DE2627823C3 - Verfahren zur Herstellung von KaIk-Siliciumdioxid-gebundenen Baumaterialien - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von KaIk-Siliciumdioxid-gebundenen BaumaterialienInfo
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Description
Die Erfindung betrifft die Herstellung von KaIk-Siliciumdioxid-gebundenen
Baumaterialien, die besonders als Baumaterial mit wärmeisolierenden Eigenschaften
geeignet sind und hohe Biegefestigkeiten und Druckfestigkeiten aufweisen.
Es sind Verfahren zur Herstellung von Baumaterialien für wärmeisolierende Zwecke durch Umsetzen
von Kalk mit Siüciumdioxid-haltigem Material, wie Diatomeenerde, in einer Atmosphäre von gesättigtem
Dampf bekannt.
Für diesen Zweck wurden auch schon eine Reihe ι von SiO,-haltigen Materialien, einschließlich Natriumaluminiumsiiikate
vulkanischen Ursprungs, wie expandierter Perlit, verwendet. Verfahren zur Herstellung
von Kalk-SiO2-gebundenen wärmeisolierenden
Materialien werden /..U. in den US-PSen
κι 2698256 und 3 238 052 beschrieben.
Wärmeisoliermaterialien dienen dazu, Wärmeverluste auf ein Minimum zu beschränken. Zusätzlich zu
den Anforderungen an Isolierung muß ein Erzeugnis, das zur Wärmeisolierung vorgesehen ist. wärmebe-
i"> ständig, nicht entzündbar und haltbar sein. Darüber
hinaus müssen die für Wärmeisolierzwecke geeigneten Baumaterialien, wie Rohr-, Platten- oder Blockisolierung,
eine genügend hohe Biegefestigkeit und eine entsprechende Druckfestigkeit besitzen, um den
_'(i Transport und das Anbringen von Installationen unbeschadet
zu überstehen. Um den Umweltschutzbestimmungen gerecht zu werden, dürfen die Zersetzungsprodukte
der Isoliermaterialien bei erhöhten Temperaturen weder korrosiv noch schädlich sein.
>-> Die bekannten Kalk-Siliciumdioxid-gebundenen
Baumaterialien weisen noch keine ausreichende hohe Biegefestigkeit auf. Aufgabe der Erfindung ist es deshalb,
ein Verfahren zur Herstellung von Kalk-Siliciumdioxid-gebundenen Baumaterialien, die für Iso-
JIi lierzwecke geeignet sind, und bei dem Kalk mit expandiertem Perlit als Siliciumdioxid-enthaltendes
Material einer Dampfhärtung unterworfen wird, aufzuzeigen, welches zu Produkten mit hohen Biegefestigkeiten,
verglichen mit den Produkten des Standes
γ, der Technik, führt. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt in der in den Patentansprüchen angegebenen Weise.
Insbesondere bei einem Gewichtsverhältnis von
Kalk zu SiO2 von 0,75 erreicht man erfindungsgemäß
eine optimale Biegefestigkeit, die bis zu 30% höher
M) sein kann als im Vergleich zu ähnlichen Erzeugnissen.
Die Bezeichnung »Perlit« umfaßt alle Arten expandierbarer vulkanischer Gläser, die im wesentlichen
aus Aluniiniumsilikaten bestehen und unterschiedliche Hydratationsgrade aufweisen und kleine Mengen
_i-, Alkali gebunden enthalten. Dazugehören vulkanische
Gläser, wie Obsidian, Vitrophyr, Pechstein, Tachylyt, Bimsstein, Glastuff und Glanztuff, die alle unter Wärmebehandlung
je nach ihrer Zusammensetzung bei einer Temperatur von 850 bis 1200° C expandieren.
-,ο Die verschiedenen Perlite enthalten von 70 bis 75%
SiO2, von 12 bis 15% AI2O,, von 0,5 bis 6% gebundenes
Wasser, von 2 bis 5% Na2O, von 2 bis Ci% K2O
und kleinere Mengen anderer Bestandteile, wie Fe2O1, TiO2, CaO und MgO.
