DE2604793B2

DE2604793B2 - Schaumkeramikelement sowie Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE2604793B2
Application number: DE2604793A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Schneider & Co 5020 Frechen GmbH
Current assignee: Schneider & Co 5020 Frechen GmbH
Priority date: 1976-02-07
Filing date: 1976-02-07
Publication date: 1978-03-23
Also published as: NL7701254A; DE2604793A1; DE2604793C3; BE851098A; FR2340283A1; US4123285A

Description

Die Erfindung betrifft ein keramisches Leichtbauelement sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Keramische Leichtbaustoffe sind bekannt. Sie werden

ίο z. B. hergestellt, indem geblähte oder blähfähige Granulate etwa einheitlicher Größe in einen Formkasten eingebracht werden und dann das Haufwerk beispielsweise mit hocherhitztem Gas bis zum Erreichen eines keramisch bindefähigen Zustandes der Oberfläche

ι* aller Granulate und bis zum Einsetzen des Blähvorganges durchblasen werden. Dabei werden die Granulate in der Regel unnachgiebig abgestützt, damit sie sich in die freien Lückenräume ausdehnen und zu einem Körper aus keramisch gebundenen Granulaten vereinigt werden.

In den bekannten keramischen Leichtbaustoffen dieser Art behält das Endprodukt eine Primärkornstruktur bei, d.h. es bleiben in der Regel sichtbare Phasengrenzen erhalten. Außerdem ist das Porengefüge im fertigen Erzeugnis im Hinblick auf Größe und Verteilung der Poren nicht homogen, so daß der Leichtbaustoff keine isotropen Eigenschaften, insbesondere in bezu^ auf Wärmeleitfähigkeit und Festigkeit, aufweist. Zudem besitzen die bekannten Baustoffe ein hohes Wasseraufnahmevermögen. Die Verfahren zur Herstellung der geblähten Leichtbaustoffe sind technologisch kompliziert und aufwendig.

Es ist ferner versucht worden, massive Körper, Briketts und zusammenhängende Stränge aus blähfähigern tonhaltigen Material in einem Ofen zu blähen. Dabei trennt sich das geblähte vom ungeblähten Material, fällt auf die Ofensohle und wird von dort abgezogen. Ein homogener isotroper Baustoff geringer Wasseraufnahme kann auf diese Weise ebenfalls nicht erzeugt werden.

Neben diesen Produkten auf Tonmineralbasis sind Bau- und Isolierstoffe bekannt, die geschäumte Gläser darstellen. Zur Herstellung des sogenannten Schaumglases wird gemahlenes Glas mit einem Schäummittel

vermischt, in Stahlformen gefüllt, im Tunnel- oder Kammerofen zum Schäumen gebracht und abgekühlt. Als Schäummittel werden in der Regel Kohlenstoff oder eine bei einer unter der Zeilbildungstemperatur liegenden Temperatur zu Kohlenstoff zersetzbare

organische Verbindung verwendet. Das Schaumglas ist praktisch kristallfrei. Wein wesentlicher Nachteil des Schaumglases ist die geringe Festigkeit, geringe Mörtelverträglichkeit und die Geruchsbelästigung beim Verletzen der geschlossenen Porosität. Dagegen besitzt es im Gegensatz zu den bekannten Isolierstoffen auf Tonmineralbasis keine Wasseraufnahme und einen Diffusionswiderstandsfaktor von praktisch unendlich.

Darüber hinaus beschreibt die DE-OS 21 47 645 ein Verfahren zur Herstellung von Blähtonleichtbauelementen. Die in dieser Druckschrift gewählte Terminologie ist ungenau, denn auf dem Fachgebiet ist zu unterscheiden zwischen einem Blähton und einem aus Blähton hergestellten Leichtbauelement sowie zwischen einem Blähtonleichtbauelement und einem Schaumke-

^ ramikelement. Ein Blähtonleichtbauelement wird aus einem bereits geblähten Granulat hergestellt. Dabei ist es möglich, das Blähtongranulat mit einem Bindemittel wie Zement zu mischen, wobei nach der Erhärtung des

Zements ein Leichtbauelement in Form eines Leichtbetons vorliegt. Ferner ist möglich, das geblähte Granulat in Formen zu füllen und zu erhitzen, bis eine Versinterung der Oberflächen des geblähten Granulats erfolgt. Im Gegensatz dazu wird ein Schaumkeramikelement aus ungeblähten Granalien durch Wärmezufuhr hergestellt, wobei das Blähen der granalien derart erfolgt, daß sich nach dem Blähprozeß eine mit Poren durchsetzte Masse ergibt, die nach Abkühlung ein schwammartig aussehendes Produkt darstellt. Ein solches Produkt wird mit dem Begriff »Schaumkeramikelement« gekennzeichnet. Insofern wird in der DE-OS 21 47 645 kein Verfahren zur Herstellung von Blähtonleichtbauelementen, sondern von Schaumkeramikelementen beschrieben.

