DE2055283B2

DE2055283B2 - Verfahren zur Herstellung von Fonnkörpern aus wasserfestem oder unlöslichem Alkalisilikatschaum

Info

Publication number: DE2055283B2
Application number: DE19702055283
Authority: DE
Inventors: Ramesh P. Sarnia Ontario Rao (Kanada)
Original assignee: Fiberglas Canada Inc
Current assignee: Owens Corning Canada Inc
Priority date: 1969-11-10
Filing date: 1970-11-10
Publication date: 1979-03-29
Also published as: FR2080880B1; DE2055283C3; FR2080880A1; JPS508089B1; DE2055283A1

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus wasserfestem oder unlöslichem Alkalisilikatschaum, bei dem Alkalisilikatpartikel mit einem Wassergehalt von 5 Gew.-% bis 30 Gew.-% unter Einwirkung von Temperatur und Druck geformt und unter Wärmeeinwirkung verschäumt werden.

Ein derartiges Verfahren ist aus der deutschen Auslegeschrift 11 27 270 bekannt. Beim bekannten w Verfahren wird der Wassergehalt des Alkalisilikats dadurch eingestellt, daß von Alkalisilikatlösungen beispielsweise Wasserglaslösungen ausgegangen wird, aus denen man das Wasser bis auf den jeweils gewünschten Restgehalt ausdampft. Ferner benutzt man um den porösen Formkörper wasserunlöslich zu machen eine zusätzliche Wärmebehandlung bis zu einer Temperatur von 500⁰C.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus wasserfestem oder unlöslichem Alkalisilikatschaum zu schaffen, bei dem ein verringerter Aufwand insofern erzielt wird, als eine Vorbehandlung zur Einstellung eines gewünschten Restwassergehaltes im Ausgangsmaterial und eine zusätzliche Wärmebehandlung um den Alkalisilikatschaum unlöslich zu machen, nicht mehr notwendig sind.

Diese Aufgabe wird bei dem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß vor dem Verschäumen festes feinverteiltes Alkalimetallsilikat mit einem mittleren Korngrößendurchmesser von 5 μ bis 250 μπα unter Zumischen von Komplexbildnern, welche den Alkalisilikatschaum unlöslich machen bei 20⁰C bis 350⁰C hydratisiert wird.

Als vorteilhaft erweist es sich bei der Erfindung gegenüber dem bekannten Verfahren, daß von fein verteiltem festem Alkalimetallsilikat ausgegangen werden kann und zum Unlöslichmachen des Silikatschaums während der Hydratisierung Komplexbildner zugemischt werden können. Beim bekannten Verfahren ist diese Zumischung von Komplexbildnern zur Wasserglaslösung wegen der ungleichförmigen Verteilung der Komplexbildner nicht so ohne weiteres möglich.

Das beim erfindungsgemäßen Verfahren gewonnene Produkt besitzt die nachfolgenden physikalischen Eigenschaften:

a) Feinporige, geschlossene Zellstruktur,

b) Dichte zwischen 0,032 g/cm³ bis 0,128 g/cm³,

c) Wärmeleitfähigkeitsfaktor (»K«) bei 23,9°C mittlerer Temperatur von 0,024808 kcal m/m²/h/°C bis 0,049619 kcal/m/m²/h/°C,

d) Druckfestigkeit bei 5% Deformation von 1,40 kg/cm² bis 10,5 kg/cm².

Die gewonnenen Alkalimetallsilikatschäume sind hart und unbrennbar und erzeugen im Brandfalle keinen Rauch. Sie sind gegenüber organischen Lösungsmitteln inert, geruchlos, nicht toxisch und begünstigen den Schimmelwuchs nicht. Sie können als hochtemperaturfeste Isolationsmasse verwendet werden, die gute Stabilität gegen unerwünschten Schrumpf aufweist. Als Wärmeisolationsmaterial bleiben sie bei längerer Temperaturbelastung von 700 bis 1000⁰C dimensionsstabil.