ν, Perlit wird zuerst wärmeexpandiert und kann in einer
Gebläse-Mahlvorrichtung zu teilchenförmigen! Perlit mit einer Teilchengröße im gewünschten Bereich
gemahlen werden. Aus den Perlitteilchen kann durch Windsichten ein Produkt mit vorzugsweise ei-
h„ nem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1
bis 15 μηι gewonnen weiden.
Der expandierte und gemahlene Perlit wird oberflächenaktiviert, um die Gelbildung zu beschleunigen.
Dies kann durch chemische Beizbehandlung mit einer
hr, wäßrigen Lösung von Natrium-Silikat, Natriumhydroxid
oder deren Gemische geschehen.
Das aktivierende Natriumagens kann 0,1 bis 3,0%ig, und vorzugsweise l,0%ig, bezogen auf das
Gewicht der Lösung, sein. Die Behandlung mit der
wäßrigen Lösung des natriumhaltigen Aktivierungsagens wird zweckmäßig hei Temperaturen von 85 bis
95 ° C, vorzugsweise bei 85" C, 5 bis M) Minuten lang,
vorzugsweise K) Minuten lang, durchgeführt. Vorzugsweise
wird das wäßrige Gemisch aus Perlit und dem aktivierenden Agens wahrend tier Behandlung
gerührt.
Der aktivierte Perlit wird dann mit einer wäßrigen Aufschlämmung als Kalk und Versiärkungsfasern unter
Bildungeines Kalk-SiOj-Reaktionsgemisches gemischt.
Handelsübliche Kalksorten können bei dem erfindungsgernäßen Verfahren verwendet werden,
z.B. gebrannter Kalk (CaO), gelöschter Kalk (Ca(OH)1) und gelöschter Dolomitkalk
(Mg(OH)Xa(OH)2). Es hat sich gezeigt, daß die Zeit
der Gelbildung geringer ist, wenn gelöschte Kalksorten, einschließlich gelöschter Dolomitkalk verwendet
werden, so daß diese vorzuziehen sind.
Die Verstärkung der geformten Erzeugnisse, die nach dem erfmdungsgemäüen Verfahren hergestellt
werden, wird durch Einschluß geeigneten Fasermaterials in einer wäßrigen Aufschlämmung mit Kalk erreicht.
Die Wahl des speziellen Fasermaterials ist nicht kritisch. Verstärkungsfasern, die gemäß der Erfindung
verwendet werden können, schließen sowohl organisches als auch mineralisches Fasermaterial ein. Beispielsweise
schließen organische Stoffe, die in Faserform verwendet werden können, pflanzliches Material,
wie Hanf und Jute, synthetische organische Fasern und andere organische Stoffe, wie Papierschnitzel,
Hadern und dergleichen ein. Vorzugsweise werden Fasern mineralischen Typs zur Verstärkung
verwendet. Mineralische Fasern umfassen Fasern aus Mineralwolle, Glasfasern und anorganische Fasern,
wie anorganische Fasern, die sich von synthetischen ableiten lassen. Eine besonders bevorzugte Verstärkungsfaser,
die verwendet wird, wenn besondere Feuerbeständigkeit gewünscht wird, ist die Asbestfaser.
Im allgemeinen sind die mineralischen Fasern besonders geeignet, wenn die erfindungsgemäß hergestellten
Isoliermaterialicn unter Temperatiirbedingungen
verwendet werden sollen, bei d.-n<r. sich organische Fasern zersetzen wurden.
Der Faseranteil kann von 1,0% bis l(),()7o, bezogen
auf den Feststoffgehalt, betragen, wobei 2,0% bis 7,0% und insbesondere 4% Fasern bevorzugt sind.
