DE3201992A1

DE3201992A1 - Verfahren zur geregelten dimensionsvariation ausgehoehlter gegenstaende, beispielsweise hohler kugelschalen

Info

Publication number: DE3201992A1
Application number: DE19823201992
Authority: DE
Inventors: Paul Richard 43612 Toledo Ohio Anderson; Wayne James 48103 Ann Arbor Mich. Miller
Original assignee: KMS Fusion Inc
Current assignee: KMS Fusion Inc
Priority date: 1981-02-11
Filing date: 1982-01-22
Publication date: 1982-08-26
Also published as: GB2092566B; JPS57140322A; FR2499547A1; US4340407A; GB2092566A; CA1168818A

Description

3201ÖJ2

Verfahren zur geregelten Dimensions variation ausgehöhlter Gegenstände, beispielsweise hohler Kugelschalen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur geregelten Dimensionsvariation ausgehöhlter Gegenstände, beispielsweise hohler Kugelschalen.
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Bei der vorliegenden Erfindung geht es um die Herstellung von Gegenständen mit geschlossener Zellstruktur, beispielsweise von Schäumen oder kleinen hohlen Kugelschalen, die hier und auch sonst Mikrokugeln genannt werden. Im einzel-

¹^ nen geht es um die Expansion zellularer, plastizierbarer Gegenstände der Art, die einen oder mehrere geschlossene Innenhohlräume aufweisen,in dem sich ein flüchtiges Blähmittel befindet. Eine besondere Anwendung der Erfindung betrifft die Regelung von Dimensionsparametern, d.h. Durch-

²^ messer und Wanddicke, von Mikrokugeln aus Glas oder Kunststoff durch wahlweise Regelung von Druck und Zusammensetzung der Formatmosphäre.

Zur Herstellung von Mikrokugeln aus plastizierbarem

Material, beispielsweise Glas und Polymeren, sind zahlreiche Verfahren bekannt. Beispielhaft hierfür seien die US-Patentschriften 4 017 290, 4 021 253 und 4 133 854 genannt. Bei Glasmikrokugeln kann ein getrocknetes Gelpulver oder eine Fritte mit eingeschlossenem Blähmittel

durch einen Turmofen fallengelassen werden. Dabei bildet

sich eine Mikrokugel mit innen eingeschlossenen Restgasen oder Flüssigkeiten. In ähnlicher Weise wurde in der US-Patentschrift 2 797 201 beschrieben, daß Polymerschalen dadurch hergestellt werden, daß ein ein Polymer bil-35

dender Film in einem geeigneten flüchtigen Lösungsmittel aufgelöst und danach die Lösung in den oberen Abschnitt

A 6-

einer geheizten Kammer eingesprüht wird.

Zur Erzielung einer größeren Schale während des BlSh- bzw. Formvorganges wird in der oben erwähnten US-Patentschrift 4 133 854 der Umgebungsdruck im geheizten Volumen der Kammer bzw. des Ofens erheblich reduziert. Aufgrund der Ofengröße, die manchmal in der Größenordnung von 4 Metern oder darüber liegt, wird dies jedoch in der Praxis bei der Ausführung und Regelung schwierig. Die Regelung der Dimensionsparameter der sich ergebenden Schalen wird unverlässlich. Ähnliche Probleme haften in größerem oder kleinerem Ausmaß anderen Vorgängen an, mit denen Glasoder Polymerschalen bei höherer Temperatur in nennenswerten Mengen gebläht werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, bei welchem die Endgröße, d.h. Durchmesser und Wanddicke genau geregelt werden können und bei welchem die Endgröße, verglichen mit den Resultaten bekannter Verfahren, vergrößert werden kann, ohne daß in der Formgebungsatmosphäre ein verringerter Druck benötigt wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Hauptan-Spruchs beschriebene Erfindung gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß werden also die Mikroschalen auf eine

bestimmte Temperatur über der Schalen- Erweichungstemperatur innerhalb einer Gasumgebung erwärmt, bei welcher das Verhältnis der Gase, die durch die Schalenwand permeabel sind, zu den Gasen, die durch die Schalenwand bei der gewählten Temperatur impermeabel sind, erheblich höher ist als das Verhältnis der permeablen zu den impermeablen Gasen innerhalb der Schale. Während des darauffolgenden Schalenexpansionsprozesses gleicht sich der Partial-