Das bekannte Verfahren zur Herstellung von vorgefertigten Schaumkeramikelementen auf direktem Wege zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß der ungeblähte Rohstoff in eine allseits verschließbare hitzebeständige Form gefüllt und anschließend bis zur Erzielung des angestrebten Schäumens erhitzt wird. Ein Hinweis auf die Verwendung eines bestimmten Schäumhilfsmittels findet sich nicht.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein keramisches Leichtbauelement zu schaffen, das die guten Eigenschaften der Isolier- und Leichtbaustoffe sowohl auf Tonmineral- als auch auf Glasbasis aufweist.

Gegenstand der Erfindung ist demgemäß ein Schaumkeramikelement, hergestellt insbesondere auf der Basis mineralischer Rohstoffe, vorzugsweise auf Tonmineralbasis, das sich dadurch auszeichnet, daß es eine Porenverteilung besitzt, die zwei Maxima aufweist, wobei das erste Maximum vom mittleren Durchmesser großer Poren und das zweite Maximum vom mittleren Durchmesser kleinerer Poren, die die Feststoffstege zwischen den großen Poren durchsetzen, gebildet werden. Der erfindungsgemäße Schaumkeramikkörper kann relativ große Kugelporen nahezu gleicher Größe homogen verteilt aufweisen. Der diese Poren stegartig umgebende Feststoff enthält je nach Art der Rohstoffe kristalline Bestandteile, vorzugsweise Anorthit, von mehr als 10 Gew.-%, insbesondere von 15 bis 30 Gew.-%, während die anderen Bestandteile der Feststoffphase röntgenamorph sind. Überraschend ist, daß die Feststoffstege eine Eigenporosität besitzen, wobei diese Poren einen von den relativ großen Poren stark abweichenden mittleren Durchmesser aufweisen. Eine Analyse der Porenverteilung im erfindungsgemäßen Schaumkeramikelement ergibt daher zwei voneinander deutlich zu unterscheidende Maxima, denn die großen Poren sind stets von kleinen Poren umgeben, d. h. die Stege zwischen den großen Poren sind von kleinen Poren durchsetzt. Dabei liegt das Verhältnis des mittleren Durchmessers der großen Poren (1. Maximum) zum mittleren Durchmesser der kleinen Poren (2. Maximum) insbesondere zwischen 3 zu 1 und 8 zu 1, vorzugsweise zwischen 4 zu 1 und 5 zu 1. Die Rohdichte des Schaumkeramikelements liegt zwischen 200 und 1000, vorzugsweise zwischen 400 und 600 kg/m³ und die Druckfestigkeit in diesen Rohdichtebereichen zwischen 4,0 und 8,0 bzw. zwischen 2,5 und 12 N/mm². Es ist besonders vorteilhaft, daß die relativ großen Poren im Schaumkeramikelement gleichmäßig verteilt sind, wobei die Abweichung vom mittleren Porendurchmesser nicht mehr als ±50% betragen soll.

Ein besonders geeignetes Schaumkeramikelement weist relativ große Poren eines Durchmessers im Bereich von 1,5 bis 2,5 mm in homogener Verteilung auf, wobei Rohdichten zwischen 300 und 600 kg/m³ erzielt werden. Das erfindungsgemäße Schaumkeramikelement ist im hohen Maße mörtelverträglich und besitzt. gegenüber üblichem Schaumglas eine wesentlich höhere s Feuerbeständigkeit. Des weiteren weist ein erfindungsgemäßer Schaumkeramikformkörper eine niedrige Wärmeleitfähigkeit zwischen 0,08 und 0,2 kcal/m h°C und damit hohe Wärmedämmwerte auf, ist resistent gegen Feuchtigkeit, Fäulnis, Einwirkung von Nagetieren

ίο und Schädlingen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der Schaumkeramikelemente geht davon aus, daß nicht blähfähige tonmineralhaltige Rohrstoffe ggf. im Gemisch mit üblichen Flußmitteln und Mitteln zur Beeinflussung des Porengefüges mit Wasser gemengt werden, das Gemenge granuliert, getrocknet, in Formen eingebracht und bis zum Schäumen erhitzt sowie anschließend abgekühlt wird und zeichnet sich dadurch aus, daß dem Gemenge als Schäumhilfsmittel Sulfat und

Μ Sulfid zugesetzt werden.

