DE2333149B2 - Verfahren zur Herstellung eines porösen Keramik-Erzeugnisses - Google Patents
Verfahren zur Herstellung eines porösen Keramik-ErzeugnissesInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines porösen Keramik-Erzeugnisses.
Es ist bekannt, poröse keramische Materialien, insbesondere derartige Baumaterialien in der Weise
herzustellen, daß man vor dem Brennen in das Rohmaterial ein Kunststoffmaterial in Partikelform
einlagert. Beim Brennen wird das Kunststoffmaterial aufgezerrt und hinterläßt eine Pore. Nach bekannten
Verfahren hergestellte poröse keramische Erzeugnisse sind durch und durch porös und besitzen insbesondere
eine poröse äußere Oberfläche.
Mit diesen bekannten Verfahren ist es unmöglich, poröse keramische Erzeugnisse mit einer nicht-porösen
glatten Außenoberfläche herzustellen. Es besteht jedoch ein Bedarf für derartige Materialien, beispielsweise
in Form von Dachziegeln (aus gebranntem Ton), äußeren und inneren Wandverkleidungen sowie Fußbodenbelägen
aus keramischem Material.
Die bekannten porösen Materialien haben außerdem den Nachteil, daß ihre Druckfestigkeit wesentlich
geringer ist als beim gleichen nicht-porösen Material. Im Verhältnis zum Grad der Porosität fällt die
Druckfestigkeit unproportional steil ab. Bei Anwendung bekannter Verfahren ist es deshalb unmöglich, ein
keramisches Erzeugnis von hoher Porosität und gleichzeitig hoher Druckfestigkeit herzustellen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch ein verbessertes Verfahren die vorgenannten Nachteile zu
vermeiden. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß in dem Erzeugnis eine oder mehrere
nicht-poröse Zone(n) gebildet werden, indem man eine Mischung herstellt, die Partikel aus einem Kunststoffmaterial
enthält, dann die Partikel aus den nicht-porös werden sollenden Zonen dadurch entfernt, daß man die
Zonen mit einem Lösungsmittel für das Kunststoffmaterial behandelt, und schließlich die Mischung beheizt, um
to die verbliebenen Kunststoffpartikel zu entfernen und ein poröses Keramik-Erzeugnis zu bilden, welches eine
oder mehrere nicht-poröse Zone(n) enthält
Bei den bekannten Verfahren diente das Kunststoffmaterial in der Mischung lediglich als Ersatz für früher
benutzte organische Treibmittel zur Erzeugung der Porosität; solche Mittel waren beispielsweise Sägemehl,
Kohlenstaub und dergleichen. Diese Treibmittel erzeugen Porosität im gesamten Erzeugnis-Querschnitt und
eine zellulare Struktur im Bereich der Außenobtrfläche des Erzeugnisses.
Demgegenüber wird beim erfindungsgemäßen Verfahren die Löslichkeit in chemischen Lösungsmitteln,
welche die Kunststoffe darstellen (im Gegensatz zu den früher benutzten organischen Mitteln), erstmalig dazu
benutzt, genau definierbare Zonen im Erzeugnis porenfrei zu halten und außerdem eine porenfreie
zusammenhängende Außenoberfläche zu bilden.
In dem deutschen Patent 11 26 302 ist die Möglichkeit
einer unterschiedlichen Verteilung eines porositätbildenden Mittels in einer Mischung erwähnt, beispielsweise
in der Weise, daß man das Mittel in die Mitte eine" Tonblockes einführt und von bestimmten anderen
Bezirken bzw. von der gesamten Oberfläche fern hält. Dieser Gedanke ist jedoch nicht praktisch ausführbar,
weil zwangsläufig der Misch- und Einform-Vorgang das gesamte Rohmaterial erfaßt und es nicht zuläßt, daß die
Kunststoffpartikel sich in gewünschter Weise im Rohmaterial verteilen, um eine unterschiedliche Dichte
zu erzeugen oder begrenzte Teilzonen tu beeinflussen.
Dementsprechend wird in dem vorgenannten Patent auch kein praktikables Verfahren zur Erzielung der
gewünschten Wirkung beschrieben.