¹ · ■ * · I

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druck des permeablen Gases innerhalb und außerhalb der Schale durch Wanderung durch die Schalenwand hindurch aus. Auf diese Weise hängen die endgültige Schalengröße und das Expansxonsverhältnis nur von der Differenz der Partialdrucke des impermeablen Gases über der Schalenwand und einem Faktor ab/ der mit der Oberflächenspannung verknüpft ist. Tatsächlich - und das ist ein wichtiger Vorteil der Erfindung - ist die Expansion einer Schale, die anfänglich ausschließlich impermeable Gases enthält, in einer Umgebung, die ausschließlich aus permeablen Gasen besteht, der Schalenexpansion in einem vollständigen Vakuum äquivalent. Wie gezeigt werden wird, kann derselbe Prozeß auch bei anderen zellularen Gegenständen, beispielsweise Schäumen eingesetzt werden. Wenn die Erfindung bei der

¹^ Bildung von Mikrokugeln eingesetzt wird, wird zunächst eine Vorläuferschale gewählt bzw. gebildet, welche eine bestimmte Menge von Material enthält, von dem mindestens ein Teil bei einer Temperatur über der Erweichungstemperatur des Schalenmaterials verflüchtigt wird und als Gas ^ für die Schalenwand impermeabel ist. Im Falle von Glasschalen kann es sich um solche handeln, die entsprechend den oben erwähnten US-Patentschriften 4 017 290 und 4 021 253 hergestellt wurden. Im Falle von Polymeren können sie gemäß der US-Patentschrift 2 797 201 erzeugt werden. Alternativ können die gewählten Vorläufer-Schalen eine "Schale" in einer Zwischenstufe im anfänglichen Bildungsprozeß umfassen, bei welchem alle chemischen Reaktionen des Schalenmaterials, die beim Bildungsvorgang ablaufen, abgeschlossen sind. D.h., das erfindungs-

gemäße Verfahren kann auf vorgeformte Schalen angewandt werden, in denen sich flüssiges oder gasförmiges Material befindet, welches oberhalb der Schalen-Erweichungstemperatur ein impermeables Gas bildet; es läßt sich ebenso während des anfänglichen Schalenbildungsprozesses einsetzen. Ein wichtiger Vorteil der Erfindung, der weiter unten noch beschrieben wird, liegt darin, daß die Er-

.j-e

findung während der anfänglichen Schalenbildung und noch einmal in einem Zurückleitungsvorgang an derart vorgeformten Schalen zur Förderung der Schalenexpansion eingesetzt werden kann.

Nach der Wahl der Vorläuferschale, wie oben beschrieben/ besteht der nächste Schritt bei der erfindungsgemäßen Methode darin, die Vorläufer-Schale auf eine bestimmte Temperatur oberhalb der Schalenerweichungstemperatur in einer Umgebungsgasatmosphäre zu erwärmen, von der mindestens ein Teil für die Schalenwand bei der gewählten Temperatur permeabel ist und in welcher das Verhältnis von permeablem zu impermeablem Gas sich von demjenigen innerhalb der Schale unterscheidet. Die Schale wird da-

¹^ bei durch Ausgleich der inneren und äußeren Axialdrucke und durch Variation der Schalengröße als Punktion der Partialdrucke des impermeablen Gases umgeformt. Wenn der Partialdruck des impermeablen Gases innerhalb der Vorläuferschale beträchtlich größer als derjenige außerhalb der Schale ist, expandiert der Schalendurchmesser. Die umgebende Formatmosphäre kann eine ganze Anzahl von Gasen enthalten, die bei der bestimmten Temperatur permeabel sind, von denen jedoch einige bei einer zweiten niedrigeren Temperatur über der Erweichungstemperatur impermeabel sind. Wenn dann die Schale bei einem Rückleitungsvorgang auf die zweite Temperatur in einer Atmosphäre erwärmt wird, von welcher mindestens ein Teil bei der zweiten Temperatur permeabel ist, findet eine weitere Expansion statt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

3 2 O 1 G 3

^s-

einen halbschematischen Aufriß eines (Turm-) ofens zur Herstellung von Mikrokugeln, insbesondere aus Glas, gemäß der vorliegenden Erfindung (nicht maßstäblich),

Figuren 2 Mikrofotografien von Glas-Mikrokugeln, die bis 11 zur Demonstration der Grundzüge der Erfindung hergestellt wurden (Figuren 2 bis 5 und 8 bis 11 sind 39-fach und die Figuren 6 bis 7 24-fach vergrößert);

Figuren 12
und 13

sind Mikrofotografien geschäumter Glasteilchen, die zur Demonstration der Grundzüge der Erfindung hergestellt wurden, unter 39-facher Vergrößerung.