Es war völlig überraschend, daß bei Verwendung eines Gemisches aus einem Sulfat und einem Sulfid der Schäumvorgang des nicht blähfähigen tonmineralhaltigen Rohstoffes derart gesteuert werden kann, daß ein isotroper keramischer Schaumkörper entsteht. Zwar ist aus der Blähtonherstellung bekannt, daß nicht blähfähiges Material durch den Zusatz eines Blähhilfsmittels blähfähig wird. Dabei kommt es jedoch bei der Blähtonherstellung zunächst darauf an, ein im Vergleich mit einem Bauelement relativ kleines Granulatkorn mit dicht gesinterter Außenhaut zu schaffen und die Gasentwicklung des Blähhilfsmittels anschließend freizusetzen, damit das Granulatkorn blähen kann. Als Blähhilfsmittel ist u. a. auch Gips oder Ligninsulfat eingesetzt worden. Die Gasabspaltung bei diesen Verbindungen und den bekannten Blähhilfsmitteln geht nach Erreichen einer bestimmten Temperatur so schnell vor sich, daß das Schäumen von großformatigen Elementen mit den bekannten Blähhilfsmitteln dieser Art nicht durchgeführt werden kann. Das gleiche würde für die Verwendung von Sulfiden gelten. Es hat sich jedoch unerwartet gezeigt, daß bei einem Gemisch aus einem Sulfat und einem Sulfid die Gasentwicklung nicht schlagartig, sondern allmählich abläuft, so daß ein temperaturabhängiges regel- und steuerbares Schäumen tonmineralhaltiger nicht blähfähiger Rohstoffe ermöglicht wird.

Das Schäumhilfsmittel gemäß der Erfindung enthält das Sulfat und Sulfid im Verhältnis 10:1 bis 1:1,

so vorzugsweise von 3:1, und wird dem zu schäumenden tonmineralhaltigen Rohstoff vorzugsweise in Mengen von 0,2 bis 10, insbesondere von 2 bis 5 Gew.-%, bezogen auf die Feststoffsubstanz, zugesetzt.

Besonders geeignet ist eine Kombination aus Eisensulfid und Eisensulfat. Es können aber z. B. ebenso Barium- oder Calciumverbindungen verwendet werden. Dabei ist es auch möglich, Verbindungen verschiedener Kationen einzusetzen. Ferner können Verbindungen verwendet werden, die teilweise oder vollkommen wasserlöslich sind. Wesentlich ist, daß das Sulfat mit dem Sulfid während des Schäumprozesses in Kontakt kommen kann, was u. a. durch eine innige Vermischung der tonmineralhaltigen Rohstoffe mii dem Schäumhilfsmittel erreicht wird.

hj Die Schäumhilfsmittel müssen nicht als reine Verbindungen vorliegen, sondern können auch im Gemisch mit anderen mit den tonmineralhaftigen zu schäumenden Rohstoffen verträglichen Produkten vorliegen. Insofern

sind sulfat- oder sulfidenthaltende Produkte, insbesondere industrielle oder natürliche Abfallprodukte, verwendbar. Dies können u. a. Schlacken, Abfälle aus der chemischen Industrie, kommunale Abfallprodukte, Aschen aus Verbrennungsanlagen, Stäube, Filteraschen oder Rückstände aus der Aufbereitung sein. Wenn in diesen Produkten nur eine der Schwefelverbindungen vorliegt, wird sie durch Zusetzen eines Produktes mit der anderen Schwefelverbindung und/oder einer reinen anderen Schwefelverbindung ergänzt.