Vor Zugabe des aktivierten Perlit zu der wäßrigen Aufschlämmung ans Kalk und Fasern wird die A'äßrige
Kalkaufschlärnmung vorzugsweise eine gewisse Zeit gerührt, z. B. 10 Minuten lang. Der aktivierte Perlit
wird dann zur bereits hergestellten Kalkaufschlämmung zugegeben. Vorzugsweise wird der aktivierte
Perlit zu einer Kalkaufschlämmung ohne Abtrennung des aktivierenden Agens, mit dem der Perlit behandelt
wurde, zugegeben.
Die exakten Anteile von Kalk und Perlit sind per se bei der praktischen Ausführung der Erfindung nicht
kritisch. Dagegen wurde festgestellt, daß 'las Kalk/ Perlit-Verhältnis einen Parameter darstellt, der genau
eingehalten werden muß, um die gewünschten Fertigkeitseigenschaften
des Endproduktes zu erreichen. Bei einem Verhältnis unter 0,70 oder über 0,80, nimmt die Biegefestigkeit sehr rasch ab. Liegt dagegen
dieses Verhältnis über 0,70 aber unter 0,80, so kann eine Biegefestigkeit von 3,87 kg/cirr bis nahezu 7,03
kg/cm' erreicht werden. Besonders hat sich gezeigt, daß bei einem Kalk/Pcrlit-Verhältnis von 0,75 die optimale
Biegefestigkeit erreicht wird, wobei diese annähernd 7,03 kg/cm' erreicht, und damit einen
signifikant höheren Wert darstellt, als gegenwärtig in der Industrie erreicht wird, sogar dann, wenn
eine diatomeenerdehaltige SiO,-Ouellc verwendet
wird.
Das wüLirige KaIk-SiO,-Reaktionsgemisch /ur
Bildung eines CJcIs wird erwärmt. Diese Wärme-, behandlung wird vorzugsweise bei einer Icinperatur
von KO bis 95 C, und besonders bei 9 1 ( . durchgeführt. Das wäßrige Reaktionsgemisch wird
während der Behandlung vorzugsweise gerührt. Die Wärmebehandlung wird so lange fortgeführt, bis
sich ein KaIk-SiO--Gel gebildet hat. das sich formen
läßt.
Das wäßrige KaIk-SiO-GeI wird dann zu einem Produkt geformt, in einem Autoklaven gehärtet und
in einem Ofen getrocknet. Allgemein angewandte Formgebungsverfahren können bei der praktischen
Ausführung der vorliegenden Erfindung angewandt werden. Geeignete Formgebungsverfahren sind u.a.
einfacher Pfannenguß, modifizierter Pfannenguß, Filterpreßformen und Laminieren auf Plattenlaminierungsmaschinen.
Je nach dem gewählten Verfahren wird das wäßrige KaIk-SiO,-Reaktionsgemisch zuerst
unter Bildung eines KaIk-SiO1-GeIs wärmebehandelt
und daraufhin im Formgebungsapparat geformt oder es wird das wäßrige Reaktionsgemisch in einen Formgebungsapparat
eingebracht und dort gleichzeitig zur Gelbildung behandelt und geformt.
Vorzugsweise wird die wäßrige Aufschlämmung in einer Filterpresse verformt. Dergebildete Formarlikel
wird aus der Form ausgeworfen und unmittelbar darauf im Autoklaven behandelt, um die Härtung zu vervollständigen.
Der gehärtete Formartikel wird anschließend getrocknet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird unabhängig vom Formgebungsverfahren das geformte Produkt
durch Behandlung in einem Autoklaven gehärtet. Der Autoklav wird vorzugsweise bei einem Dampidruck
von !0,5 bis 14,1 kg/cm' betrieben und das geformte Produkt einer Härtung im Autoklaven vorzugsweise
für etwa 4 bis 6 Stunden unterzogen.
Nach der Autoklavenbehandlung wird das gehärtete, geformte Frodukt getrocknet, um überschüssige
Feuchtigkeit zu entfernen. Der Trocknungsschritt kann bei einer Temperatur durchgeführt werden, die
ausreicht, um überschüssige Feuchtigkeit zu entfernen, bis zu 200° C, vorzugsweise bei 200° C, wobei
ι ein Trocknungszyklus von 6 bis 8 Stunden geeignet ist.
