DE3141759C2

DE3141759C2 -

Info

Publication number: DE3141759C2
Application number: DE3141759A
Authority: DE
Inventors: James Lichfield Staffordshire Gb Beale; Robert Franklyn Tamworth Staffordshire Gb Viles
Original assignee: Foseco International Ltd
Current assignee: Foseco International Ltd
Priority date: 1980-10-25
Filing date: 1981-10-21
Publication date: 1990-05-17
Also published as: ZA817057B; JPS57100962A; US4378249A; BR8106804A; DE3141759A1; FR2492836B1; AU543871B2; AU7667681A; CA1158001A; FR2492836A1

Description

Die Erfindung betrifft Pulvermassen auf der Basis von Natriumsilikat und Ton, die beim Vermischen mit Wasser Gele bilden, die zur Abdichtung, Füllung und für Beschichtungen, insbesondere in Kohlengruben als Verbrennungshemmaterialien, verwendet werden können.

Verschiedene gelbildende Massen auf der Basis von Natriumsilikat, Ton und Wasser werden bereits bei Arbeiten, wie der Bodenstabilisierung und Zementierung von Schacht- oder Brunnenschalungen, verwendet. In der GB-A 11 31 839 ist die Verwendung eines Gemisches aus Ton, wie Kaolinit, Illit oder Montmorillonit, einem Natriumsilikat mit einem Verhältnis von Kieselsäure zu Natriumoxid von 3 : 1 bis 4 : 1, und einem Amid als Gelierungsmittel für das Silikat beschrieben. In der GB-A 10 16 698 ist die Verwendung eines Gemisches aus Ton, wie Bentonit, eines Natriumsilikates mit einem Verhältnis von Kieselsäure zu Natriumoxid von 3,3 : 1, und eines alkalischen Peptisators für den Ton, wie Tetranatriumpyrophosphat, beschrieben.

Die bekannten Massen dieser Art zeigen Nachteile. Sie erfordern die Verwendung von Natriumsilikaten mit einem hohen Verhältnis von Kieselsäure zu Natriumoxid, die weniger leicht in Wasser löslich sind als Silikate mit einem niedrigen derartigen Verhältnis, so daß die Massen dort nur begrenzt einsetzbar sind, wo es günstig ist, ein trockenes Vorgemisch aus den Komponenten zu verwenden, das kurz vor dem Gebrauch mit Wasser versetzt wird. Zusätzlich dispergiert die Tonkomponente nicht leicht, falls kein Dispergiermittel in der Masse enthalten ist. Die üblicherweise für Ton verwendeten Dispergiermittel, wie Phosphate, haben den ungünstigen Nebeneffekt der Verringerung der schließlich erzielten Viskosität des gebildeten Tongels. Ferner sind Massen, die flüchtige oder geruchsintensive organische Geliermittel, wie Amide, enthalten, in der Umgebung von Kohlengruben unannehmbar.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Pulvermasse aus einem quellbaren Ton und einem Natriumsilikat zur Verfügung zu stellen, in der das Natriumsilikat ein niedriges Verhältnis von Kieselsäure zu Natriumoxid aufweist sowie ein nichtflüchtiges und nichtriechendes Geliermittel vorliegt.

Die Erfindung löst diese Aufgabe gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1.

Unter dem Ausdruck "quellbarer Ton" wird ein Ton, beispielsweise Montmorillonit oder Attapulgit, verstanden, der zur Absorption großer Mengen Wasser und der Quellung hinsichtlich der Größe unter Bildung eines Gels fähig ist. Bentonittone, die einen hohen Gehalt an Montmorillonit aufweisen, sind besonders geeignet. Verschiedene Arten von Bentonit stehen zur Verfügung, und ihre Eignung zur Quellung in Wasser hängt davon ab, ob der Montmorillonit, welchen sie enthalten, ein Calciummontmorillonit oder Natriummontmorillonit ist. Natriummontmorillonit hat eine höhere Quell- oder Gelierfähigkeit als Calciummontmorillonit. Einige technisch erhältliche Tone enthalten Montmorillonit, worin die Calciumionen gegen Natrium- und/oder Magnesiumionen durch Behandlung des Tones mit Stoffen, wie Natriumcarbonat und/oder Magnesiumoxid und/oder organischen Polymeren, ausgetauscht wurden, um die Quellfähigkeit der Tone zu erhöhen. In der Praxis haben diese Tone eine Quellfähigkeit, die zwischen derjenigen von natürlichem Calciumbentonit und natürlichem Natriumbentonit liegt. Obwohl sämtliche derartigen quellbaren Tone in den Massen gemäß der Erfindung eingesetzt werden können, bestehen die bevorzugten Tone aus natürlichem Natriumbentonit oder einem behandelten natürlichen Calciumbentonit, beispielsweise einem mit Natriumcarbonat behandelten Calciumbentonit.

