-% oder mehr denkbar.

Die Güte des Trägermaterials bestimmt sich nach seiner stoff­ lichen Eigenart, insbesondere ob es sich um Granit oder um Quarz oder um eine Mischung aus beiden handelt, nach seiner Transparenz, Helligkeit oder farblichen Abstufung sowie nach seiner Körnigkeit. Granit bietet hierbei Quarz gegenüber den Vorteil, daß sein Schmelzpunkt niedriger und damit leichter zu erreichen ist. Hinsichtlich der Färbung des ursprünglichen Trägermaterials gibt es im Hinblick auf das erfindungsgemäße Verfahren keine Einschränkung, jedoch sind transparente und/oder helle Granite oder Quarze prinzipiell besser für eine oberflächliche Färbung mittels eines Farbstoffs geeignet. Insbesondere fein nuancierte Farbtöne sind mit hellen Ausgangs­ materialien leichter zu erzeugen. Die Korngrößen des verwen­ deten Trägermaterials liegen im Bereich von 0,1 mm bis 8 mm, vorzugsweise von 0,2 mm bis 5 mm und insbesondere im Bereich von 1 mm bis 3 mm.

Nachdem die Umsetzung der Substratmischung bei erhöhter Temperatur abgeschlossen ist, erfolgt eine definierte Abkühlung unter geregelten Bedingungen, insbesondere unter Vorgabe von Haltepunkten, so daß gefärbte Körner erhalten werden.

Des weiteren läßt sich die Färbung des Farbadditivs auch durch eine dezidierte Temperaturwahl während der Umsetzung beein­ flussen. Dies wird insbesondere bei der Verwendung von Kobalt­ blau als Farbstoff deutlich. Bei einer Umsetzung der Substrat­ mischung bei 1200°C erhält man eine hellblaue Ummantelung der Trägermaterialkörner, während eine Umsetzungstemperatur von 1290°C zu einer dunkelblauen Ummantelung des Trägermaterials führt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt einen Drehrohrofen, der hinsichtlich der Temperatur des Ofens, der Drehgeschwindigkeit des Rohrs und der Neigung des Rohrs regelbar ist. Obgleich die Regelbarkeit des Drehrohrofens zur Durchführung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens nicht zwingend ist, so birgt diese aufgrund der vielfältigen Stoffkombinationsmöglichkeiten hinsichtlich Trägermaterial (Granit und/oder Quarz der unterschiedlichen Güteklassen) und der verwendbaren Farbstoffe (Oxide und Misch­ oxide der genannten Elemente) diverse Vorteile.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann sowohl chargenweise als auch kontinuierlich durchgeführt werden.

Obgleich eine kontinuierliche Durchführung des Verfahrens in einem Drehrohrofen in der Regel eine effiziente Methode darstellt das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen, so ist auch denkbar, das Verfahren chargenweise, beispielsweise in einem Schichtofen, wie er z. B. in der Zement- oder Metallindustrie üblich ist, durchzuführen. In einem solchen Schichtofen könnte das Trägermaterial beispielsweise vollständig aufgeschmolzen werden, so daß es vollständig und nicht nur oberflächlich mit dem Farbstoff vermengt und von diesem durchdrungen wird. Auf diese Weise lassen sich individuell geformte Granit- und/oder Quarzteile erzeugen, die vollständig mit Farbstoff durchsetzt sind. Diese Teile lassen sich entweder als solche oder in gebrochenem Zustand weiterverarbeiten.

Einer der wesentlichen Vorteile des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens ist, daß der als Trägermaterial verwendete Granit und/oder Quarz hinsichtlich seiner chemischen Struktur optimal in das Gefüge von mineralischen Vergußmassen wie Zement und insbesondere auch Beton eingebunden wird. Gemäß dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren ist der Farbstoff im wesentlichen nicht direkt an der Oberfläche der Körner des Trägermaterials angeordnet, sondern durch den oberflächlichen Aufschmelzvorgang des Trägermaterials in die Trägermaterialmatrix fest einge­ bunden und von dieser ummantelt. Somit ist der Farbstoff als solches nicht direkt mit dem Vergußmassenmaterial vermengt, sondern in Form des Farbadditivs. Der Farbstoff ist in die äußere Schicht des Farbadditivs fest eingebaut und in dieser sichtbar, wobei die äußere Schicht des Farbadditivs jedoch im wesentlichen aus der Basissubstanz des Trägermaterials besteht. Dies ist eine Granit- und/oder Quarzmatrix, welche sich insbesondere gut als Vergußmassenkomponente eignet, da sie mit den Vergußmassen-, insbesondere mit den Zement- und Betonkomponenten beim Aushärten der Vergußmasse eine chemische Verbindung bildet. Die Farbpartikel liegen somit in der ausgehärteten Vergußmasse nicht als mehr oder weniger lose, bewegliche Teilchen vor, sondern sie sind in die ausgehärtete Vergußmasse voll integriert und mit dieser chemisch verbunden. Auf diese Weise ist gewährleistet, daß die Festigkeit der Vergußmasse nicht beeinträchtigt wird. Dies ist insbesondere bei der Verwendung von Beton als Vergußmasse von besonderem Interesse, da Beton in der Regel für hochfeste Strukturen Anwendung findet.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Ummantelung des Farb­ stoffs ist, daß die chemischen Eigenschaften des Farbstoffs durch die Ummantelung mit Trägermaterial, obgleich diese nur sehr dünn ist, keinen Einfluß auf die Vergußmassenbestandteile haben. Dies ist insbesondere im Hinblick auf Zement und Beton von Interesse, da diese Vergußmassen alkalisch reagieren und die Farbstoffe, sofern sie nicht wie in der vorliegenden Erfin­ dung von einem weitgehend inerten Material ummantelt sind, basenbeständig sein müssen. Da bei dem erfindungsgemäßen Ver­ fahren die Farbstoffe jedoch gegen äußere Einflüsse geschützt unter einer dünnen Deckschicht aus Trägermaterial vorgesehen sind, können auch andere als die unter dem Begriff "Zement­ farben" bekannten Pigmente und Farben verwendet werden. Dies ist deshalb möglich, da die Farbstoffe nicht direkt mit den Vergußmassebestandteilen in Berührung kommen.

