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"Verfahren zur Herstellung von Keramikwaren und Keramikmasse zu seiner
Durchführung" Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Keramikwaren
oder Porzellan und insbesondere eine neue, ein neues Binde-, Entflockungs- und Plastifizierungsmittel
enthaltende Keramikmasse.
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Es ist bekannt, dass organische Bindemittel in Keramikmassen zweckmässig
sind, um die Keramik- bzw. Rohstoffaggregate zusammenzuhalten, während die Keramik-
bzw. Tonmasse extrudiert und anschliessend geformt, gedreht oder zur Entfernung
von Formmalen geputzt wird. Der Formling wird dann getrocknet und in einem Ofen
gebrannt,in dem das dartn vorhandene organische Material versagt oder verbrannt
wird, wobei der fertige Keramikscherben zurückbleibt. Aus der US-PS 2 519 280 ist
es bekannt, Polyvinylalkohol als Binde- und Plastifizierungsmittel für Keramikmaterialien
zu verwenden, das aus Mehl oder Stärke hergestellten Bindemittelgelen, die dazu
neigen, aufgrund von Instabilität oder Retrogradation zusammenzubrechen, weit überlegen
ist. Aus der US-PS 2 652 338 ist die Verwendung eines hydrolysierten Gels, das Stärke
und Wasser enthält, als Plastifizierungsmittel für Keramikwaren bekannt.
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Dieses Plastifizierungsmittel wird in Mengen von 1 bis 10 %, bezogen
auf das Gewicht des trockenen Keramikmaterials bzw. der trockenen Keramikrohstoffe
verwendet. Das hydrolysierte Gel enthält 20 bis 25 % Stärketrockensubstanz. Die
aus dieser US-PS bekannte Keramikmasse wird zum Ausformen aufbereitet, indem man
das trockene
Keramikmaterial bzw. die trockenen Rohstoffe und das
trockene Plastifizierungsmittel mit einer mit Wasser nicht mischbaren organischen
Flussigkeit zu einer Aufschlammung vertnischtl und dieserAufschlämmung ein wKssriges
Medium zusetzt und das Gemisch so lange rührt, bis das wässrige Medium die mit Wasser
nicht mischbare Flüssigkeit aus der Aufschlämmung verdrängt hat. Dann werden die
Keramikrohstoffe und das wässrige Medium von der mit Wasser nicht mischbaren Flüssigkeit
abgetrennt. Ferner ist aus der US-PS 3 150 989 ein Verfahren zur Herstellung poröser
feuerfester Steine bekannt. Bei diesem Verfahren wurde festgestellt, dass sich aufgrund
einer berraschenden Mischbarkeit bzw. Verträglichkeit zwischen roher Stärke und
der Tonaufschlämmung Aggregate bilden. Aus dieser Veröffentlichung ist zu ersehen,
dass 2 1/2 bis 3 % Stärke erforderlich sind, um den Ton oder ein anderes feuerfestes
Material zu entflocken.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Keramikmasse mit einem
Bindemittel, das überlegene Flockungseigenschaften besitzt, und ein Bindemittel,
das die Plastizität der Keramikmasse erhöht, insbesondere ein Bindemittel, das,
wenn es einer Keramikmasse zugesetzt wird, die Biegefestigkeit der grünen Formlinge
verbessert, das Putzen der Formlinge erleichtert und den Bruch während des Brennens
vermindert, zur Verfügung zu stellen.
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Es wurde nun gefunden, dass sich diese Aufgabe dadurch lösen lässt,
dass man dem Keramikrohstoffgemisch während oder nach der Aufbereitung der Keramikmasse,
jedoch vor dem Formen und Brennen der Keramikware etwa 0,1 bis 1 %, bezogen auf
das Trockensubstanzgewicht, einer kationischen Stärke zusetzt.
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Gegenstand der Erfindung ist somit eine Keramikmasse, enthaltend Rohstoffe
und Wasser als wesentliche Bestandteile, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie,
bezogen auf das Trockensubstanzgewicht, zusätzlich 0,1 bis 1,0 Gew.-% kationische
Stärke-(n) enthält.