Natriumsilikate mit einem mittleren oder niedrigen Gewichtsverhältnis von Kieselsäure zu Natriumoxid werden in den Massen gemäß der Erfindung verwendet, da derartige Silikate sich leicht in Wasser lösen und gleichfalls als Dispergiermittel für den Ton wirken, wenn die Masse mit Wasser gemischt wird. Die leichte Löslichkeit nimmt noch zu, wenn das Verhältnis von Kieselsäure zu Natriumoxid abnimmt, und die Fähigkeit zur Dispergierung des Tones nimmt ebenfalls zu, wenn das Verhältnis von Kieselsäure zu Natriumoxid abnimmt, da die Dispersionskraft durch die im Silikat enthaltenen Natriumionen bewirkt wird und je niedriger das Verhältnis von Kieselsäure zu Natriumoxid ist, desto mehr Natriumionen, auf das Gewicht bezogen, sind im Silikat enthalten. Das bevorzugte Natriumsilikat ist eines mit einem Verhältnis von Kieselsäure zu Natriumoxid von 2,0 : 1.

Sämtliche festen anorganischen Geliermittel für Natriumsilikat können verwendet werden, vorausgesetzt, daß das Geliermittel in die Geliermasse keine Ionen einführt, welche signifikant die Gelierfähigkeit des Tones erniedrigen. Beispiele für Verbindungen, die das Silikat gelieren, jedoch für den Ton nicht schädlich sind, sind wasserlösliche Zinksalze, Aluminiumsalze, Chloride, Sulfate und Phosphate. Die bevorzugten Geliermittel sind Silicofluoride, wie Natriumsilicofluorid, Kaliumsilicofluorid oder Magnesiumsilicofluorid, Calciumsilikate, wie Dicalciumsilikat oder Calciumsilikat enthaltende Materialien, wie gewöhnlicher Portlandzement, und Calciumsulfat.

Obwohl die Masse im wesentlichen ein Gemisch von Pulvern ist, enthalten die Ton- und Natriumsilikatkomponenten etwas Feuchtigkeit. Handelsübliche quellbare Tone enthalten im allgemeinen bis zu etwa 15 Gew.-% davon. Pulverförmige Natriumsilikate werden durch Trocknung, beispielsweise Sprühtrocknung, von Natriumsilikatlösungen hergestellt, und sie enthalten üblicherweise etwa 10 bis 20% restliches Wasser, und mit dieser Menge sind die technisch erhältlichen Natriumsilikate zufriedenstellend. Bei höheren Feuchtigkeitswerten tritt jedoch eine Neigung zum Einsetzen einer Reaktion zwischen dem Geliermittel und dem Natriumsilikat auf, während sich die Masse noch im trockenen Zustand befindet.

Wo die Prozentsätze an Ton oder Natriumsilikat nachfolgend angegeben sind, umfassen die aufgeführten Werte jedes entweder physikalisch oder chemisch in dem Ton oder Natriumsilikat enthaltene Wasser.

Gewünschtenfalls kann ein kleiner Anteil eines zusätzlichen Dispergiermittels für den Ton in der Masse enthalten sein, vorausgesetzt, daß das Dispergiermittel und die eingesetzte Menge nicht signifikant die Geliereigenschaften der Masse beeinflussen. Ein Beispiel für ein geeignetes Dispergiermittel ist Natriumcarbonat.

