DE2741566A1 - Verfahren zur herstellung aluminium- keatit enthaltender keramiken - Google Patents
Verfahren zur herstellung aluminium- keatit enthaltender keramikenInfo
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Description
Verfanren zur Herstellung Aluminium - Keacit
enthaltender Keramiken
Die Erfindung betrifft ein Verfanren zur Hers teilung von Aluminium - Keatiticeramiken durch Ionenaustausch in Beta-Spodumen
enthaltenden Keramiken oder Glaskeramiken.
Die kristallinen Aiuminiumsilikate tetragonaler Struktur ßeta-Spodumen und Beta-Spodumen fester Lösung sind Hauptbestandteil
wichtiger Keramiken und Glaskeramiken. Während stöcniometrische Beta-Spodumen-Gläser (LipO-Al2CU-auch
in festen Lösungen mit Kieselsäure, (Li^O-Alp^p
worin η = 3,5 - 10) gut schmelz- und formbar sind, sind diese Kristalle enthaltende Keramiken feuerfest bzw. refraktär und
zeigen niedrige Dehnung.
Pur die kristallchemischen Eigenheiten fester ßeta-Spodumenlösungen
sei auf Skinner und Evans, Am. J. Sei., Bradley Bd. 2ί?β A, 312 - 24 (1960) hingewiesen. Die Herstellung unporöser
und anderer, Beta-Spodumen enthaltender Glaskeramiken,
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ist in den US-PS 2,920,971, 3,148,894 und 3,582,371 beschrieben.
Die Extraktion von Lithium aus mineraliscnem Beta-Spodumen
ist seit 1950 und der US-PS 2,516,109 bekannt. Die jüngere US-PS 3,834,981 beschreibt ein Verfahren zur Lithiumextraktion
durch Ionenaustausch mit Wasserstoff. Die Extraktion ist im übrigen zerstörungsfrei und ergibt als neue Kristallphase
Aluminium - Keatit mit der Ausgangszusammensetzung entsprechenden Anteilen Aluminiumoxid : Kieselsäure. Die Beta - SpodumenkeramiK
wird hierzu mit einer starken Mineralsäure zwecks Ersetzung von Lithium durch Wasserstoff und anschließende Erhitzung
zwecks Austreibung des Kristallwassers und Bildung von Aluminium - Keatitkristallen behandelt. Obwohl auch durch
Wärmebehandlung erzeugte Glaskeramiken für dieses Verfahren geeignet sind, wurden gesinterte Keramiken bislang bevorzugt,
besonders wenn sie frei von zwischengelagerter Glasphase sind, weil die poröse Struktur für die Säure besser zugänglich ist.
Hierbei besteht die Schwierigkeit, daß die durch in situ erfolgende
Kristallisation vorgeformter Glaskörper entstandenen Beta - Spodumen - Glaskeramiken unporös und frei von Hohlräumen
sind, Ferner enthalten sie meist eine die Beta - Spodumenkristalle umschließende oder einbettende Glasphase. Nach der
letztgenannten US-PS soll diese Glasphase daher zunächst mit HF oder NaOH vor oder während der Ionenaustauschbehandlung entfernt
werden, um die Beta - Spodumenkristalle freizulegen, der
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Säure Zugang zu schaffen und damit den Lithiumaustausch zu fördern oder erst zu ermöglichen.
Die Erfindung hat ein einfacheres und wirksameres Verfahren zur Herstellung von Aluminium-Keatitkeramiken durch Säurebehandlung
und Ionenaustausch der durch in situ Kristallisation vorgeformten Glaskörper entstandenen und meist unporösen
Beta-Spodumen Glaskeramiken und Keramiken zur Aufgabe.
Die Aufgabe wird durch das Verfahren der Erfindung dadurch gelöst,
daß in der zu behandelnden Keramik das Molverhältnis von AIpO, zu einem oder mehreren der modifizierenden Oxide Li2O,
Na2O, K2O, ZnO, MgO, CaO, BaO, SrO das Verhältnis 1 :.1 nicht
übersteigt.