Wie wohlbekannt ist, hängt die Permeabilität von Gasen durch verschiedene Materialien von einer Anzahl von Faktoren ab. Dazu gehört die Materialzusammensetzung, die Dicke, die Temperatur und die Zeit der Aussetzung bei der bestimmten Temperatur. Zu Zwecken der vorliegenden Beschreibung seien die Ausdrücke "permeabel" und "impermeabel" für ein bestimmtes Gas durch das Ficksche Gesetz nach folgender Gleichung definiert, die für das Modell einer Kugelschale mit nicht expansiblen Wänden abgeleitet wurde:

P-P, V^P2

exp(-KARTt) LV

(D

Hierbei sind

t
R

absolute Temperatur

Zeit der Aussetzung bei der Temperatur T

Gaskonstante

• · β ·

K= Permeabilität des Materials bei der Temperatur T

A = der Permeation ausgesetzte Fläche

L = Dicke des Materials

V = Volumen innerhalb der Schale

P2 = Umgebungsdruck des Gases bei der Temperatur T außerhalb der Schale

P = anfänglicher Innengasdruck bei der Temperatur T

P = Innendruck nach der Zeit t.

Im vorliegenden Zusammenhang müssen die folgenden Bedingungen für Zeit und Temperatur eingehalten werden: Die Schale muß während einer Zeit t einer konstanten Temperatur T ausgesetzt sein, wobei die Zeit ausreicht, daß bei einem permeablen Gas der Druck P im wesentlichen gleich dem Druck P₂ ist. Als permeables Gas wird hier ein solches definiert, bei dem der Ausdruck

exp (-KARTt) (2)

LV
20

gleich oder kleiner als 0,2 ist. Ein impermeables Gas ist definitionsgemäß ein solches, bei dem der Wert des Ausdruckes (2) gleich oder größer als 0,8 ist. Ein bestimmtes Gas kann bei einer Temperatur permeabel, bei einer niedrigeren Temperatur an derselben Schale jedoch impermeabel sein. Alle Parameter im Ausdruck (2) können für jedes Gas, für jede Schalengröße und jedes Schalenmaterial ohne weiteres experimentell bestimmt werden. Es ist auch zu erkennen, daß die Ausdrücke (1) und (2) nicht die Dynamik der Schalenexpansion beschreiben, sondern ausschließlich zur Definition der Ausdrücke "permeabel" _und "inpermeabel" verwendet werden. Die Grenzen der Temperatur T hängen von der Schalenzusammensetzung und den jeweiligen Gasen ab. Die obere Temperaturgrenze für beispielsweise Polymer-

schalen ist üblicherweise diejenige, bei welcher sich das Polymer zersetzt. Für Gläser ist die obere Temperatur-

3?nr.!2

grenze diejenige, bei welcher das in der Schale eingeschlossene impermeable Gas, das zur Expansion erforderlich ist, permeabel wird. Die untere Temperaturgrenze wird durch die Schalen- Erweichungstemperatur und die Bedingung bestimmt, daß mindestens ein Teil des Umgebungsgases (außerhalb der Schale) durch die erweichte Schalenwand hindurch permeabel sein muß.