Die Masse gemäß der Erfindung enthält, auf das Gewicht bezogen:

50 bis 90% quellbaren Ton,
2 bis 50% Natriumsilikat,
0,1 bis 20% Geliermittel.

Die bevorzugten Massen enthalten:

65 bis 85% quellbaren Ton,
5 bis 30% Natriumsilikat,
2 bis 15% Geliermittel.

Die Menge der Masse, die mit Wasser vermischt wird, um ein Gel zu bilden, variiert in Abhängigkeit von der speziellen Anwendung, beträgt jedoch üblicherweise etwa 10 bis 20 Gew.-% der Masse, und die Zusammensetzung selbst wird so eingestellt, daß sich das Silikat leicht in Wasser löst, der Ton gründlich dispergiert wird und das Geliermittel für die Silikate langsam ohne nachteilige Beeinflussung der Gelierung des Tones wirkt. Damit die Masse zufriedenstellend ist, muß das fertige gelierte Produkt als Gel verbleiben, d. h., es muß verformbar und elastisch sein und darf nicht zu einer festen Masse werden.

Die Masse gemäß der Erfindung ist besonders zur Verwendung als Dichtungs- und/oder Verbrennungshemmaterial in Kohlengruben geeignet, da sie mit Wasser vermischt werden kann und über große Entfernungen zu den gewünschten Einsatzstellen gepumpt werden kann und dann zur Bildung einer luftundurchlässigen Sperrwand auf einer lose Kohle enthaltenden Masse verwendet werden kann, wobei die Sperrwand ausreichend flexibel ist, um sich an irgendeine Gesamtbewegung der Masse anzupassen. Das Gelierausmaß kann variiert werden, um unterschiedliche Pumpentfernungen zu berücksichtigen, wobei dann die jeweilige Zusammensetzung hinsichtlich der Komponenten und ihrer Mengen verschieden gewählt wird.

Beispiel 1

Eine Pulvermasse wurde durch Vermischen der Komponenten in den folgenden Gewichtsanteilen hergestellt:

82,2% mit Natriumcarbonat behandelter natürlicher Calciumbentonit
16,2% Natriumsilikat (SiO₂ : Na₂O = 2,0 : 1; Wassergehalt 16,0%)
1,6% Natriumsilicofluorid.

15 Gewichtsteile der Masse wurden mit 100 Gewichtsteilen Wasser vermischt, und die erhaltene Dispersion hatte eine Anfangsviskosität von etwa 500 mPa · s.

Die Dispersion gelierte langsam und wurde in eine Masse von loser Kohle in einer Grube gepumpt, so daß ein Verbrennungshemmaterial gebildet wurde.

Beispiel 2

Verschiedene Pulvermassen A bis L gemäß der folgenden Tabelle wurden miteinander verglichen.

In jedem Fall wurden 12,3 Gew.-% der Masse mit 87,7 Gew.-% Wasser unter niedrigen Scherbedingungen während 5 min gemischt. Die Viskosität der wäßrigen Masse wurde dann unmittelbar nach dem Vermischen, 30 min nach Mischbeginn und 24 h nach Mischbeginn unter Verwendung eines Viskosimeters gemessen. Die erhaltenen Ergebnisse sind gleichfalls in der folgenden Tabelle aufgeführt.

Die Massen B bis F sind Massen im Rahmen der Erfindung, während die Masse A ähnlich der Masse C ist, jedoch ein Natriumsilikat mit einem Gewichtsverhältnis von SiO₂ zu Na₂O von 3,3 : 1 anstelle 2,0 : 1 enthält. In der Masse E wird zusätzlich Natriumcarbonat als Dispergiermittel für den Ton und in der Masse F Portlandzement als Geliermittel für das Natriumsilikat anstelle von Natriumsilicofluorid verwendet.

Die Massen G und H sind Massen gemäß dem Stand der Technik und die Massen I und J sind Modifikationen von G und H, bei denen das Phosphat als Dispergiermittel für den Ton weggelassen wurde. Die Massen K und L erläutern den Effekt der Anwendung eines Geliermittels für das Natriumsilikat, welches einen nachteiligen Effekt auf die Gelierfähigkeit des Tones hat.