Der Gesamtgehalt modifizierender Metalloxide bezeichnet hier den Gesamtgehalt an Li2O plus anderen Alkalimetallen und Metalloxiden
der zweiten Gruppe, welche Ansätzen zur Herstellung von Beta-Spodumen-Glaskeramiken zur Modifizierung von Eigenschaften
des Ausgangsglases oder des Endproduktes beigegeben werden können, Wesentlich ist, daß der molare Gesamtanteil der modifizierenden
Oxide Li2O, Na3O, K2O, ZnO, MgO, CaO, BaO und SrO den molaren
Anteil von Al2O, wenigstens äquivalent ist.
Die genaue Ursache für dieses anormale Ionenaustauschverhalten ist nicht bekannt. Vermutlich beeinflußt das Verhältnis zwischen
den Anteilen Aluminiumoxid und den modifizierenden Oxiden
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-Jr-
irgendwie das Ionenaustauschverhalten der Spodumerücristaue
oaer das Ausiauivernalten der zwischengelagerten Glasmatrix.
Die erhaltenen Vorteile sind jedenfalls von erheblicher technischer \xnd wirtschaftlicher Tragweite, weil aie (Je samt behandlung
verkürzt und vereinfacht und der besondere Verfahrensschritt einer Gasentfernung durch starke Alkalien oder Säuren entbehrlich
wird.
Zur Hersteilung von Aluminium-Keatitkeramiken durch ionenaustauscnende
Benandlung von Beta-spodumenhaitigem glaskeramischen
Material wird dieses mit einer Quelle austauscnbarer Wasserstoffionen, z.B. einer starken Säure in Kontakt gebracht. Besonders
geeignet hierfür sind starke Mineralsäuren wie HpSO.,
HGl, HNO, oder deren wässerige Lösungen. Die Glaskeramik wird hierzu für eine zum Austausch von Lithiumionen gegen Wasserstoff
ionen ausreichende Zeitdauer in die Säure eingetaucht. Der Austausch wird durch Temperaturen über Zimmertemperatur begünstigt,
wird im üDrigen aber vorzugsweise unternalü des Siedepunxtes der verwendeten Säure durchgeführt.
Durcn den Ionenaustausch entsteht eine Keramik, welche anstatt der ursprünglichen Beta-Spodumenphase eine kristalline Hydroxy-Aiuminiumsilikatphase
enthält, wobei das Li„0 der Kristallphase durch H^O ersetzt wurde. Zur Bildung von Aluminium-Keatit muß
durch Erhitzen das Kristallwasser ausgetrieDen werden, ois eine Alumiiiiumsilikatpnase verbleibt. Die Austreibung beginnt meist
bei etwa 3i>0°C, wobei das Ausmaß der Entfernung dieses Kristallwassers
m erster Linie von der beim Ernitzen erreichten
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-Jsr-
Spiüzentemperatur aDhängt. Zur vollständigen Entfernung muß
auf etwa 10000C ernitzt werden.
Das hierdurch erhaltene Keatitprodukt zeigt eine Keine senr günstiger Eigenschaften, wie eine niedrige Umse-,zungsuereitschaft
Dei erhönter Temperatur und typischerweise einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizient. Es ist auch ein guten Zwischenprodukt
für die Herstellung von Muilit und Aluminium-Keatit-Muliitkeramiken
mit günstigen chemischen und physikaliscnen Eigenschaften.
Für die Einzelheiten und eventuelle Abwandlungen dieser Herstellung
sei auf die US-PS 3,054,981 hingewiesen. Ansätzen in dem erforderlichen Verhältnis ergebenden Ansätzen, wie z.B.
Sand der Korngröße 200 mesh, Lithiumkarbonat, Natriumkarbonat, Aluminium-, Titan- und Zirkonoxid hergestellt werden.