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Keramikmassen werden unter Verwendung feinteiliger bzw. -körniger
Keramikrohstoffe
(Rohstoffe) und Wasser hergestellt. Die Rohstoffe, als welche Tone oder eng damit
verwandte Mineralien, nichttonige Materialien oder speziell hergestellte Produkte,
wie die auf dem Gebiet der Elektronik, Elektro- oder Kerntechnik verwendeten Materialien,
die allgemein als Aggregate bzw. Agglomerate bezeichnet werden, werden durch Brechen,
Malen und Klassieren so aufbereitet, dass mah einen Keramikgegenstand bzw. Formling
erhält, der die gewünschte Dichte aufweist, um dem gebrannten Scherben eine spezielle
Porosität zu verleihen. Dadurch, dass man bei der Herstellung der Ware bzw. der
Formlinge anstrebt, eine möglichst dichte packung der Rohstoffteilchen zu erzielen,
wird bezweckt, sicherzustellen, dass die grünen (nicht trockenen) Formlinge bzw.
Scherben eine möglichst geringe Porosität besitzen, um dadurch die Schwindung, die
rforderlich ist, um diese Porosität während des Trocknens und Brennens der Formlinge
bzw.
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Scherben zu beseitigen, so gering wie möglich zu halten. Je geringer
die Schwindung ist, desto leichter kann die Ware innerhalb eines relativ weiten
Toleranzbereiches bezüglich der Arbeitsbedingungen getrocknet und gebrannt werden,
ohne dass die Gefahr einerRissbildung oder des Verziehens besteht. In der grünen
Ware kann eine maximale Dichte bzw. minimale porosität erreicht werden, wenn die
Rohstoffe statt einer einzigen, einheitlichen Korngrösse einen "Kornaufbau" bzw.
ein einen bestimmten Bereich überdeckendes Korngrössenspektrum besitzen. Die optimale
Korngrössenverteilung lässt sich für jede spezielle Rohstoffkombination und jedes
spezielle Formverfahren am besten empirisch bestimmen.
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Vielfach werden zur Herstellung von Keramikwaren Rohstoffe mit mehr
als einer bestimmten Korngrösse verwendet. Wenn die Korngrösse nicht verringert
werden muss, können die verschiedenen Komponenten trocken oder in Wasser gemischt
werden. Das trockene Mischverfahren kann darin bestehen, dass man die Bestandteile
in eine Drehtrommel oder in eine kompliziertere Vorrichtung füllt.
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Ein innigerer Kontakt zwischen den Bestandteilen kann häufig dadurch
erreicht werden, dass man die Bestandteile in Wasser in einem Rührwerk (Quirl) mischt.
Ein Quirl ist ein stehender, zylindrischer Kessel mit einer senkrechten Welle, an
der waagerecht liegende Blätter oder Schrauben angeordnet sind. Die Welle
dreht
sich mit einer Geschwindigkeit von etwa 100 UpM, wodurch eine homogene Mischung
der Feststoffe mit Wasser erreicht wird.
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Dieses Verfahren wird hauptsächlich bei der Herstellung weisser Scherben
angewandt. Beim Verschlickern der Rohstoffe werden zunächst das Wasser und die Tone
solange miteinander vermischt, bis man eine homogene Flüssigkeit erhalten hat, worauf
die verhältnismässig unplastischen Rohstoffe (Hartstoff), wie Siliciumdioxid, Feldspat
usw. zugegeben werden. Die Tone können in Form kleiner Klümpchen oder Schnitzel
eingesetzt werden, da das Wasser diese Klümpchen zum Zerfall bringt. Das konstante
Rühren erreicht tert diesen Vorgang. Die unplastischen Rohstoffe bzw. Hartstoffe
müssen feinkörnig sein, wenn sie zugesetzt werden. Sind die Hartstoffe zu grob,
so setzen sie sich trotz des Rührens am Boden des Quirls ab. Wenn sich Rohstoffe
einmal am Boden abgesetzt haben, so ist es ausserordentlich schwierig, sie wieder
in Suspension zu bringen. Das in einem Quirl erzeugte homogene Gemisch aus Wasser
und Rohstoffen, daraus etwa 50 % Wasser enthält, wird als Keramikmassen-aufschlämmung
oder "Rutschung" bezeichnet.