Der verwendete Funktionsmechanismus kann anhand des folgenden Modells verstanden werden. Zu Diskussionszwecken sei angenommen, daß die Dicke der Schalenwand klein verglichen mit dem Schalenradius ist. Auf diese Weise können entweder der innere oder der äußere Radius ohne nennenswerten Fehler benutzt werden. Die Schalenwände seien während des gesamten Expansionsprozesses flüssig oder expansibel angenommen. Von den Gasen wird angenommen, daß sie entweder vollständig permeabel sind (Gleichung (1) = Null) oder vollständig impermeabel (Gleichung (1) = Eins) sind. R₁ ist der anfängliche ^⁰ Radius und R₂ ist der endgültige Radius. Das Gas innerhalb der Schale besteht anfänglich aus einem impermeablen Teil beim Partialdruck P ₁ und einem permeablen Teil beim Partialdruck P, ₁. Die Umgebungsatmosphäre enthält eine impermeable Gaskomponente beim Partialdruck P _n und eine

permeable Komponente beim Partialdruck P, ₀. Da vollständig impermeable Gase definitionsgemäß weder in die Schale eintreten noch diese verlassen, wird der Partialdruck des impermeablen Gases innerhalb der Schale im Gleichgewichtszustand (d.h., bei den oben erwähnten Bedingun-

gen für die Zeit t und die Temperatur T) durch die folgende Gleichung gegeben:

P_a2 = P., (3)

Da der Druck vollständig permeablen Gases innerhalb und außerhalb der Schale sich ausgleicht, ist der endgültige Partialdruck des permeablen Gases innerhalb der Schale durch die folgende Gleichung gegeben:

^Pb2 * ^Pb0

Der Gesamtdruck innerhalb der Schale im Gleichgewichtszu stand hängt mit dem gesamten bzw. Umgebungsdruck außerhalb der Schale nach der folgenden Gleichung zusammen:

^Pa2 ^{+ P}b2 - ^Pa0 ^{+ P}b0

Hierbei ist k die Oberflächenspannung des Schalenmaterials. Setzt man die Gleichungen (3) und (4) in die Gleichung (5) ein, so erhält man

^Pa0^R2^{3 + 4kR}
20

^4kR2 - ^Pal ^R1

Der endgültige Radius R₂ ist offensichtlich nicht mit dem permeablen Gasdruck verknüpft. Zur Durchführung der vorliegenden Erfindung kann somit die gesamte Atmosphä_re innerhalb der geheizten Kammer bzw. des Ofens durch eine Atmosphäre mit geregelter Zusammensetzung von permeablem und inpermeablem Gas ersetzt werden. Insbesondere kann die Umgebungsatmosphäre aus permeablem Gas bestehen, welches sich bei einem Druck von einer

^® Atmosphäre oder geringfügig darüber befindet. Die Aufrechterhaltung einer derartigen Atmosphäre innerhalb der erwärmten Kammer läßt sich sehr viel einfacher erreichen als eine Reduktion des Ofendruckes möglichst auf Vakuum, wie dies beim Stand der Technik geschah.

Außerdem fördert das Vorliegen einer Atmosphäre die Wärmeübertragung durch Leitung auf die fallenden Teilchen

Wenn außerdem die Umgebung aus permeablem Gas besteht,

so daß P _n gleich Null ist, hängt der endgültige Radius au

R₂ nur vom Anfangsradius R₁, der Oberflächenspannung k und vom Anfangspartialdruck P ₁ des impermeablen Gases ab.

Zur Demonstration wurde eine Anzahl von Kugeln aus Silikatglas aus getrocknetem Gel unter variierenden Bedingungen hergestellt. Die Gelpreparation war folgendermaßen. Gelverfahren I: Alkali-Metalle und Calcium wurden in Äthanol unter Argon zusammengegeben, wobei die Äthanolmenge ausreichte, die Alkalimetalle aufzulösen. Die Metallmengen hingen von den gewünschten Konzentrationen in der resultierenden Fritte ab.

2-4-Pentanedion wurde zur Verhinderung des Ausfallens zugegeben. Tetraäthoxysilan wurde, nachdem die Metalle vollständig aufgelöst waren, in einer Menge zugegeben, die ausreichte, die gewünschte Silikatkonzentration in der Fritte zu erzielen. Eine Mischung aus 50 % Äthanol und 50 % Wasser (volumenmäßig) wurde dann der Lösung tropfenweise zugegeben, bis diese sich einer Gel-Viskosität näherte. Danach wurde Triäthoxyboran in einer Menge zugegeben, die so errechnet war, daß sich die gewünschte Borkonzenträtion in der Fritte ergab. Die Gelbildung a_er Lösung wurde dann zugelassen. Das Gel wurde auf 55°C erwärmt und mehrere Stunden (über Nacht) dabei gehalten, danach bei 100⁰C vakuumgetrocknet. Das Gel wurde dann zerstoßen und gesiebt, wodurch ein Gelpulver oder eine Fritte bestimmter Teilchengröße erhalten wur-

de. Die Gelmethode II stimmte mit der Gelmethode I aus, wobei allerdings das Calcium und das Pentanedion weggelassen wurden.