Von besonderem Vorteil ist, wenn im Schäumhilfsmittels das Sulfat an das Sulfid bereits derart angelagert ist, daß die beiden Schwefelverbindungen als Gemisch insbesondere im Primärkorn des Schäumhilfsmittels vorliegen, wobei die Körnungen des Schäumhilfsmittels möglichst unter 200 μιη, vorzugsweise unter 60 μΐη, liegen sollen. In diesem Fall kann der Homogenisierungsprozeß auf die Vermischung der tonmineralhaltigen Rohstoffe mit dem Schäumhilfsmittel beschränkt werden. Weiterhin vorteilhaft ist, wenn neben dem Sulfat und dem Sulfid S1O2, AI₂O₃, Eisenoxid und Aikalioxide vorhanden sind. Diese besonders günstige Kombination der Verbindungen liegt in der Regel in Klärschlammprodukten, insbesondere in Klärschlammmaschen, vor, so daß derartige Abfallprodukte sich besonders gut zur Verwendung als Schäumhilfsmittel eignen.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird vorzugsweise in oxidierender Atmosphäre geschäumt. Die Temperaturen während des Schäumens liegen zwischen 1000 und 120O⁰C, die Behandlungsdauer dabei zwischen 10 und 180 min. Es ist in Abhängigkeit vom Sulfat/Sulfid-Verhältnis und von der Menge des Schäumhilfsmittels möglich, Rohstoffe mit großen Schäumtemperaturintervallen zu verwenden und den Schäumprozeß temperatur- und zeitabhängig so zu steuern, daß Schaumkeramikelemente bestimmter Eigenschaften in bezug auf Festigkeit, Porosität und Wärmeleitfähigkeit entstehen.

Als tonmineralhaltige nicht blähfähige Rohstoffe sind Tone, insbesondere Steinzeugtone, vorzugsweise mit illitischem Anteil, und Lehme geeignet. Flußmittel können an sich bekannte Alkaliverbindungen sein, die selbstverständlich auch im Schäumhilfsmittel bereits enthalten sein können.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich Bauelemente jeder Form und Größe herstellen. Sie besitzen höhere Festigkeiten im Vergleich zu bekannten Produkten gleicher Porosität und dabei gleichzeitig eine geringere Wärmeleitfähigkeit. Dieser synergistische Effekt beruht möglicherweise auf der außerordentlichen günstigen Beeinflussung des Gefüges des Schaumkeramikelements durch das kombinierte Schäumhilfsmittel, d. h. auf der Ausbildung von zwei Maxima der Porenverteilung. Es ist auch möglich, dieses Schäumhilfsmittel auch als Blähhilfsmittel zur Herstellung von Blähtongranulat zu verwenden.

Beispiel 1

Es wurde ein Gemenge aus 70 Gew.-% Steinzeugton, 20 Gew.-% Basaltmehl, 3 Gew.-% Eisensulfid und 7 Gew.-% Eisensulfat hergestellt. Zu einem Gewichtsanteil des Versatzes wurden zwei Gewichtsanteile Wasser zugesetzt und das Gemisch in der Kugelmühle 4 Stunden innig gemischt. Anschließend wurde die Mischung in Schalen gegossen. Es folgte eine Trocknung bis auf einen Restwassergehalt von unter 2 Gew.-% Wasser. Das getrocknete Material wurde anschließend zerstoßen, in eine Form 20 χ 20 χ 15 cm. 8 cm hoch eingefüllt und in den Ofen eingebracht. Das Aufheizen erfolgte mit 2°C/min auf 1160°C. Dabei schäumte das Material gleichmäßig im Temperaturintervall von 1140 bis 1170° C. Nach dem Abkühlen lag eine Schaumkeramikplatte mit einem Raumgewicht von 500 kg/m³, einer Druckfestigkeit von 8 N/mm² und einer Wärmeleitfähigkeit von 0,1 kcal/m h °C vor. Der mittlere Porendurchmesser der relativ großen Poren betrug 2 mm.

Beispiel 2

Der Versatz bestand aus 50 Gew.-% Steinzeugton und 50 Gew.-% Klärschlammaschenprodukt tonsubstanzähnlichen Zusammensetzung.

Dieser Versatz enthielt 0,9 Gew.-% S-² und 2,6 Gew.-% SO4-². Die Aufbereitung und das Schäumen erfolgte gemäß Beispiel 1. Dabei ergab sich eine Schaumkeramikplatte mit einem Raumgewicht von 400 kg/m³. Die Biegefestigkeit lag bei 3 N/mm², die Druckfestigkeit bei 7 N/mm². Die Gasdurchlässigkeil betrug 10 Nanoperm und die Wärmeleitfähigkeit 0,1 kcal/m h ⁰C. Der mittlere Porendurchmesser der relativ großen Poren betrug 2 mm.