Als Ausgangsmaterial wird bevorzugt im wesentlichen wasserfreies und festes Alkalimetallsilikat eingesetzt. Das pulverisierte Alkalimetallsilikat kann ein Zusammensetzungsverhältnis von S1O2 zu R2O von 1 bis 6 annehmen, wobei R für Na, K, Li, steht.

Bei der Durchführung der Verfahren in der Praxis können ein festes fein verteiltes Alkalimetallsilikat sowie ein fein verteiltes Pulver, eine Dispersion oder Lösung eines komplexbildenden Mittels hergestellt werden. Diese Komponenten werden in geeigneten Mengen mit Wasser, Wasserdampf und/oder Dampf bei einer festgelegten Temperatur im Bereich von 20 bis 350° gemischt. Falls erforderlich, kann Überatmosphärendruck angewandt werden. Das Mischen erfolgt innerhalb einer vorbestimmten Zeit, um einheitliche Hydratisierung und Unlöslichkeit zu garantieren. Das resultierende hydratisierte Material enthält Wasser in einer Menge von 5 bis 30 Gew.-°/ö. Die hydratisierte Masse wird für das weitere Verarbeiten zu einem späteren Zeitpunkt gelagert oder das Verarbeiten zu feinporigem Silikatschaum geschieht sofort.

Beispiel I

Natriumsilikatteilchen mit einer Teilchengröße von 80 bis 100 μηι wurden in 20% Wasser mit 0,1% eines oberflächenaktiven Mittels auf der Basis von Alkylarylpolyätheralkoholen, Sulfonaten und Sulfaten suspendiert und in einem Mixer mit einer Geschwindigkeit von 2000 Umdrehungen pro Minute 20 Minuten lang gemischt. Das resultierende Gemisch wurde in einen Autoklaven unter einem Dampfdruck von 1,05 Atmosphären gegeben. Nach 30 Minuten war die Aufschläm-

mung vollkommen hydratisiert und viskoplastisch.

Der Block aus Natriumsilikathydrat wurde dann bei 100⁰C in einer Form unter Anwendung eines Druckes von 14 kg/cm² 5 Minuten lang gepreßt Der monolithi-

Tabelle I (Beispiel I)

sehe Block wurde aus der Form entfernt und durch Zufuhr von Mikrowellenenergie mit einer Frequenz von 2,45 · 10⁹ Hz verschäumt Die in Beispiel I vei-wendete Zusammensetzung ist in Tabelle 1 wiedergegeben.

Zusammensetzung des Gemisches

Dichte des
Schaums

Druckfestigkeit

Natriumsilikat 653 g

(SiO₂/Na₂O Molverhältnis 3,22)

Wasser 129 g

Oberflächenaktives Mittel auf der Basis 0,8 g

von Alkylarylpolyätheralkoholen,
Sulfonsten und Sulfaten

0,12g/cm³

1,76 kg/cm³

Es wurde ein wasserlöslicher Schaum erhalten.

Der Schaum hatte geschlossene Poren. Bei einer 15minütigen Prüfung auf Feuchtigkeitsbeständigkeit in einem Autoklaven unter 0,35 Atmosphärendruck brach der Schaum zusammen und löste sich auf.

Beispiel II

Ein Gemisch aus 653 g gepulvertem Natriumsilikat, 40 g Borsäure, 52 g Aluminiumhydroxyd, 2,5 g Zinkstaub und 2,5 g Titanhydroxyd wurde in einem herkömmlichen Mischer mit Flügeln trocken gemischt. Dieses

Tabelle II (Beispiel II)

Material wurde dann mit 251 g Wasser vermischt und kontinuierlich in einem Autoklaven unter einem Druck von 1,05 Atmosphären hydratisiert Nach 15 Minuten Autoklavenbehandlung wurde das viskoplastische Hydrat bei 110⁰C unter 14,1 Atmosphären gepreßt. Das erhaltene monolithische Hydrat wurde in einem Mikrowellenofen, der mit einer Frequenz von 2,45 · 10⁹ Hz arbeitete, verschäumt. Der resultierende Schaum war feis.-porig und hart Die Zusammensetzung des Gemisches und die Eigenschaften des Schaumes

jo sind in Tabelle Il wiedergegeben.