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Vorläufer-Mikrokugeln aus Glas wurden aus der oben genannten Fritte dadurch gebildet, daß die Frittenteilchen in einen Turmofen fallengelassen wurden, wie er in Figur 1 dargestellt ist- Der Ofen 10 von Figur 1 ähnelt demjenigen im oben erwähnten US-Patent 4 017 290 und umfaßt eine senkrechte, drei Abschnitte enthaltende keramische Röhre 12 mit einem Durchmesser von 7,6 cm und einer Gesamthöhe von 3,9 m. Die Röhre 12 wird von 96 Silikonkarbid-Heizelementen 14 gleichförmig erwärmt. Der Ofen 10 ist in sechs getrennt geregelte und überwachte Abschnitte 18 bis 28 unterteilt, von denen jeder drei Thermoelemente 30 aufweist. Diese sind mit einer geeigneten Temperaturregel- und Aufzeichnungseinrichtung (nicht gezeigt) verbunden. Der gesamte Ofen ist in eine ¹^ Schicht aus hochtemperaturbeständiger Isolation 32 eingekleidet. Das untere Ende der Röhre 12 ist in der Zeichnung in einen Behälter 16 mit destilliertem Wasser eingetaucht. Dieser dichtet die Unterseite der Röhre 12 ab. Die Gelpulver-Fritte wird an der Oberseite entweder von *Q Hand, beispielsweise mit einem Spatel, oder durch eine motorisierte Speiseeinrichtung eingespeist. Die Fritte und die sich ergebenden Kugeln fallen unter dem Einfluß der Schwerkraft durch die Ofenatmosphäre und werden dann gesammelt. Die Zusammensetzung der Ofenatmosphäre **° wird durch eine nicht dargestellte Einrichtung geregelt. Bei einem ersten Versuch wurde getrocknetes Silikatglasgel verwendet, das nach der Gelmethode I bei einer Sieböffnung von 106 bis 125 Mikrometern hergestellt wurde.

Die Umgebungsatmosphäre innerhalb des Turmes war Luft

bei Atmosphärendruck, die als im wesentlichen impermeabel betrachtet wird. Der Behälter 16 wurde entfernt und die Ofentemperatur über ihre gesamte Länge auf 1500⁰C eingestellt. Vorhergehende Versuche hatten gezeigt, daß

die Ofenhöhe mehr als ausreichte, damit die unter dem 35

Einfluß der Schwerkraft fallenden Kugeln, wie oben beschrieben, den Gleichgewichtszustand erreichen können.

3 2 010 0

Beim Fall der Gelteilchen durch den Ofen ergaben sich die in Figur 2 gezeigten Kugeln mit einem durchschnittlichen Außendurchmesser von 205 Mikrometern und einer durchschnittlichen Wanddicke von 4,7 Mikrometern. Bei einem zweiten Versuch wurde dieselbe Gelfritte und dieselbe Sieböffnung verwendet. Der Behälter 16 wurde, wie in der Zeichnung dargestellt, angeordnet. Das hierin befindliche Wasser wurde zum Kochen gebracht, so daß ein erheblicher Teil des Turmes mit Wasserdampf angefüllt war. Der Partialdruck des Wasserdampfes wurde mit 0,7 Atmosphären errechnet. Der Rest war Luft; der Gesamtdruck war eine Atmosphäre. Wasserdampf ist für Silikatglaskugeln unter den beschriebenen Gleichgewichtsbedingungen permeabel. Bei Bedingungen,die im übrigen wie oben erwähnt waren, ergaben sich die in Figur 3 gezeigten Kugeln mit einem durchschnittlichen Außendurchmesser von 322 Mikrometern und einer durchschnittlichen Wanddicke von 2,0 Mikrometer. Das Ersetzen eines Teiles (70 %) der impermeablen ümgebungsatmosphäre (Luft) durch ein permeables Gas (Wasserdampf) führte somit zu einer Vergrößerung der Schalenexpansion um einen Faktor von ungefähr 1,5.