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Um eine homogene Verteilung der verschiedenen Feststoffteilchen beim
Verschlickern zu erzielen, muss eine Wassermenge verwendet werden, die für die meisten
Keramikformgebungsverfahren zu hoch ist. Dieses überschüssige Wasser kann in Filterpressen
oder kontinuierlich arbeitenden Trommelfiltern wieder entfernt werden. Eine andere
brauchbare Methode zur Entfernung von Wasser aus der Rutschung ist das Sprühtrocknen.
Bei der Sprühtrocknung wird die Rutschung in einen Trockner versprüht, in dem sie
in Form kugeliger Teilchen trocknet. Dies stellt einen beachtlichen Vorteil der
Sprühtrocknung dar, da die so erhaltenen Teilchen beim Trockenpressen glatt und
störungsfrei aus Aufgabetrichtern in Formmatrizen rieseln. Wenn kein Sprühtrocknungsverfahren
angewendet wird, muss der teilweise getrocknete Filterkuchen in irgendeiner Pulverisiervorrichtung
granuliert werden, um für die Trockenpressung geeignete Pulver zu erhalten.
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in der Keramikindustrie werden vorwiegend Kaltformgebungsverfahren,
d.h. Formgebungsverfahren, die bei Umgebungstemperaturen durchgeführt werden, angewandt.
Die Anwendung von Verfahren, bei welchen
Keramikforniörper bzw.
Formlinge bei erhöhten Temperaturen geformt werden, nimmt jedoch u. Solche Formgebungsverfahren
sind u.a Heisspressen, Sinterguss- und Schmelzverfahren.
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Bei den lieissformgebungsverfahren werden Keramikscherben mit den
Fertigmassen sehr nahekommenden Abmessungen hergestellt.
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Dies ist ein erheblicher Vorteil, da durch kalte Formgebung hergestellte
Scherben überdimensioniert werden müssen, damit sie nach der Schwindung während
des Trocknens und Brennens das gewunschte Mass aufweisen. Die Schwindung kommt in
erster Linie durch die Zunahme der Dichte zustande, die erfolgt, wenn die Porosität
des Scherbens beseitigt wird. Eine genaue Regelung der Schwindung ist schwierig
und ausserdem erhöht das Schwinden die Gefahr, dass man verzogene oder gesprungene
Scherben erhält.
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Das Extrudierverfahren wird zum Formen von Keramikartikeln in der
Baukeramik-Industrie verbreitet und in geringerem Umfang bei der Herstellung von
schweren Scherben und feuerfesten Keramikwaren angewandt. Der Hauptvorteil dieses
Verfahrens ist darin zu sehen, dass dichte Scherben rasch und wirtschaftlich geformt
werden können. Das Extrudieren kann zur Herstellung von Scherben jeder beliebigen
Form, die senkrecht zu einem bestimmten Querschnitt eine Achse aufweist, angewandt
werden. Nach dieser Methode werden gewöhnlich steife, plastische Massen geformt.
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D.h., dass diese Massen in der Regel beträchtliche Mengen an Ton und
12 bis 20 % Wasser enthalten. Es können jedoch auch völlig unplastische Materialien
mit Hilfe von Zusätzen geeigneter Plastifizierungsmittel, wie Gummis (pflanzenschleime),
Stärken, Polyvinylalkohol, Wachse und Wachsemulsionen>extrudiert werden.
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Diese Plastifizierungsmittel werden aus den Scherben bei verhältnismässig
niedrigen Temperaturen während des Trocknens oder Brennvorgangs entfernt und beeinträchtigen
die Eigenschaften der Keramik nicht.