Beispiel 3

Gemäß Beispiel 1 wurde ein Versatz, bestehend aus 50Gew.-% Lehm, 10Gew.-% Basaltmehl und 40 Gew.-% Klärschlammaschenprodukt, mit der Zusammensetzung nach Beispiel 2 aufbereitet. Das Gemenge wurde bis 1150⁰C erhitzt und das geschäumte Produkt abgekühlt. Es ergab sich eine Schaumkeramikplatte mil einem Raumgewicht von 400 kg/m³ und den gleichen Eigenschaften in bezug auf Biegefestigkeit, Druckfestigkeit, Gasdurchlässigkeit und Wärmeleitfähigkeit sowie Porenverteiiung, wie sie in Beispiel 2 ermittelt wurden.

Anhand der Figur wird die Struktur des erfindungsgemäßen Schaumkeramikelements beispielhaft näher beschrieben: Dabei stellt die F i g. 1 einen Ausschnitt aus einem Schaumkeramikelement dar, das gemäß Beispie] 2 hergestellt wurde, und zeigt die Porenverteilung des Elements, das aus dem Stegmaterial I₁ den relativ großen Poren 2 und den relativ kleinen Poren 3 besteht Dabei liegt das Verhältnis des mittleren Porendurchmessers der großen Poren zum mittleren Porendurchmesser der kleinen Poren im Stegmaterial bei etwa 4,i zul.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaumkeramikelernent, insbesondere auf der Basis mineralischer Rohrstoffe, gekennzeichne t d u r c h eine Porenverteilung, die zwei Maxima aufweist, wobei das erste Maximum vom mittleren Durchmesser großer Poren und das zweite Maximum vom mittleren Durchmesser kleinerer Poren, die die Feststoffstege zwischen den großen Poren durchsetzen, gebildet werden.

2. Schaumkeramikelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des mittleren Durchmessers der großen Poren zum mittleren Durchmesser der kleineren Poren zwischen 3 :1 und 8 :1, vorzugsweise zwischen 4 :1 und 5:1, liegt.

3. Schaumkeramikelement nach Anspruch 1 und/ oder 2, gekennzeichnet durch eine aus Anorthit bestehende Kristallphase, deren Anteil über 10 Gew.-%, insbesondere 15 bis 30 Gew.-%, beträgt.

4. Schaumkeramikelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es Poren im ersten Maximumbereich eines Durchmessers von 1,5 bis 2,5 mm und eine Rohdichte von 300 bis 600 kg/m³ aufweist.

5. Schaumkeramikelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitfähigkeit 0,08 bis 0,2 kcal/m h ⁰C beträgt.

6. Verfahren zur Herstellung eines Schaumkeramikelements nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei nicht blähfähige, tonmineralhaltige Rohstoffe, gegebenenfalls im Gemisch mit üblichen Flußmitteln, mit Wasser gemengt werden, das Gemenge granuliert, getrocknet, in Formen eingebracht und bis zum Schäumen erhitzt sowie anschließend abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gemenge als Schäumhilfsmittel ein Sulfat und ein Sulfid zugesetzt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schäumhilfsmittel zugesetzt wird, in dem das Gewichtsverhältnis Sulfat: Sulfid 10:1 bis 1 :1, vorzugsweise 3 :1 beträgt.

8. Verfahren nach Anspruch 6 und/oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Schäumhilfsmittel in Mengen von 0,2 bis 10, insbesondere von 2 bis 5 Gew.-%, bezogen auf die Feststoffsubstanz, zugesetzt wird.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Schäumhilfsmittel ein Gemenge aus Eisensulfat und Eisensulfid zugesetzt wird.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß natürliche und/oder industrielle Abfallprodukte zugesetzt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß Klärschlammasche, insbesondere einer Körnung unter 200 μηι, vorzugsweise unter 60 μΐη, zugesetzt wird.

12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß im Temperaturbereich von 1000 bis 1200⁰C geschäumt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schäumzeit 10 bis 180 Min beträgt.

14. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß als tonmineralhaltiger Rohstoff Steinzeugton, vorzugsweise mit illitischem Anteil verwendet wird.