Ausführungsbeispiel

Ein silberweißer und ein perlmuttfarbener Granitsand mit einem Kornspektrum von 1 mm bis 3 mm wurde in fünf verschiedenen Versuchen zusammen mit Kobaltblau als Farbstoff in einem Drehrohrofen bei Temperaturen von 1200°C bis 1290°C umgesetzt. Der Winkel des Drehrohrofens betrug bei allen fünf Versuchen 2°; die Drehgeschwindigkeit hatte jeweils auf einer Skala von 1 bis 10 den Wert 5. Die Umsetzungsdauer im Drehrohrofen betrug jeweils 45 Minuten.

Makroskopische Beurteilung

Bei allen Versuchen wurde der Granitsand blau eingefärbt. Unter mechanischer Belastung erfolgte kein Abrieb der Farbe und auch bei einem Waschen unter fließendem Wasser blieb die Farbe erhalten. Je nach der Temperaturwahl des jeweiligen Versuches war die Farbe der eingefärbten Granitsandkörner von hellblau (Umsetzungstemperatur = 1200°C) bis dunkelblau (Umsetzungstemperatur = 1290°C) nuanciert.

Mikroskopische Beurteilung

Alle Proben des eingefärbten Granits wiesen eine mehr oder weniger geschlossene blaue Umhüllung auf, wie durch Anschliffe der eingefärbten Granitsande festgestellt wurde. Es zeigte sich, daß Kobalt nur an der Oberfläche auftritt. Eine Diffusion von Kobalt war nicht zu erkennen. Es zeigte sich zudem, daß die färbenden Partikel fest auf der Oberfläche anhaften und je nach Umsetzungstemperatur eine Hülle ausbilden.

Claims (16)

1. Verfahren zum Färben von Vergußmassen, insbesondere von mineralischen Vergußmassen und Beton mit Hilfe eines Farbadditivs, dadurch gekennzeichnet, daß das Farbadditiv hergestellt wird, indem ein Farbstoff mit einem körnigen Trägermaterial bei erhöhter Temperatur umgesetzt wird, wobei das Trägermaterial Granitsand und/oder Quarzsand ist.

2. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Farbstoff eine Metalloxidverbindung verwendet wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Trägermaterial ein transparentes und/oder helles Trägermaterial verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial Korngrößen von 0,1 mm bis 8 mm, vorzugsweise von 0,2 mm bis 5 mm und insbesondere von 1 mm bis 3 mm aufweist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Substratmischung, die den Farbstoff und das Trägermaterial enthält, während der Umsetzung bei erhöhter Temperatur durchmischt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzungstemperatur so gewählt wird, daß die Körner des kornförmigen Trägermaterials zumindest in Teilbereichen oberflächlich oder vollständig geschmolzen werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzungstemperatur im Bereich von 900°C bis 1400°C, vorzugsweise im Bereich von 1100°C bis 1350°C und insbesondere im Bereich von 1200°C bis 1290°c liegt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Farbstoff in einer Konzentration von 0,01 Gew.-% bis 10 Gew.-% und vorzugsweise von 0,1 Gew.-% bis 2 Gew.-% angewandt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Farbstoff Oxide von Aluminium, Magnesium, Silizium, Nickel, Mangan, Kobalt, Eisen, Chrom, Titan, Zink, Kupfer, Silber, Antimon, Blei, Uran, Neodym und Praseodym und/oder Mischoxide dieser Elemente verwendet werden.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Farbstoff in situ während der Umsetzung mit dem Trägermaterial bei erhöhter Temperatur aus seinen Basiskomponenten gebildet wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Farbstoff Kobaltblau verwendet wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Farbstoff in dem Farbadditiv zumindest teilweise in das Trägermaterial eingeschmolzen wird.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlung der Substratmischung nach Beendigung der Umsetzung bei erhöhter Temperatur unter geregelten Bedingungen, insbesondere durch Vorgabe von Haltepunkten durchgeführt wird.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren chargenweise oder kontinuierlich durchgeführt wird.

15. Vorrichtung zum Herstellen eines Farbadditvs gemäß den Ansprüchen 1 bis 14, gekennzeichnet durch den Einsatz eines regelbaren Drehrohrofens, eines Schichtofens oder eines anderen für das Verfahren geeigneten Ofens.

16. Verwendung eines Farbadditvs, das gemäß den Ansprüchen 1 bis 14 und/oder mittels einer Vorrichtung nach Anspruch 15 hergestellt worden ist, zum Färben von Vergußmassen, insbesondere von mineralischen Vergußmassen und Beton.