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Das Extrudieren besteht gewöhnlich aus drei getrennten Stufen, nämlich
Homogenisieren, Entlüften und das eigentliche Extrudieren oder Strangpressen. Als
"Homogenisieren" wird das Vermischen der erforderlichen Menge Wasser mit den Rohstoffen,
UM ein homogenes Gemisch zu erhalten und die gewünschte Plastizität oder
nildsamkeit
zu entwickeln, bezeichnet. Die Homogenisierung wid in einem langen Trog durchgeführt,
durch den sich eine oder zwei Wellen erstrecken, die mit radial von der bzw. den
Welle(n) abstehenden Messern ausgerüstet sind (Tonschneider). Die Rohstoffe werden
an einem Ende des Trogs kontinuierlich eingespeist, in dem das erforderliche Wasser
auf die Rohstoffe gesprüht wird.
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Die rotierenden Messer schneiden und kneten das Material ständig,
so dass man eine homogene, zähe plastische Masse erhält. Die Messer sind gegen die
Wellenachse geneigt angeordnet, so dass sie das Material langsam zum Auslassende
der Tonschneider, fördern.
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Die plastische Masse wird dann von einer Schnecke durch eine Lochscheibendüse
in die Entlüftungskammer gepresst, in der ein verminderter Druck von etwa 737 mmHg
aufrechterhalten wird. Die Entlüftung verbessert die Extrudiereigenschaften der
Masse und ermöglicht es, dichtere Scherben zu formen. Aus der Entlüftungskammer
wird die plastische Masse dann mittels einer Schnecke durch eine Düse bzw. ein Mundstück
gepresst, das die gewünscht Querschnittskonfiguration aufweist. Der aus der Formdüse
austretende Strang aus extrudierter Masse wird dann automatisch in Stücke geeigneter
Länge zerschnitten. Bei allen Verfahren, bei denen weiche plastische Massen verformt
werden, enthalten die Massen beträchtliche Prozentsätze an plastischen Tonen und
etwa 20 bis 30 % Wasser. Dadurch ist es möglich, das Material mit sehr geringem
Druck zu verformen. Töpfern bzw. Drehen ist das gebräuchlichste Verfahren zur Verformung
weicher plastischer Massen und wird hauptsächlich in der Weisskeramik-Industrie
zur Herstellung von chemischem Porzellan, Geschirr, elektrischen Isolatoren usw.
angewandt. Nach diesem Formgebungsverfahren erhält man Formkörper bzw. Scherben
mit symmetrischen, kreisförmigen Querschnitten. Bei diesem Verfahren werden Massen,
die durch Verschlickern und Filterpressen aufbereitet wurden, entlüftet und extrudiert,
worauf der extrudierte Strang in Pfropfen zerschnitten wird. Ein Keramikmassenpfropfen
wird dann auf eine Gipsform gelegt, deren Oberfläche die Konturen der Innen- oder
der Aussenseite des zu iormenden Scherbens aufweist. Der Pfropfen wird dann so verformt,
dass er dicht an der Gipsformoberfläche anliegt, so dass die Oberfläche des scherbens
auf der Gipsform ausgebildet wird. Während sich die Formtonmasse dreht, werden die
restlichen
Oberflächen mittels einer Schablone ausgeformt, die mit
der Ton- bzw. Kelamikmasse in Kontakt gebracht wird. Nachdem der Formling ausgebildet
ist, wird er getrocknet, bevor er von der Gipsform abgetrennt wird.