Ferner ist die Deutsche Auslegeschrift 12 53132 ausdrücklich zusätzlich auf die Flüssigkeits-Durchlässig-Veit
über durchgehende und miteinander verbundene Poren gerichtet. Es leuchtet ein, daß dieses Verfahren
lediglich für die Herstellung von Sicker- oder Drainage-Röhren und anderen Filterprodukten wertvoll und nicht
auf die Herstellung von wetter- und wasserfesten Baumaterialien für Wände sowie für keramische
Produkte anwendbar ist, die als Wandverkleidung, Dachabdeckungen und Bodenbeläge verwendet werden.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird Ton als Rohmaterial mit Kunststoffpartikeln gemischt und in
der Zone bzw. den Zonen mit einem chemischen Lösungsmittel behandelt, welche nicht-porös werden
sollen, insbesondere in der Oberflächenzone. Dabei werden die Kunststoffpartikel aus dieser bzw. diesen
bo Zonen vor dem Brennvorgang entfernt
Es gibt zahlreiche geeignete Kunststoffmaterialier, für diesen Zweck. Im allgemeinen kann gesagt werden,
daß hierfür thermoplastische Kunststoffe geeignet sind, beispielsweise Polyvinylchlorid (PVC) und Polystyrol.
Man beachte, daß das Hauptkriterium des Kunststoffmaterials darin besteht, in einem geeigneten Lösungsmittel
löslich zu sein. Polyolefine wie beispielsweise Polyethylen und Polypropylen sind weniger geeignet.
weil sie nur bei hohen Temperaturen in aromatischen Lösungsmitteln löslich sind. Unlösliche warmaushärtende
Kunststoffe sind völlig ungeeignet
Als bevorzugte Lösungsmittel gelten jene, welche bevorzugte MWC-Werte (maximum work place rancentration)
und deren Flammpunkte und Siedepunkte annehmbare Werte aufweisen. Es können beispielsweise
aromatische Lösungsmittel wie Toluene oder Xylene, Ketones wie beispielsweise Cyclohexanone und Acetone,
Butyl-Acetate, Methylen-Chloride, Kohlenstofftetrachloride und dergleichen benutzt werden. Dimethylformamid
ist besonders geeignet wegen seiner guten Lösungswirkung, es läßt sich für die meisten herkömmlichen
Kunststoffe verwenden, insbesondere für Polystyrol und Polyvinylchlorid (PVC). Es ist nicht-toxisch und
weder feuer- noch explosionsgefährlich. Dem Fachmann wird es nicht schwerfallen, festzustellen, welche
anderen Lösungsmittel verwendet werden können und welches Lösungsmittel für den individuellen Anwen-
dungsfaU besonders geeignet ist.
Unter bestimmten Umständen kann es vorteilhaft sein, die Oberflächenspannung des Wassers zu reduzieren,
welches zur Erweichung des keramischen Rohmaterials benutzt wird, indem man geeignete Zusatzmittel
(Detergents) beifügt Dadurch wird die Wirkung des Lösungsmittels über das normale Maß hinaus unterstützt.
Die Lösungsmittel werden dem keramischen Rohmaterial
in erforderlicher Menge und bis zur gewünschten Tiefe beigefügt bzw. zugesetzt Die Wirksamkeit des jo
Lösungsmittels kann auf die Oberfläche des Formteils begrenzt werden oder bis zu einer genau bestimmbaren
Tiefe in der rohen Masse ausgedehnt werden. Dieser Effekt läßt sich prinzipiell auf verschiedenen Wegen
erreichen.
Die porenartigen Ausnehmungen oder Kavernen,
welche sich durch den Einfluß der Auflösung der Kunststoff-Partikel bilden, werden nachfolgend in
geeigneter Weise eingeebnet oder versiegelt, so daß die fertigen Erzeugnisse über einen bestimmten Bereich in
den gewünschten Zonen des Materials eine porenfreL Struktur aufweisen, und sich schließlich während des
Brennvorganges eine zusammenhängende Brennhaut bilden kann.
Wird das Rohmaterial stranggepreßt, dann kann die Behandlung mit Lösungsmittel und das Glätten der
Oberfläche des stranggepreßten Produktes beispielsweise auf folgende Weise erzielt werden:
Beim Austritt aus der Preßform wird die von der Preßspindel vorwärtsgeschobene Tonsäule durch ein
System von Vorrichtungen hindurch geschoben, welche die Säule erfassen und in der Oberflächenzone, welche
nicht-porös werden soll, bis zu einer gewünschten Tiefe mit einem dichten Gitter von Rillen versehen, welche
beispielsweise mit dem Profil von Autoreifen vergleichbar sind. Form, Anordnung und gegenseitige Abstände
dieser Rillen werden so gewählt, daß die in der nicht-porös zu machenden Materialzone anwesenden
Kunststoffpartikel im wesentlichen vollständig von dem zugeführten Lösungsmittel erreicht und gelöst werden
können. Die Vorrichtungen, welche die Säule erfassen, können als Profiltrommeln, Profilrollen oder Profilräder
ausgebildet seir,, welche sich mit der Vorschubgeschwindigkeit der Tonsäule drehen, und zwar in der
Vorschubrichtung der Säule.