Zusammensetzung	653 g	SiO₂/Na₂O Dichte des	Feuchtigkeits
	52 g	Molverhältnis Schaums	aufnahme bei
	40 g	im Na-Silikat	0,35 atü inner
	2,5 g		halb 1 Stunde
Natriumsilikat	2,5 g	3,22 0,1586 g/cm³	18%
AI(OH),	231g
H₃BO,	ig
Zn-Staub
Ti(OH)₄
H₂O
Oberflächenaktives Mittel auf der
Basis von Alkylarylpolyätheralkoholen,
Sulfonaten und Sulfaten

Der Schaum behielt bei einer Behandlung mit 0,35 Atmosphären Dampf im Verlauf von 60 Minuten seine ursprüngliche Beschaffenheit und Festigkeit. Er ist deshalb für viele praktische Endanwendungszwecke im wesentlichen wasserunlöslich.

Beispiel III

Es wurde das in Beispiel II verwendete Verfahren und die gleiche Ausrüstung eingesetzt. Das folgende Gemisch wurde im Mikrowellenofen geschäumt.

b0

Natriumsilikat	653 g
H₃BO₃	45 g
Ti(OH)4 ■ nH₂O	25 g
H₂O	231g
Zn	2,5 g
Nichtionisches Benetzungsmittel	0,5 g

65 Der erhaltene Schaum war feinporig und hatte geschlossene Zellen. Er hatte eine Dichte von 0,1041 g/cm³ und eine Druckfestigkeit von 3,52 kg/cm² bei 10% Deformation. Er war mehrere Stunden bei Temperaturen bis zu 538⁰C dimensionsstabil. Nach einer 96stündigen Behandlung bei 96% relativer Feuchtigkeit und 49° C war der Schaum noch dimensionsstabil und wies die ursprünglichen Festigkeitswerte auf. Er hatte ungefähr 28% Feuchtigkeit aufgenommen.

Beispiel IV

Sodaasche, Siliziumdioxyd und Aluminiumfluorid wurden in einem Platintiegel geschmolzen. Es wurde ein modifiziertes Natriumsilikat erhalten, das folgende Zusammensetzung aufwies: Na₂O · 4 SiO₂ · 0,2 AlF₃. Das Silikatglas wurde zu Teilchen mit 50 bis 100 μιη Durchmesser pulverisiert. Anschließend wurde es im Autoklaven bei einem Dampfdruck von 105 Atmosphä-

ren hydrolysiert Die Autoklavenbehandlung variierte von 10 Minuten bis zu 1 Stunde, wobei die Teilchengröße der bestimmende Faktor war. Das resultierende Hydrat enthielt 18% Wasser. Es wurde in einem Mikrowellenofen verschäumt wobei ein feinporiger, geschlossenzelliger, fester Schaum mit einer Dichte von 0,1442 g/cm³ erhalten wurde. Der Schaum hatte hervorragende Feuchtigkeitsbesländigkeit Dies ergibt sich aus der Tatsache, daß nur 2% Feuchtigkeit bei einer Behandlung von 30 Minuten mit 0,35 Atmosphären Dampf aufgenommen wurden. Er hatte einen Erweichungspunkt von 620⁰C, der damit um vieles höher liegt als die bisher beobachteten Erweichungspunkte der Natriumsilikatschäume.

Beispiel V

Natriumsilikat mit einem SiCVNaaO-Verhältnis von 4 :1 wurde unter den Bedingungen und mit den Anlagen von Beispiel IV hydratisiert Die Versciiäumung wurde in einem Mikrowellenofen vorgenommen, wobei im wesentlichen ein offenporiger Silikatschaum erhalten wurde. Der Schaum hatte eine Dichte von 0,12495 g/cm³ und war wasserlöslich. Er wurde bei einer Behandlung bei 49° C und 96% relativer Feuchtigkeit rasch zersetzt. Das für die Verschäumung benützte Hydrat hatte einen Wassergehalt von 18%.