Im allgemeinen können die handelsüblichen Isoliermaterialien
in drei Gruppen eingeteilt werden: Isolierung für niedrige, mittlere und hohe Temperaturen.
Die Anforderungen bezüglich Wärmeleitfähigkeit, Dichte und Festigkeit nehmen mit der Temperatur
zu. Wärmeisolierende Materialien für niedrige Temperaturen haben einen Temperaturanwendungsbereich
von etwa Raumtemperatur bis 649 C, wähi rend Hochtemperatur-Wärmeisoliermaterialien im
allgemeinen für die Verwendung bei Temperaturen über 982° C vorgesehen sind.
Nach der vorliegenden Erfindung werden Isoliermaterialien für mittlere Temperaturen ei halten. Die
- Produkte, die nach dem erfindungsgeniii-Jcu Verfahren
erhalten werden, haben eine Dichte im Bereich von 0,16 bis 0,32 g/cm' und sind fur die Verwendung
in einem Temperaturbereich von 6501 C bis 9N0c C
vorgesehen. Außerdem kann das erfindungsgemäüe
Verfahren für die Herstellung von KaIk-SiO,-Konstruktionsplatten mit einer Dichte im Bereich bis /v
0,9h g/ciii Eigenschaften aufweisen, angewandt werden.
Dic-ts Beispiel beschreibt die praktische Ausführung
des Verfahrens der vorliegenden Erfindung uηtei
Anwendung des Filterpreßformvcrfahrciis. Teil· hen von expandiertem Perlit werden mit einer wäßrigen
i.ostmg von Natriumsilikat in einem fesl-zu-flüssig-Vcrhältnis
von 1:10 gemischt. Das Gemisch wird auf 8<S' C erwärmt. In einem separaten Behälter wird gebiaunici
Kalk iiiii 9 Teilen Wasser K) Minuicn lang
gelöscht und mit Wollfasern unter Bildung einer Aufschlämmung gemischt. Die Kalk-Wollfaser-Aufschlämmung
wird zu dem wäßrigen Gemisch aus Perlit und Natriumsilikat zugegeben. Bei einer Temperatur
von 93" (" wird die Aufschlämmung, die expandierte, aktivierte Perlitteilchen, gelöschten Kalk und Wollfasern
enthält, 10 Minuten lang kräftig und daraufhin 35 Minuten lang milde gerührt (3 bis 5 UpM), was
zur Gelbildung führt. Nach 45 Minuten wird die Aufschlämmung mit kaltem Wasser, das bis zu etwa 15%
des gesamten Wassergehaltes betragen kann, rasch abgekühlt. Die vorgelierte Aufschlämmung wird in
eine Fillcrprcßform eingefüllt. Die Form wird unter Druck geschlossen, der ausreicht, um das Wasser zu
entfernen und den Fonnartikel zu bilden. Der Formartikel wird dann aus der Form ausgeworfen und iinmittclbardarauf
in einem Autoklaven bei 10,5 kg cnr Dampfdruck 3 Stunden lang gehärtet. Der gehärtete
Formartikel wird aus dem Autoklaven genommen und in einer Trocknungskammer bei 200° C d bis S Stunden
lang getrocknet. Das Erzeugnis eignet sich als Isoliermaterial
für mittlere Temperaturen.
Beispiel Ζ
Das Verfahren in Beispiel 1 wurde mit verschiede neu Kalk/SiO,-Verliältnis'-eii uhcrdcn Bereich (),(>
bi 1.1 wiederholt und die Biegefestigkeiten ge messer
Der verwendete IVrMl (PE) wurde expandiert und i einer (iebläsemühle gemahlen, wobei Teilchen mit ei
nein mittleren Durchmesser von I bis 15 μηι erhalte
wiudeii. Die Zusammensetzung des Rohmaterials fii
K'S " 0.7S ist in Prozenten die folgende.