Um das Eindringen des Lösungsmittels in die nicht-porös zu machende Materialzone zu unterstützen,
wird das Lösungsmittel in unmittelbarer Nähe der Profilierung der Oberfläche der Säule zugeführt Zu
diesem Zwecke sind Vorrichtungen zum Zuführen des Lösungsmittels in geringem Abstand von der Säulenoberfläche
in der Weise angeordnet, daß die erforderlichen Lösungsmittelmengen weitestgehend bereits
durch die rotierenden Vorrichtungen, welche die Säule bearbeiten, in die Rohmasse eingearbeitet werden.
Die so behandelte Tonsäule wandert anschließend durch ein gestaffeltes System von Druckrollen hindurch,
die ebenfalls mit der Vorschubgeschwindigkeit der Tonsäule und in deren Richtung rotieren und dabei die
lösungsmittelbehandelte Zone der Tonsäule glätten und homogen verdichten, während gleichzeitig sichergestellt
wird, daß nicht verbrauchte Lösungsmittelreste herausgepreßt werden. Deformationen der Säule oder
Seitwärtsbewegungen der Tonmasse während der Druckbehandlung wird durch parallel zur Preßrichtung
angebrachte Führungsbleche verhindert, welche mit Unterstützung durch den Schmiereffekt des Lösungsmittels
als Führungen für die Säule dienen.
In Abwandlung des zuvor beschriebenen Verfahrensablaufes kann das Profilieren und die Behandlung der
Rohmasse mit dem Lösungsmittel auch unmittelbar nach dem Verlassen der Preßspindel innerhalb der Düse
durchgeführt werden, wenn die zur Säule geformte Tcnmasse in der nicht-porös zu gestaltenden Oberflächenzone
durch ein System von Eindringwerkzeugen, die sich in der Wandung der Düse befinden, für das
Lösungsmittel geöffnet wird und die Tonsäule mit angemessener Geschwindigkeit in Vorschubrichtung
bewegt wird. Das Lösungsmittel wird gleichzeitig unter einem Überdruck durch düsenartige öffnungen in der
Preßdüsenwand eingespritzt. Dadurch erreicht man eine homogene Einlagerung der erforderlichen Lösungsmittelmenge
in die Oberflächenzone, weiche porenfrei gestaltet werden soll, außerdem läßt man
hierbei das Lösungsmittel als Schmierfilm der herausgepreßten Tonmasse und der Wandung der Preßdüse
wirken. Das Glätten der Oberfläche und die Verdichtung der auf diese Weise vorbehandelten Materialzone
wird hierbei automatisch dadurch bewirkt, daß die Preßdüse sich in Richtung auf ihre Mündung konisch
verengt und einen zusätzlichen Druck erzeugt. Gleichzeitig wird das nicht benötigte Lösungsmittel herausgepreßt,
gesammelt und durch entsprechende Einrichtungen abgeleitet, wenn die Preßsäule die Düsenmündung
verläßt.
Dementsprechend ist es bei der Herstellung keramischer Formteile auf Stempelpressen oder Drehscheibenpressen
möglich, die Lösungsmit.elbehandlung in der Weise mit dem Preßvorgang zu verbinden, daß man
den Preßvorgang zum Einebenen der porenartigen Ausnehmungen und Kavernen ausnutzt, welche beim
Lösen der Kunststoffpartikel entstehen.
Die Lösungsmittelbehandlung kann auch in anderer Weise erfolgen, beispielsweise mit Hilfe eines Senkprozesses,
bei dem die beim Lösen der Kunststoffpartikel entstehenden den Ausnehmungen und Kavernen in
einem nachfolgenden Glättungsprozeß eingeebnet werden.
Die vorliegende Erfindung bietet also die Möglichkeit, in bestimmten Zonen des fertigen Erzeugnisses
eine nicht-poröse Struktur zu erzielen. Daraus ergibt sich der Vorteil, daß der fertig gebrannte Gegenstand an
sich porös ist und an gewünschten Stellen eine nicht-poröse Oberflächenzone mit einer durchgehend
gebrannten Haut erhält, wie er nach bekannten Verfahren nicht hergestellt werden kann. Vielmehr
besitzen nach herkömmlichen Verfahren hergestellte Gegenstände eine ihren gesamten Körper durchziehende
Porosität, beispielsweise Klinker, hart gebrannte Ziegel, Split-Klinker, keramische Virkleidungen, keramische
Fußbodenplatten und Dachziegel aus gebranntem Ton.
Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es bei angemessener Ausdehnung der nicht-porösen
Oberflächenzone möglich, der Außenwand dt 3 porösen Erzeugnisses eine dichte komprimierte Schichtstruktur
zu verleihen, deren Dicke man genau bestimmen und den Erfordernissen anpassen kann, und die eine Einheit
mit dem zellularen Inneren des Produktes bildet. Da man auf diese Weise eine erhöhte Druckfestigkeit
erzielt, ergibt sich daraus ein breiteres Anwendungsfeld auch für solche porösen Produkte, welche aus der Sicht
ihres Endverbrauchs keine nicht-poröse Oberflächenzone mit durchgehend gebrannter Haut haben müßten,
beispielsweise normale poröse Ziegel. Diese Erweiterung der Verwendungsmöglichkeiten resultiert aus der
Möglichkeit, den von der druckfesten Außenschicht umgebenen Innenraum des Produktes jetzt poröser zu
gestalten als dies vorher möglich war.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich also poröse keramische Produkte aller Arten und für
alle Anwendungsgebiete herstellen, die eine durchgehend nicht-poröse gebrannte Haut und/oder eine
nicht-poröse Materialstruktur über gewisse Zonen besitzen. Man erzielt also den Vorteil, ganz nach
Wunsch die Porosität eines gebrannten Körpers mit einer durchgehenden nicht-porösen Oberfläche und/
oder nicht-porösen Teilzonen innerhalb des Körpers kombinieren zu können und dadurch die Anwendungsbreite
solcher Produkte wesentlich zu steigern.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand einiger Beispiele näher erläutert werden.
Expandierte Polystyrol-Partikel wurden homogen mil rohem Ton von plastischer Konsistens und einer Dichte
von 2,0 kg/dm3 (8 kg Polystyrol pro m3 Ton) gemischt. Diese Mischung wurde anschließend aus einer Strangpresse
(Ziegelpresse) herausgepreßt, dabei wurde ein Druck von 10 Atmosphären benutzt, um eine Säule
rechteckigen Querschnittes von 13,3 mal 6,6 cm zu erzielen.
Unmittelbar nach Verlassen der Preßdüse wurde die Oberseile der Tonsäule mit Hilfe zweier in Serie und
parallel zur Düse angeordneter Rollen mit einem Gitter aus S-förmigen Riefen in diagonalen Reihen von 6 mm
Tiefe, 1 mm Breite und 5 mm Länge versehen, deren gegenseitiger Abstand wegen der zweckmäßigen
Staffelung der Rollenprofile nur zwei Millimeter betrug. Die Rollen besaßen 60 mm Durchmesser und ihre Höhe
war so eingestellt, daß ihre Profile auf eine Tiefe von 6 mm in das Material der Oberseite der Tonsäule
eindrangen. Sie wurden in Preßrichtung und mit der Vorschubgeschwindigkeit der Säule angelrieben.
Als Lösungsmittel wurde Dimethylformamid benutzt. Dieses Lösungsmittel wurde über eine vierfach gestaffelte
kammartige Anordnung von Einspritzdüsen zugeführt, die parallel zu den Profilrollen in Gruppen zu
25 angeordnet und unter einem Winkel von 80 Grad gegenüber der Vorschubrichtung der Säule geneigt
waren. Die Auslaßöffnungen der ersten und dritten Düsenreihe befanden sich in jedem Fall 8 mm vor dem
Scheitelpunkt der Prolilrollen. so daß die Rollen durch das versprühte Lösungsmittel befeuchtet wurden. Von
den zwei anderen Düsenreihen saß die eine zwischen den Profilrollen und die andere direkt hinter der letzten
Rolle, und die Auslaßöffnungen der Reihen befanden ■>
sich in einem Abstand von 2 mm von der oberen Oberfläche der Säule, welche behandelt wurde. Auf
diese Weise wurde in Verbindung mit der Profilierung der oberen Oberfläche der Süule eine spaltfreie,
genügend tiefe Einführung und eine homogene Einlagerung des Lösungsmittels in die Säule erzielt, und
außerdem wurde verhindert, daß die Partikel der rohen
Masse an den Profilteilen der Rollen hängenblieben. Die eingeführte Dimethylformamid-Menge betrug 0,15 cm3
pro cm2 der behandelten Säulenoberflächen.
Das Glätten der oberen Oberfläche der Säule und das Einebnen der Porenkavernen, die durch das Auflösen
der Kunststoffpartikel in der behandelten Materialzone auftraten, erfolgte unmittelbar hinter der letzten
Düsenreihe mit Hilfe von 3 Druckrollen von 25 mm Durchmesser, die in Serie angeordnet, analog zu den
Profilrollen angetrieben und so eingestellt waren, daß ein sich verstärkender Druckeffekt erzielt wurde, der
zur nicht-porösen Verdichtung der lösungsmittelbehandelten Oberfläche ausreichte und gleichzeitig den Erfolg
hatte, daß das nicht verbrauchte Lösungsmittel herausgequetscht wurde.