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Keramikgeschirr (Steinzeug) (ceramik crockery) und Porzellan werden
typis(herweise hergestellt, indem man Feldspat und Quarz vermahlt und dieses Gemisch
einer Mischung aus Kaolin, Ton und Wasser zusetzt. Das dabei erhaltene Gemisch (Massenaufschlämmung)
wird filtriert, um es zu entwässern, wodurch man eine Kramikmasse oder genauer gesagt
Drehmasse erhält, die zu dem entsprechenden Scherben ausgeformt wird. Die Formlinge
werden dann getrocknet. Die getrockneten Formlinge werden hierauf geputzt, um Trennfugen
und Formriefen zu entfernen, worauf die Formlinge zu dem entsprechenden Keramikscherben
gebrannt werden. Der Scherben kann dann mit einem Dekor versehen oder glasiert werden,
worauf man die Glasur oder den Tonschlicker durch Brennen dauerhaft machen kann
(Glattbrand). Auf analoge Weise werden Keramikwaren für Porzellanisolatoren hergestellt,
indem man Quarz und Feldspat zur entsprechenden Korngrösse mahlt, mit Wasser, Kaolin
und Ton zu einem Gemisch, das die einzelnen Rohstoffe in entsprechenden Mengenverhältnissen
enthält, vermischt und den dabei erhaltenen Schlicker je nach der Art des anzuwendenden
Formverfahrens zu einer Press- oder Extrudiermasse durch Filtrieren entwässert.
Die Formlinge werden dann jeweils getrocknet und gebrannt, um ihnen die entsprechende
Festigkeit und Struktur zu verleihen. Auf die Scherben kann eine Glasur aufgebracht
und diese dann gebrannt werden, um sie dauerhaft zu machen.
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Es wurde nun gefunden, dass durch die Zugabe van etwa 0,1 bis etwa
1,0 % kationischa Stärke, bezogen auf das Trockengewicht der keramischen Rohstoffe,
zu den keramischen Rohstoffen während des als erste Stufe durchgeführten Mahlvorgangs
eine Verbesserung erzielt wird. Die Stärke kann vorverkleistert oder in Wasser in
Form einer 2%-igen Lösung 30 Minuten bei 90 bis 950C gekocht worden sein.
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Wahlweise kann die Zugabe der kationischen Stärke während des Schlemmens
des Kaolins in der Weise erfolgen, dass sie als Entflockungsmittel wirkt, um das
Schlemmen bzw. Waschen des Kaolins zu erleichtern und um die Stärke in der Masse
zurückzuhalten, so dass sie die Plastizität der Keramikmasse während der Verarbeitung
erhöht.-Der Zusatz kationischerStärke zu dem Keramikmaterial vermindert den Bruch
in den Formlingen bzw.
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Scherben in der aus der nachstehenden Tabelle zu ersehenden Weise:
Ohne Mit Arbeitsgang kationische kationischer Stärke Stärke Stärke Bruch vor dem
Putzen 5-6 % 4 % Bruch vom Putzen 11-13 % 6 % Die Zugabe kationischerStSrke zu verschiedenen
Keramikmassen ergab eine verbesserte Biegefestigkeit. Unter Biegefestigkeit ist
die Biegebruchfestigkeit bzw. der nach DIN 51030 bestimmte Bruchfestigkeitwert zu
verstehen.
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Dieser Kennwert wird nach der Beziehung Tbtr - Pmax. 3 Ls berechnet,
in der Tbtr die Biegebruchfestigkeit, Pmax. die Bruchlast in kg, Ls Stützweite in
cm, b die Durchschnittsbreite des Prüflinge in cm und a die Höhe bzw. Dicke des
Prüflinge in cm bedeutet.
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Die hohen Biegebruchfestigkeitswerte sind ein Anzeichen für eine hohe
Beständigkeit gegen Bruch während der Formgebungs-und Putzarbeitsgänge sowie eine
höhere Plastizität des Keramikmaterials bzw. der Keramikmasse während und nach der
Formgebung. Es wurden Keramikmassen mit der aus der nachstehenden Tabelle zu ersehenden
Zusammensetzung hergestellt.