Ein anderes Gel wurde nach der Gelmethode I und einer ²^ Sieböffnung von 125 bis 150 Mikrometern und im übrigen denselben Bedingungen hergestellt. Die hieraus trocken gesammelten Kugeln (Figur 8) hatten einen durchschnittlichen Außendurchmesser von 227 Mikrometern und eine durchschnittliche Wanddicke von 5,8 Mikrometern; Kugeln,

die in kochendem Wasser (Figur 9) aufgefangen wurden, hatten einen durchschnittlichen Außendurchmesser von 373 Mikrometern und eine durchschnittliche Wanddicke von 2,7 Mikrometern. Wiederum führte das Vorliegen von Wasserdampf zu einer· erheblichen Vergrößerung der Schalenexpansion.

Bei einem anderen Versuch wurden ein anderes Borsilikat aus getrockneter GeIfritte, welche nach der Gelmethode II hergestellt wurde, bei zwei unterschiedlichen Anfangsgrößen und unterschiedliche Gase im Ofen 10 verwendet. Es ergaben sich die folgenden Resultate: Der Ofen 10 befand sich bei 1500⁰C, das Wasser im Behälter 16 auf Zimmertemperatur und die Ofenatmosphäre bestand im wesentlichen aus Luft (impermeabel) bei Atmosphärendruck mit sehr wenig Wasserdampf aus dem Behälter 16.

Unter diesen Bedingungen ergab eine Fritte bei Verwendung einer 212 bis 250 Mikrometer.Sieb-Öffnung die in Figur 4 gezeigten Kugeln mit einem durchschnittlichen Außendurchmesser von 402 Mikrometern. Wenn unter denselben Bedingungen das Wasser im Behälter 16 zum Kochen gebracht wurde, so daß die Atmosphäre im Ofen 10 ungefähr zu 70 % aus Wasserdampf (permeabel) und im übrigen aus Luft (impermeabel) bei einem Gesamtdruck von 1 Atmosphäre bestand, wuchsen die Kugeln aus der 212 , bis 250 Mikrometer Sieb-Öffnungs-Fritte, wie in den Figuren 5 und 6 gezeigt, auf einen durchschnittlichen Außendurchmesser von 501 Mikrometer, während eine 425 bis 500 Mikrometer Sieb-Öffnungs-Fritte einen durchschnittlichen Außendurchmesser von 7 28 Mikrometer ergab. Wenn schließlich der Behälter entfernt wurde und die

²^ Ofenatmosphäre primär aus Helium (permeabel) in einer Menge, die mehr als 50 % Partialdruck entsprach, und im übrigen aus Luft beim Gesamtdruck von ungefähr 1 Atmosphäre bestand, ergab die 215 bis 250 Mikrometer Sieb-Öffnungs-Fritte die in Figur 7 gezeigten Kugeln mit einem durchschnittlichen Außendurchmesser von 541 Mikrometern, die 425 bis 500 Mikrometer Sieb-Öf fnungs-Fritte erzeugte Kugeln mit einem durchschnittlichen Außendurchmesser von 959 Mikrometern.

3 20 V] O

Die Figuren 10 und 11 geben einen qualitativen Vergleich der Kugelgrößen, die aus einer weiteren Frittenprobe hergestellt wurden und durch den Ofen 10 bei 1150⁰C fallenge lassen und trocken (Figur 10) und in kochendem Wasser (Figur 11) gesammelt wurden. Die quantitative Beziehung zwischen dem Verhältnis von permeablem zu impermeablem Gas und der Schalenexpansion ist zur Zeit nicht bekannt. Vermutlich beeinflußt die Verwendung von Wasserdampf als permeablem Gas die Schalengröße durch dynamische Phänomene zusätzlich zur permeablen Natur des Dampfes. Beispielsweise hält der aus dem Behälter 16 (Figur 1) aufsteigende Wasserdampf die Kugelteilchen innerhalb des Ofens längere Zeit in der Schwebe. Zusätzlich weiß man, daß Wasser die Viskosität von Glas erniedrigt. Anderer-