Die Ansätze werden zur Erzielung einer homogenen Schmelze in der Kugelmühle gemahlen, und während 16 Std. bei 1650 - 16dO°C in
Platintiegeln erschmolzen. Das Glas (z.B. in Stangenform) wird durch die bekannte, die in situ Kristallisation fördernde Wärmebehandlung,
z.B. Erhitzen mit einer Geschwindigkeit von 200°/Std. bis auf 1150°, 2 Std. Halten auf dieser Spitzentemperatur, in
stark kristalline, unporöse, hohlraumfreie Beta-Spodumen-Glaskeramiken
umgewandelt.
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Die Eignung der Glaskeramiken für die lonenaustauschbehandlung
wird durch Eintauchen in konzentriertes H2SO. bei 260° während
16 Std. und Messen der durch H-Li Austausch an der Oberfläche erzeugten Tiefe der Hydroxy-Aluminiumsilikat-Kristallschicht geprüft.
Die Tiefe der Schicht wird deutlicn durch Änderung der Durchscheinba?keit. Die vorher nur unterscneidbaren Glaskeramikkörper
zeigen jetzt infolge der verschiedenen Tiefe der Austauschschicht merkliche Unterschiede, die vornehmlich von dem Aluminiumoxid-modifizierenden
Oxidmolverhältnis der Ausgangszusammensetzung abxiängen.
Die Tabelle I verzeichnet typische Ergebnisse. Angegeben sind die Zusammensetzungen der Beta-Spodumen-Glaskeramiken vor Behandlung
(Molverhältnisse, mit Ausnanme der wie üblich in Gew. % angegebenen Kernbildner TiO2 und ZrLO, sowie die Tiefe der Austauschscnicht
nach 1b Std. Behandlung mit konzentriertem H2SO4 Dei
Zum besseren Vergleich sind die verschiedenen Bestandteile so abgeglichen, daß der Gesamtgehalt an modifizierenden Oxiden
jeder Zusammensetzung den Wert 1 ergibt. Beispielsweise enthält die erste Zusammensetzung der Tabelle 1 modifizierende Oxide
(Li2O + Na2O), Al2O-, und SiO2 im molaren Verhältnis 1 : 1 : 4,5,
die zweite Zusammensetzung im Verhältnis 1 : 1,05 s 4,5. Das Molverhältnis Al2O., : modifizierende Oxide läßt sich dann
aus der Tabelle ablesen; es beträgt 1 : 1 für die erste, 1,05 : 1 für die zweite Zusammensetzung.
809812/064?
T a d e i ± e I
Li2O | Grrundzus ammens e t zung andere modifizierende Oxide |
A12°3 | SiO2 | Kernbildner TiO2 ZrO2 |
2 | Tiefe der Austausch schient in mm |
|
1 | 85 | 15 Na2O | 1,00 | 4,5 | 2 | 2 | 1,0 |
2 | 80 | 20 Na2O | 1,05 | 4,5 | 2 | 2 | 0,2 |
3 | 75 | 25 Na2O | 1,05 | 4,5 | 2 | 2 2 |
0,2 |
α» 4ο to |
OD VO
VJi O |
10 Na2O 15 Na2O |
1,10 1,15 |
4,5 4,5 |
2 2 |
2 | 0,2 0,0 |
75 | 25 Na2O | 1,00 | 6,5 | 2 | 2 | o,/ | |
85 | 15 Na2O | 1,00 | 4,5 | 2 | 2 | 1,3 | |
85 | 15 Na2O | 1,00 | 5,0 | 2 | 2 | 1,0 | |
9 | 85 | 15 Na2O | 1,00 | 5,5 | 2 | ^ | 1,0 |
10 | 80 | 20 Na2O | 1,00 | 4,5 | 2 | 2 | 1,0 |
11 | 80 | 20 Na2O | 1,00 | 4,5 | 1,5 | 2 | 1,3 |
12 | 80 | 20 Na2O | 1,00 | 5,0 | 2 | 0,5 |
ro ,ρ-