Es erwies sich als unmöglich, die Masse A in Wasser zu dispergieren und infolgedessen ist diese Masse, welche ein Silikat mit einem Verhältnis SiO₂ : Na₂O von 3,3 : 1 enthält, vollständig unzufriedenstellend.

Die Masse B, die ein Silikat mit einem Verhältnis SiO₂ : Na₂O von 2,65 : 1 enthält, ergab zufriedenstellende Ergebnisse, obwohl die Viskosität in den Anfangsstufen der Gelbildung ziemlich hoch und die schließlich erhaltene Viskosität ziemlich niedrig war.

Die Masse C, die ein Silikat mit einem Verhältnis SiO₂ : Na₂O von 2,0 : 1 enthielt, dispergierte leicht in Wasser und ergab eine hohe Gelfestigkeit. Die relativ hohe Viskosität nach 30 min ist ein Anzeichen dafür, daß die Masse besonders für eine kurze Pumpentfernung, d. h. für weniger als 1000 m, geeignet war.

Die Masse D ist ähnlich der Masse C mit der Ausnahme, daß sie weniger Natriumsilicofluorid als Geliermittel enthält. Die erhaltenen Ergebnisse waren ebenfalls ähnlich, wobei jedoch die Viskosität nach 30 min niedriger war und die Masse deshalb zum Pumpen über eine längere Strecke in der Größenordnung von 3000 m und darüber geeignet war.

Die Masse E, die Natriumcarbonat als Dispergiermittel für den Ton enthält, ergab gleichfalls gute Ergebnisse, und auch diese Masse ist zum Pumpen über weite Strecken geeignet.

Die Masse F, welche Portlandzement als Geliermittel für den Ton enthielt, war gleichfalls zufriedenstellend, wenn auch die Viskosität des gebildeten Gels niedriger als bei den Massen C und D nach 24 h war.

Die beiden Massen G und H dispergierten leicht in Wasser, jedoch war aufgrund des Einflusses der Phosphationen auf die Gelierfähigkeit des Tones die Viskosität selbst nach 24 h noch bei weitem zu niedrig.

Die Massen I und J, worin das Phosphatdispergiermittel weggelassen worden war, hatten beide schlechte Dispergiereigenschaften. Die Masse I hatte auch eine schlechte Geliereigenschaft aufgrund der Art des Tones, der ein weiches Gel ergab, während die Masse J, obwohl sie eine hohe Viskosität hatte, ebenfalls unzufriedenstellend war, da es nicht möglich war, eine einheitliche Dispersion zu erhalten.

Die beiden Massen K und L führten zu unzufriedenstellenden Ergebnissen, da die Phosphationen aus dem Silikat als Geliermittel die Gelierfähigkeit des Tones beeinflußten.

Claims

1. Pulvermasse, die einen quellbaren Ton und Natriumsilikat enthält und beim Vermischen mit Wasser ein Gel bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulvermasse aus 50 bis 90 Gew.-% quellbarem Ton, 2 bis 50 Gew.-% Natriumsilikat, 0,1 bis 20 Gew.-% eines anorganischen Geliermittels für das Natriumsilikat sowie gegebenenfalls einem kleinen Anteil eines Dispergiermittels für den Ton besteht, wobei das Natriumsilikat ein Gewichtsverhältnis von Kieselsäure zu Natriumoxid von etwa 2,65 : 1 oder darunter aufweist.

2. Masse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewichtsverhältnis von Kieselsäure zu Natriumoxid im Natriumsilikat 2,0 : 1 beträgt.

3. Masse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Geliermittel ein Silicofluorid, ein Calciumsilikat oder Calciumsulfat ist.

4. Masse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Silicofluorid Natriumsilicofluorid, Kaliumsilicofluorid oder Magnesiumsilicofluorid ist.

5. Masse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Calciumsilikat ein Dicalciumsilikat oder Portlandzement ist.

6. Masse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Dispergiermittel Natriumcarbonat enthält.

7. Masse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie 65 bis 85 Gew.-% quellbaren Ton, 5 bis 30 Gew.-% Natriumsilikat und 2 bis 15 Gew.-% des Geliermittels enthält.