¹^ seits wurde gezeigt, daß die Anwesenheit von Wasserdampf die oberflächliche Entfernung von Alkalimetallen im Falle der Gelmethode II förderte, was sowohl die Silikatkonzentration als auch die Viskosität erhöhte. In jedem Falle zeigen die oben beschriebenen Elemente qualitativ

^w die Grundzüge der Erfindung, wonach der Austausch von mindestens einem Teil der impermeablen Umgebungsatmosphäre durch ein permeables Gas zu einer im wesentlichen vorhersehbaren Vergrößerung der Schalenexpansion führt.

Die oben beschriebenen Beispiele betrafen Glaskugeln,

insbesondere Silikatglaskugeln. Die Grundzüge der vorliegenden Erfindung lassen sich jedoch in gleicher Weise bei der Ausbildung von Kugeln aus Polymermaterialien einsetzen, wobei im übrigen Verfahren verwendet werden, wie 30

sie im oben erwähnten US-Patent 2 797 201 beschrieben

sind. Sowohl bei Glas- als auch bei Polymerkugeln ist die Erfindung nicht auf bestimmte Temperaturen, Drucke oder Materialien beschränkt, die in den Beispielen zitiert sind.
35

Weiter erfolgte die obige Beschreibung anhand der Herstellung einzelner Glas- oder Kunststoffmikrokugeln. Die Erfindung läßt sich jedoch in gleicher Weise auf andere geschlossene Zellen- oder ausgehöhlte Strukturen anwenden, beispielsweise Aggregate und Schäume. Tatsächlich kann die Erfindung zur Expansion von jedem zellularen Gegenstand verwendet werden, der einen oder mehrere geschlossene Hohlräume aufweist, in dem sich ein flüchtiges, impermeables Blähmittel befindet, vorausgesetzt/ daß der Gegenstand plastisch oder weich bei einer Temperatur -gemacht werden kann, bei welcher das eingeschlossene Mittel impermeabel bleibt und bei welcher ein anderes Gas in der Formatmosphäre durch die Zellenwände durchdringen und, wie oben beschrieben, den Gleichgewichtszustand erreichen kann.

Die Anwendung der Grundzüge der vorliegenden Erfindung aufgeschäumte Glasteilchen wurde folgendermaßen demonstriert: Glasröhren aus 25 Gew.-% Soda, 15 Gew.-%

^O Aluminiumoxid und 60 Gew.-% Kieselsäure wurden zertrümmert, gemahlen und gesiebt, wodurch Teilchen mit einer Größe von weniger als 45 Mikrometern erhalten wurden. 15 Teile dieser Teilchen wurden dann mit einem Teil Natriumcarbonat vermischt und destilliertem Wasser zugegeben. Das Wasser wurde abgekocht; die Mischung wurde erneut zertrümmert und auf eine Größe von weniger als 45 Mikrometern zermahlen. Kleine Chargen der sich ergebenden Teilchen wurden dann zu zylindrischen Vorläufer-Pellets mit einem Durchmesser von 250 Mikrome-

tern und einer Höhe von 125 Mikrometern gepreßt. Die Pellets wurden dann durch den Ofen von Figur 1 fallengelassen. Figur 12 zeigt die sich ergebenden geschäumten Glasteilchen, trockengesammelt (Behälter 16 entfernt); Figur 13 zeigt die sich ergebenden geschäumten

Teilchen mit angebrachtem Behälter 16 und bei kochendem Wasser. Vergleicht man die Figuren 12.und 13, so wird deutlich, daß die Anwesenheit von Wasserdampf

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¹ (ungefähr 70 % von insgesamt 1 Atmosphäre) zu größeren geschäumten Teilchen führte.