Perlit 57.42';
gebrannter Kalk 31,44'/
Wollfaser·! 4,15'/
festes Natriumsiiikat 6,99*}
100,009
D if Probestücke hatten eine Größe vo
2.5 x 2,5 X !2,7 cm bei 7,d cm Spannweite. Da Raumgewicht der Proben wurde mit 0,21 g/cm' kon
stant gehalten, und die Zeit der Gelbildung bctru konstant 1 Stunde. Die Ergebnisse wurden in ein Dia
gramm eingetragen, das als Zeichnung hier angcfug
und Bestandteil der vorliegenden Beschreibung isl Die Zeichnung gibt die Biegefestigkeit der Kalk
SiO,-gebundenen, geformten Baumaterialien al Funktion des Kalk/SiO^-Verhältnisses wieder. Uner
warteterweisc wurde gefunden, daß ab einem Ver hältnis von 0.70 an die Biegefestigkeit bei größeren
Kalk/SiO,-Verhältnis stark zunimmt, bis zu einen Maximalwert bei einem Kalk/SiO,-Verhältnis vo
0,75, bei dem sie annähernd 7,03 kg/cm: beträgt. Di Biegefestigkeit nimmt dann mit weiter zunehmenden
Kalk/SiO,-Verhältnis wieder ab, bis bei einem Ver hältnis von nahezu 0.KO die Biegefestigkeit bis auf de
bei einem Kalk/SiO,- Verhältnis von 0,70 gemessene Wert abfällt. Bei einem Kalk/SiO-,-Verhältnis zwi
sehen 0.70 und O.SO beträgt die Biegelestigkeit übe
3,52 kg/cm\
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (8)
1. Verfahren zur Herstellung von Kalk-Siliciumdioxidgebundenen
Baumaterialien, geeignet zur Verwendung für Isolierzwecke, bei dem Kalk
mit expandiertem Perlit als Siliciumdioxid enthaltendes Material einer Dampfhärtung unterworfen
wird, dadurch gekennzeichnet, daß man
a) oberflächenaktivierte Teilchen aus expandiertem Perlit mit einer wäßrigen Aufschlämmung
aus Kalk und Verstärkungsfasern unter Bildung eines wäßrigen KaIk-SiOi-Reaktionsgemisches
in einem relativen Gewichtsverhältnis von Kalk zu Perlit über 0,70 und unter 0,80 vermischt,
b) das wäßrige Kalk-SiO,-Reaktionsgemisch
unter Bildung eines Kalk-SiO-,-Gels wärmebehandelt,
c) das KaIk-SiO2-GeI zu einem Formkörper
verfonnt,
d) den Formkörper in an sich bekannter Weise mit Dampf härtet und
e) den gehärteten Kalk-SiO2-Formkörper
trocknet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Perlitteilchen mit einem mittleren
Teilchendurchniesser von 1 bis 15 μιτι verwendet
werden.
3. Verfahren nach Anspruch I und 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch Umsetzen mit einer
wäßrigen Lösung von Natriumsilikat bei einer Temperatur von 85° C bis 95" C behandelte expandierte
Perlitteilchen verwendet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das wäßrige Kalk-SiO,-Reaktionsgemisch
in Schritt b) unter Rühren bei einer Temperatur von 80 bis 95° C wärmebehandelt
wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kalk frisch gelöschter Kalk
verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das KaIk-SiO2-GeI in Schritt c)
durch Filterpressen geformt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der KaIk-SiO2-Formartikel in Schritt d) durch Behandeln mit Dampf bei einem
Dampfdruck von 10,5 kg/enrbis 14,1 kg/cnr über eine Zeitspanne von 4 bis 6 Stunden gehärtet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gehärtete KaIk-SiO2-Formartikel
in Schritt e) bei einer Temperatur, die ausreicht, um überschüssige Feuchtigkeit zu entfernen,
aber nicht höher als 200° C ist, getrocknet wird.
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