cn ι cn
H Auatauscn in Beta-Spodumen-lrlasiceramiicen
Gnindzus ammens e χ zung andere modifizierende
Li2O Oxide
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16 -» öp
17 5 *>
1ö ** yo
30 40
Na2O
10
A12Ü3 | SiO2 | KernDiianer TiO2 ZrO2 |
2 |
1,00 | 0.0 | 3 | - |
1,00 | O9O | D,0 | 2 |
1,00 | o, 0 | 2 | 2 |
1,00 | 7,0 | 2 | 2 |
1,00 | b,U | 2 | 2 |
1,00 | 4,3 | 2 |
Tiei'e aer AuöLauscnscnicnx
in mm
1,0
0,7
1,0
1,0
-O ν
IO
in
cn cn
Die icriciscne Bedeutung der Zusammensetzung, irisoesondere des
Aluminiumoxid -modifizierenden üxidvernältnisses l'ür die Ionenaustauschrate
in unporösen .Beta-Spodumen-GlasKeramiken durcn in
situ erfolgende Kristallisation von Aluminiumsiiikatgläsern läßt
sich durch Vergleich der Lithiumextraktion in GIaskeramiken verschiedener
Zusammensetzung, aoer gleicher Gestalt durcn ein Standardverfanren des Ionenaustausches, nachweisen. Hierzu werden eine
Reihe glaskeramischer Gegenstände mit bekannten Mengen Kieselsäure und Kernbildnern aber unterschiedlichen molaren Anteilen Aluminiumoxid
und modifizierenden Oxiden hergestellt.
Die hierzu, zwecks Herstellung der Aluminium-Kuatitkörper verwendeten
Beta-Snodumen-Giaskfiramiken können in bekannter Weise ?us
die gewünschte Zusammensetzung bei den Schmelztemperaturen ergebene
"
Den Einfluß dieses Molverhältnisses auf die Ionenaustauschrate zeigen deutlich die Beispiele 1-5 mit ihrer deutlichen Abnahme
der Tiefe der Austauschschicht beim Ansteigen des Verhältnisses von 1 : 1 bis auf 1,15 '· 1. Andererseits belegen die Beispiele
6-18 nur geringe Änderungen als Folge unterschiedlicher Zusammensetzungen wie dem Gehalt an SiO2, den verhältnismäßigen Anteilen
an LipO und Na2O, sowie Art und Menge der Kernbildner.
Aus den Ergebnissen der Beispiele läßt sich folgern, daß Glaskeramiken
mit Oxidverhältnis von Al2O, : modifizierenden Oxiden
von 1 : 1 oder weniger sehr wirksam nur mit H2SO. behandelt werden
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können, während Zusammensetzungen mit höheren AlJJ^ Anteilen
längere Behandlung erfordern, und in einigen Fällen vielleicht sogar Zusätze von HF oder Alkalien erheischen, um einen brauchbaren
Ionenaustausch einzustellen.
Bevorzugt werden für die eriindungsgemäbe Benandlung Beta-Spodumen-Glaskeramiken
der Tabelle I mit Na?0 enthaltenden modifizierenden Oxiden Glaskeramiken mit anderen modifizierenden Oxiden
ergebn aber ebenfalls brauchbare Ergebnisse, sofern das Verhältnis AIpO^ : modifizierende Oxide auf 1 : 1 oder darunter gehalten wird,
Beispiele für die letzteren Glaskeramiken enthält die Tabelle 11 mit den der Tabelle I entsprechenden, und in gleicher Weise hergestellten
und behandelten Glaskeramiken.