Leerseite

Claims

3201332 PATENTANSPRÜCHE

1.J Verfahren zur geregelten Dimensionsvariatxon ausgehöhlter Gegenstände bei einem Blähvorgang, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

a) Es wird ein zellularer, plastizierbarer Vorläufer

gewählt, der einen oder mehrere abgeschlossene Innenhohlräume aufweist, welche ein flüchtiges Blähmittel XO enthalten, wobei mindestens ein Teil des Blähmittels für die Hohlraumwände des Vorläufers bei einer bestimmten ersten Temperatur über der Erweichungstemperatur des Vorläufers inpermeabel ist;

wird

b) sonach der Vorläufer der bestimmten ersten Temperatur in einer Gasumgebung ausgesetzt, von der mindestens ein Teil für die Hohlraumwände des Vorläufers bei der gewählten ersten Temperatur permeabel ist, und zwar während einer Zeit, die ausreicht, die Partialdrucke des permeablen Gases innerhalb und außerhalb der Vorläufer-Hohlräume auszugleichen,

derart, daß der Vorläufer als Funktion der Partialdrucke des genannten impermeablen Gases und unabhängig vom Partialdruck des permeablen Gases expandiert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umgebungsatmosphäre eine erste Gaskomponente enthält, welche durch die Hohl'raumwände bei der bestimmten ersten Temperatur permeabel ist, bei einer zweiten, niedrigeren Temperatur überhalb des Erweichungspunktes des Vorläufers jedoch durch die Hohlraumwände impermeabel ist, sowie eine zweite Gaskomponente, welche durch

"^ die Hohlraumwände sowohl bei der ersten als auch bei der zweiten Temperatur permeabel ist, und daß der folgende weitere Schritt vorgesehen ist:

c) Der Verläufer wird nach dem Schritt b) der zweiten Temperatur ausgesetzt, und zwar für eine Zeit, die zum Ausgleich der Partialdrucke der zweiten Gaskomponente innerhalb und außerhalb des Vorläufers ausreicht,

derart, daß der Vorläufer im Schritt c) weiter als Funktion der Partialdrucke der ersten Gaskomponente und des impermeablen Gases und unabhängig von den Partialdrucken der zweiten Gaskomponente expandiert.

3. Verfahren zur Veränderung der Dimensionsparameter, beispielsweise Durchmesser und Wanddicke, hohler Kugelschalen, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

a) Es wird eine hohle kugelige Vorläuferschale mit einem ersten Durchmesser gewählt, welche eine bestimmte Menge Material einschließt, von der

mindestens ein Teil bei der bestimmten ersten Temperatur überhalb der Erweichungstemperatur der Schale verflüchtigt wird und durch die Wand

der Vorläuferschale impermeabel ist; 25

b) die Schale wird sodann der bestimmten ersten Temperatur in einer Gasumgebung ausgesetzt, von der mindestens ein Teil durch die Wand der Vorläuferschale bei der gewählten ersten Temperatur

permeabel ist, und zwar während einer Zeit, die

zum Ausgleich des Partialdruckes des permeablen Gasteiles innerhalb und außerhalb der Schale ausreicht,

derart, daß die Schale einen zweiten Durchmesser als Funktion des ersten Durchmessers, der Partialdrucke des impermeablen Gases innerhalb und außer-

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halb der Schale und der Oberflächenspannung der Schale einnimmt, unabhängig vom Partialdruck des permeablen Gases.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die VorKuferschale aus Polymer- oder Glasmaterial besteht.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorläuferschale aus einer Glaszusammensetzung besteht und daß die Gasumgebung Helium enthält.

6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorläuferschale aus einer Glaszusammensetzung be-

¹^ steht und daß die Gasumgebung aus Luft und Wasserdampf besteht.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur im wesentlichen gleich 1500⁰C ist.

8. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasumgebung eine erste Gaskomponente enthält, welche bei der gewählten ersten Temperatur durch die Schalenwand permeabel ist, durch die Schalenwand bei einer zweiten niedrigeren Temperatur über der Erweichungstemperatur der Schale jedoch impermeabel ist, sowie eine zweite Gaskomponente, die sowohl bei der ersten als auch bei der zweiten Temperatur durch die Schalen-

wand permeabel ist, und daß folgender weiterer Schritt vorgesehen ist:

c) die Schale, die im Schritt b) gebildet wurde, wird der zweiten Temperatur ausgesetzt, und zwar für eine Zeit, die zum Ausgleich des Partialdruckes der zweiten Gaskomponente innerhalb und außerhalb der Schale ausreicht.

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9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch

gekennzeichnet/ daß der Gesamtdruck der Gasatmosphäre im wesentlichen gleich einer Atmosphäre ist.