Zusammensetzung
| Biskuit- @nsgesamt |
| Beispiel Quarz Feldspat Ton Kaolin Dolomit Talk Porzellan-
scherben- |
| Nr. % % % % % % kuchen % bruch % |
| (porcelain |
| breakage) |
| % |
| 1 24,1 12,7 4,7 51,5@ - - 4,7 2,3 100 |
| 2 24,1 12,7 4,7 51,5 - - 4,7 2,3 100 |
| 3 17,4 25,3 5,0 49,3 2,0 1,0 - - 100 |
| 4 17,4 25,3 5,0 49,3 2,0 1,0 - - 100 |
Die wie vorstehend angegeben zusammengesetzten Keramikmassen wurden
bei verschiedenen Feuchtigkeitsgehalten mit und ohne Zusatz kationischer Stärke
auf ihre Biegebruchfestigkeit geprüft. Die dabei erhaltenen Ergebnisse sind-aus
der nachfolgenden Tabelle zu ersehen.
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Biegefestigkeit Masse Zusammen- Feuchtig- ohne mit setzung keitsgehalt
kat.Stärke kat.Stärke Porzellan (Extrudiermasse) 1 0 14,20 31,60 Porzellan (Extrudiermasse)
2 0,6 13,36 24,58 Porzellan (Extrudiermasse) 2 10 6,12 7,15 Verglastes Porzellan
3 5-16 - 6,60 Verglastes Porzellan 3 1 - 9,06 Verglastes Porzellan 3 0 - 30,3 Verglastes
Porzellan 4 0,5 12,65 22,86 Geschlämmter Ton - 1 37,67 22,96 Geschiammter grüner
Kaolin - 0,6 26,27 55,44 Verglastes Porzellan 4 1,5-17 6,34 -Verglastes Porzelian
4 0,8-1,5 7,40 -Verglastes Porzellan 4 0 22,8 -
Ein Zusatz von
1 % Stärke zu einer Keramikmasse erhöht bei ansonsten gleichen Bedingungen die Biegebruchfestigkeit
des grünen Materials um etwa 30 %, während ein Zusatz von 0,15 bis 0,20 % kationische
Stärker die Biegebruchfestigkeit um 80 bis 100 % erhöht. Bei der Verwendung von
0,5 % kationischer Stärke erzielt man eine Erhöhung der Biegebruchfestigkeit um
140 %, jedoch wird dadurch die Bruch- bzw. Rissbildung nicht entsprechend verringert
und kein zusätzlicher wirtschaftlicher Vorteil erzielt.
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Die Verminderung der Bruch- bzw. Rissbildung stellt nicht nur eine
direkte Einsparung bei den geformten Materialien dar, sondern ermöglicht auch ein
schnelleres Arbeiten, wobei weniger scharf auf sorgfältige Vorsichtsmassnahmen beim
Putzen geachtet zu werden braucht Zusammenfassend sind folgende Vorteile festzustellen,
wenn man dem Keramikrohmaterial 0,1 bis 1 Gew.-% kationische Stärke(n) zusetzt:
Steigerung der Plastizität der gebildeten Keramikmasse.
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Die Keramikmasse wird durch die Anwesenheit kationischer Stärke entflockt,
wodurch ein grösserer Teil der Masse in flüssigem bzw. dispergiertem statt in ausgefälflem
Zustand gehalten wird.
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Die Grünstandfestigkeit des ausgeformten Tonpfropfens oder -kuchens
wird erhöht,und der Pfropfen oder Kuchen weist geringere innere Materialspannungen
auf.
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Die Formlinge können aufgrund der grösseren Beständigkeit ihrer Kanten
gegen das Putzen nach kürzerer Trocknungszeit geputzt werden.
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In folge der verbesserten Biegebruchfestigkeit tritt während des Putzens
weniger Bruch auf.
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Diese Abnahme des Bruchs ermöglicht eine Steigerung der Putzleistung
aufgrund
der hohen Biegebruchfestigkeit der Teile.
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Der Bruch während des "Kochens" (cooking) wird vermindert, weil die
Keramikmasse homogener und plastischer ist.
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Die Anwesenheit der kationischen Stärke in den Keramikmassen verbessert
während des Brennens der Scherben die Migration von Feuchtigkeit durch den Kuchenkörper
zum Austritt in die Atmosphäre.