Eine Seitwärtsbewegung der Säule wurde durch Blechführungen auf beiden Seiten verhindert, welche
aufgrund des Schmiereffektes des Lösungsmitteis
M) keinen nennenswerten Reibungswidersland besaßen,
welcher die Vorwärtsbewegung der Säule hätte behindern können.
Anschließend wurden 63 mm dicke Scheiben von der auf diese Weise behandelten Tonsäule abgeschnitten,
sr> getrocknet und dann in einem elektrischen Ofen bei
etwa 9000C gebrannt. Die gebrannten Formteile hatten die Größe 12,5 χ 6,0 χ 5,9 cm. Sie hatten eine vollständig
nicht-poröse glatte gebrannte Haut auf der lösungsmittelbehandelten oberen Oberfläche, der sich
4(i eine porenfreie und dicht-strukturierte Materialzone
von durchschnittlich 5 mm Dicke anschloß, welche nahtlos in den porösen Teil des Körpers überging. Die
Druckfestigkeit der Formteile lag im Durchschnitt bei 34,3 —37,2 N/mm2, und ihr Gewicht betrug 705 —710 g,
entsprechend einer Gesamtdichte des Blockes von 1,6 kg/dm1.
ϊο Ausgeschäumte Polystyrol-Partikel wurden homogen
mit rohem Ton von plastischer Konsistenz und einer Dichte von 1,8 kg/dm3 (32 kg Polystyrol pro mJ Top)
gemischt. Die Mischung wurde unter einem Druck von 10 Atmosphären aus einer Strangpresse herausgepreßt,
und zwar in Form einer Säule von 13,3 cm Breite und 3,5 cm Dicke. Anschließend wurde die obere Oberfläche
der Säule in gleicher Weise wie in Beispiel 1 mit 0,4 cm3 Kohlenstoff Tetrachlorid als Lösungsmittel pro cm2
behandelt, und zwar unter Verwendung der gleichen
bo technischen Vorrichtungen wie in Beispie! 1. Nach dem
Glätten der Oberfläche und dem Verdichten der lösungsmittelbehandelten Materialzone wurden 13,3 cm
lange Formteile von der Säule abgeschnitten, getrocknet und bei etwa 900CC in einem elektrischen Ofen
br> gebrannt. Die gebrannten Scheiben waren 2,5 cm lang,
2,5 cm breit und 3 cm dick und hatten eine porenfreie glatte gebrannte Haut auf der oberen Oberfläche, mit
einer anschließenden norenfreien und dichtstrukturier-
ten Materialzone von 9—10 mm Dicke. Die durchschnittliche
Druckfestigkeit der Scheiben betrug 21— 22 N/mm2, das Gewicht lag zwischen 465—470 g
pro Scheibe, was einer durchschnittlichen Dichte der Körper von 1,0 kg/dm3 entsprach.
Claims (6)
1. Verfahren zur Herstellung eines porösen Keramik-Erzeugnisses, dadurch gekennzeichnet,
daß ia dem Erzeugnis eine oder mehrere nicht-poröse Ζοηφ) gebildet werden,
indem man eine Mischung einformt, die Partikel aus einem Kunststoffmaterial enthält, dann die Partikel
aus den nicht-porös werden sollenden Zonen dadurch entfernt, daß man die Zone(n) mit einem
Lösungsmittel für das Kunststoffmaterial behandelt, und schließlich die Mischung brennt, um die
verbliebenen Kunststoffpartikel zu entfernen und ein poröses Keramik-Erzeugnis zu bilden, welches
eine oder mehrere nicht-poröse Zone(n) enthält
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß als Kunststoffmaterial ein thermoplastisches Material verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als thermoplastisches Material
Polystyrol oder Polyvinyl-Chlorid verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Lösungsmittel Dimethylformamid
verwendet wird.
5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1—4, dadurch gekennzeichnet, daß in der
Mischung in der bzw. den Zonen eine oder mehrere Vertiefungen gebildet wird (werden), um die Partikel
zu erreichen und aufzulösen, und daß anschließend die durch das Auflösen der Partikel entstehenden
Poren übergeglättet werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Mischung stranggepreßt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß der Preßstrang auf seiner Oberfläche mit dem Lösungsmittel behandelt wird, und daß der
behandelte Preßstrang anschließend geglättet und gebrannt wird.
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