Beispiel Vl

Ein Natriumsilikat mit einem SiO₂/Na₂O-Verhältnis von 5 :1 wurde unter den Bedingungen und mit der Anlage von Beispiel IV hydratisiert. Die Verschäumung erfolgte in einem Mikrowellenofen, wobei im wesentlichen ein geschlossenzelliger Silikatschaum erhalten wurde. Der Schaum hatte eine Dichte von 0,1282 g/cm³ und hervorragende Feuchtigkeitsbeständigkeit. Bei einer Behandlung im Autoklaven von 15 Minuten mit 0,35 Atmosphären Dampf betrug die Wasseraufnahme nur 1,5%. Der Schaum behielt im wesentlichen die ursprüngliche Festigkeit und Dimensionsstabilität bei. Das für die Verschäumung benützte Hydrat hatte einen Wassergehalt von 20%.

Beispiel VIl

1. 882 g Natriumsilikat mit einem SiO₂/Na₂/-Verhältnis von 3,2 :1 wurden in 300 ml Wasser, das 0,5 g eines oberflächenaktiven Mittels auf der Basis von Alkylarylpolyätheralkoholen, Sulfonaten und Sulfr.ten enthielt, 4 Minuten mittinem herkömmlichen Mischer mit Flügeln dipergiert.

2. 60 g Borsäure und 40 g Aluminiumhydroxyd wurden zugesetzt. Das Mischen wurde weitere 4 Minuten fortgesetzt.

3.5 g eines im Handel erhältlichen Polyäihylenpulvers mit einer Korngröße bis zu 30 μηι und 20 g Magnesiumpulver mit einem Durchmesser von 10 μπι wurden in die obige Aufschlämmung eingebracht. Es wurde weitere 5 Minuten gemischt.

4. Das in Stufe 3 erhaltene Gemisch wurde 30 Minuten in einem Autoklaven unter 1,05 Atmosphären Dampf hydratisiert. Die hydratisierte Masse wurde dann bei 102° C unter einem Druck von 15,5 Atmosphären 5 Minuten gepreßt. Dabei wurde eine monolithische plastische Masse erhalten. Die plastische Masse wurde 9 Minuten in einem Mikrowellenofen mit 1,5-kW-Leistung mit 2,45 - 10⁹Hz verschäumt. Der nach diesem Verfahren erhaltene Schaum hatte geschlossene Zellen und eine Dichte von 0,1089 g/cm³. Er hatte eine Wärmeleitfähigkeit (K) von 59,55 kcal/h/mVC/m bei

24° C. Die Druckfestigkeit betrug bei 5% Deformation 3,16 kg pro cm². Bei einer Behandlung von 96 Stunden bei 49° C und einer relativen Feuchtigkeit von 98% nahm der Schaum 18% Feuchtigkeit auf, behielt jedoch die ursprüngliche Festigkeit und Dimensionen.

Beispiel VIII
Verstärkter Silikatschaum

Es wurde das Verfahren und die Vorrichtung von Beispiel I verwendet Das nachfolgende Gemisch wurde im Mikrowellenofen verschäumt

= 3,2 :1

Gemisch:	653 g SiO₂/Na₂O
Natriumsilikat
Al (OH)₃ · xH₂O	52 g
(69% AI₂O₃)	52 g
H₃BO₃	9g
KaIz. tetraborat
Polyäthylenpulver,	18g
Korngröße bis zu 30 μπι	2,5 g
Ti(OH)₄	2,5 g
Zn	1g
MgOCl ■ /?H₂O	231g
H₂O
Oberflächenaktives
Mittel auf der Basis
von Alkylaryipoly-
ätheralkoholen, Sul	0,1g
fonaten und Sulfaten
Nichtionisches	0,3 g
Benetzungsmittel	36 g
Glasfaserschnitzel

j5 Die für das Gemisch eingesetzten Glasfasern hatten einen Durchmesser von 10 μηι und eine Länge von 0,794 mm. Das nach diesem Verfahren erhaltene verschäumte Produkt hatte eine Dichte von 0,20826 g/cm³ und eine Druckfestigkeit von 10,4 kg/cm² bei 10% Deformation. Nach einer Behandlung von 96 Stunden bei 49°C und 100% relativer Feuchtigkeit blieben Festigkeit und thermische Eigenschaften, z. B. Wärmeisolierung und Wärmebeständigkeit, erhalten.