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'j? a u e 1 1 e 11
H+ Austauschrate in Beta-Spodunien-Glasiceramiicen
Grund zus ammens e t ζung
Tiefe der Ionenaustauschschicht in mm
0,3 0,3 0,9 0,4 0,4 0,3 0,4 0,4 0,4 0,3 0,3 0,ö 0,9
19 | Li2O | andere modifizierende Oxide |
Al2O,, | SiO2 | Kernoildner TiO2 ZrO2 |
Z | |
20 | 80 | 15 Na2O/O5 K2O | 1,00 | 4,P | 2 | Z | |
21 | 90 | /10 K2O | 1,00 | 5,0 | Z | 2 | |
22 | 80 | /ZO K2O | 1,00 | 5,0 | Z | 2 | |
23 | 85 | 10 Na2O/O5 ZnO | 1,00 | o,0 | Z | Z | |
49 O |
24 | 80 | 10 Na2O/10 ZnO | 1,00 | D,O | Z | 2 |
(O OO |
2!? | 80 | /20 ZnO | 1,00 | 5,0 | 2 | 2 |
rs> "^. |
2b | 80 | 10 Na2O/10 MgO | 1,00 | b,0 | Z | Z |
O a* |
27 | 80 | 15 Na2O/Op MgO | 1,00 | 5.0 | Z | Z |
»a | 28 | 80 | 10 Na2O/10 MgO | 1,00 | 5,0 | Z | 2 |
29 | 80 | /20 MgO | 1,00 | 5,0 | 2 | 2 | |
30 | 75 | 15 Na2O/10 MgO | 1,00 | 5,0 | 2 | ||
31 | 80 | 10 Na.,0/1U GaO | 1,00 | ά | Z | ||
32 | 8U | 10 Na2O/10 6x0 | 1,00 | 3,0 | Z | 2 | |
80 | 10 Na20/10 BaO | 1,00 | 3,0 | Z | |||
Wie die i'aoeile II zeige, sma aucu K O, MgO, £>aO, GaU, Sr(J und
ZnO als moaiiizierende Oxide geeignet und ergeoen gute ErgeDnisse.
Am wirksamsten erscheinen SrO und OaO, wänrend ZnO, ßaO und MgO
den Ausuauscn etwas zu verlangsamen seneinen. bevorzugt werden
daner Glaskeramiken, in denen das molare Vernältnis Aluminiumoxid zum Gesamtgenait MgO + i3aO + ZnO 1 : 0, f>
nicnt üDersbeigt.
Die -Beispiele oetr-eiien feste, unporbse .Beta-Spodumen-Giaskeramiken,
jedocn ist das Verianren aucn auf poröse Keramiken
und Giasiceramixen mit restiicnen Giaspnasen zur henandlung gesinterter
Beta-Spodumen-Keramiken und Glaskeramiken zur Herstellung von Aluminiumoxia-KeatiuproauKten anwendDar.
Claims (4)
- ΛL Verfahren zur Herstellung von Aluminium-Keatit enthaltendenKeramiken, Dei dem in einer Beta-Spodumen in fester Lösung als Hauptkristallpnase enthaltenden Keramik durch Kontakt mit einer starken Säure wenigstens ein Teil der Lithiumionen durch Wasserstoff ersetzt werden, und durch anschließendes Erhitzen wenigstens ein Teil des Kristallwassers entfernt und Aluminium-Keatit gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß in der zu behandelndei Keramik das Molverhältnis von AIpO, zu einem oder mehreren der modifizierenden Oxide Li^O, Na2O, K2O, ZnO, MgO, CaO, BaO, SrO das Verhältnis 1 : 1 nicht übersteigt.
- 2. Verfanren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als zu behandelnde Keramik eine durch in situ Kristallisation eines Glases entstandene Glaskeramik ausgewählt wird.
- 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der zu behandelnden Keramik das Verhältnis von AIpO., zum Gesamtanteil Mgü + BaO + ZnO das Verhältnis 1 : 0,3 nicht übersteigt.
- 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu behandelnde Keramik Na2O enthält.ORIGINAL INSPECTED
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