DE2055283C3

DE2055283C3 - Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus wasserfestem oder unlöslichem Alkalisilikatschaum

Info

Publication number: DE2055283C3
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: 1979-11-15
Also published as: DE2055283B2; JPS508089B1; DE2055283A1; FR2080880B1; FR2080880A1

Description

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 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 Restgehdlt 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 μπι unter Zumischen von Komplexbildnern, welche den Alkalisilikatschaum unlöslich machen bei 20⁰C bis 35O⁰C 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 Wajserglaslösung 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 (»Κ«) 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.-%. 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 ΙΟΟμηι 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 verwendete Zusammensetzung ist in Tabelle I wiedergegeben.

Zusammensetzung des Gemisches Dichte des
Schaums

Natriumsilikat 653 g

(SiO₂/Na₂O Molverhältnis 3,22)

Wasser 129 g

Oberflächenaktives Mittel auf der Basis 0,8 g

von Alkylarylpolyätheralkoholen,

Sulfonaten und Sulfaten 0,12 g/cm³

Druckfestigkeit

1,76 kg/cm³

t' Ii.

Es wurde ein wasserlöslicher Schaum erhalten.

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

Beispiel H

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 110°C unter 14,1 Atmosphären gepreßt Das erhaltene monolithische Hydrat wurde in einem Mikrowellenofen, der mit einer Frequenz von 2,45 · 10⁹Hz arbeitete, verschäumt Der resultierende Schaum war feinporig und hart. Die Zusammensetzung des Gemisches und die Eigenschaften des Schaumes sind in Tabelle II wiedergegeben.

Zusammensetzung	653 g	Si(VNa₂O	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%
Al(OH)₃	23! g
H₃BO₃	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

Natriumsiiikat	653 g
H₃BO₃	45 g
Ti(OH)4 · "H₂O	25 g
H₂O	231g
Zn	2,5 g
Nichtionisches Benetzungsmittel	0,5 g

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 538°C 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 AIF3. Das Silikatglas wurde zu Teilchen mit 50 bis 100 μηι Dui Jimesser 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% V«'asser. Es wurde in einem Mikrowellenofen verschäumt, wobei ein feinporiger, geschlossenzelliger, fester Schaum mit einer Dichte von 0,1442 g/cm* erhalten wurde. Der Schaum hatte hervorragende Feuchtigkeitsbeständigkeit 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 N atriumsilika tschäume.

Beispiel V

Natriumsilikat mit einem SiC>2/Na2O-Verhältnis von 4 :1 wurde unter den Bedingungen und mit den Anlagen von Beispiel IV hydratisiert Die Verschäumung 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 49⁰C und 96% relativer Feuchtigkeit rasch zersetzt Das für die Verschäumung benützte Hydrat hatte einen Wassergehalt von 18%.

Beispiel VI

Ein Natriumsilikat mit einem SKVNa₂O-Verhältnis von 5 :1 wurde unter den Bedingungen und mit der Anlage von Beispiel IV hydratisiert. Die Versdräumung 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 VII

1. 882 g Natriumsilikat mit einem SiCVNa₂/-Verhältnis von 3,2 :1 wurden in 300 ml Wasser, das 0,5 g eines oberflächenaktiven Mittels auf der Basis von Alkylarylpolyätheralkoholen, Sulfonaten und Sulfaten enthielt, 4 Minuten mit einem 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 Polyäthylenpulvers mit einer Korngröße bis zu 30 μΐη und 20 g Magnesiumpulver mit einem Durchmesser von 10 μιη 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 102⁰C 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/m^C/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

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

	Gemisch:	653 g S
15	Natriumsilikat
	Al (OH)₃ - ^H₂O	52 g
	(69% AI₂O₃)	52 g
	H₃BO₃	9g
	KaIz. tetraborat
20	Polyäthylenpulver,	18g
	Korngröße bis zu 30 μπι	2,5 g
	Ti(OH)₄	2.5 g
	Zn	1g
	MgOCl · /7H₂O	231 g
25	H₂O
	Oberflächenaktives
	Mittel auf der Basis
	von Alkylarylpoly-
	ätheralkoholen, Sul	0,1 g
30	fonaten und Sulfaten
	Nichtionisches	0,3 g
	Benetzungsmittel	36 g
	Glasfaserschnitzel

Die für das Gemisch eingesetzten Glasfasern hauen einen Durchmesser von 10 μίτι 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

so 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. Sie 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 900 g

Polyäthylen 50 g

Borsäure 25 g

Aluminiumhydroxid 25 g

Titanhydroxid 5 g

Wasser 231 g

Beispiel Xl Sinterverfahren

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

wurde nach dem Abkühlen zu Teilchen mit einer Teilchengröße bis zu 0,5 mm pulverisiert. Es wurde in einer Presse bei 105°C 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 2,45-10⁹Hz verschäumt. Der praktisch unlösliche Schaum hatte eine Dichte von 0,1682 g/cm³.

Zusammensetzung des Gemisches:

Natnumsilikat	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 Alkaiisilikatpartikel 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 5μπι bis 250 μπι unter Zumischen von Komplexbildnern, welche den Alkalisilikatschaum unlöslich machen, bei 2O⁰C bis 350⁰C hydratisiert wird.

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 μηι liegt.

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