Beispiel IX

Die Glasfasern von Beispiel VIII wurden durch fein verteilte Glimmerflocken ersetzt. Dann wurde das Verschäumungsverfahren wiederholt. Der steife Schaum hatte eine Dichte von 0,2403 g/cm³ und eine Druckfestigkeit von 11,06 kg/cm².

Beispiel X
Sinterverfahren

Es wurde das gleiche Verfahren und die Vorrichtung benützt, die im ersten Teil von Beispiel II beschrieben wurden. In einem Autoklaven wurde 15 Minuten nachfolgendes Gemisch hydratisiert. Das Hydrat wurde dem Autoklaven entnommen und auf Raumtemperatur

bo abgekühlt. Dabei wurde ein harter, fester Block erhalten. Dieser wurde in einer Labormühle pulverisiert, wobei Teilchen bis 0,5 mm Korngröße erhalten wurden. 3ie wurden 5 Minuten bei 56 Atmosphären und Umgebungstemperatur in einer hydraulischen Labor-

b5 presse umgesetzt. Der erhaltene durchscheinende, halbfeste Block wurde durch Zuführung von Mikrowellenenergie verschäumt. Der Schaum hatte eine Dichte von 0,0779/cm³.

Zusammensetzung des Gemisches:

Natriumsilikat	Beispiel XI	900 g
Polyäthylen	Sinterverfahren	50 g
Borsäure	25 g
Aluminiumhydroxid	25 g
Titanhydroxid	5g
Wasser	231g

Es wurde das im ersten Teil von Beispiel 2 beschriebene Verfahren und die Vorrichtung verwendet. Die nachfolgende Zusammensetzung wurde 15 Minuten in einem Autoklaven hydratisiert. Das Hydrat

ι ■■>

wurde nach dem Abkühlen zu Teilchen mit einer Teilchengröße bis zu 0,5 mm pulverisiert. Es wurde in einer Presse bei 105⁰C mit 42,2 Atmosphären gepreßt. Nach 10 Minuten wurde der halbfeste Block des Hydrates aus der Form entfernt. Er wurde dann in einem Mikrowellenofen mit 1,5 kW-Leistung und 2,45 · 10⁹ Hz verschäumt. Der praktisch unlösliche Schaum hatte eine Dichte von 0,1682 g/cm³.

Zusammensetzung des Gemisches:

Natriumsilikat	882 g
Borsäure	60 g
Aluminiumhydroxid	40 g
Polyäthylen	10g
Nichtionisches Benetzungsmittel	5g
Wasser	210g

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus wasserfestem oder unlöslichem Alkalisilikatschaum, bei dem Alkalisilikatpartikel mit einem Wassergehalt von 5 bis 30 Gew.-% unter Einwirkung von Temperatur und Druck geformt und unter Wärmeeinwirkung verschäumt werden, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Verschäumen festes feinverteiltes Alkalimetallsilikat mit einem mittleren Korngrößendurchmesser von 5 μπι bis 250 μπι unter Zumischen von Komplexbildnern, welche den Alkalisilikatschaum unlöslich machen, bei20^cCbis350°Chydratisiertwird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Alkalimetallsilikat im wesentlichen ein wasserfreier Feststoff ist

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Alkalimetallsilikat Natrium-, Kalium- oder Lithiumsilikate verwendet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Alkalimetallsilikat ein Verhältnis von S1O2 zu Alkalimetalloxid von 1:1 bis 6:1 aufweist.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Natriumsilikat ein Verhältnis von S1O2 zu Na2O von 2,8 :1 bis 5 :1 aufweist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das hydratisierte Silikatmaterial zusätzlich ein komplexbildendes Mittel enthält, das den resultierenden Schaum unlöslich macht.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchengröße im Bereich von 5 bis 40 μιη liegt. j5

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hydratisierung im Bereich von 30 bis 150⁰C durchgeführt wird.