DE4104905C2 - Verfahren zur Herstellung von Xonotlit - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Verfahren sind aus der EP 0 231 460 A2 sowie aus der DE-OS 19 18 219 bekannt.

Die beiden bekannten Verfahren zur Xonotlither­ stellung schlagen die Verwendung eines Rührauto­ klaven vor, in dem die hydrothermale Umsetzung stattfinden soll. Derartige Rührautoklaven sind in der Anschaffung teurer als einfache Autoklaven ohne Rührwerk, wobei die Wirtschaftlichkeit der Rührauto­ klaven auch dadurch eingeschränkt wird, daß das Nutzvolumen durch das Rührwerk verringert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren zur Herstellung von Xonotlit dahingehend zu verbessern, daß es eine wirtschaftlichere und damit preisgünstigere Her­ stellung von Xonotlit ermöglicht.

Diese der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch ein gemäß dem kennzeichnenden Teil des An­ spruchs 1 ausgestaltetes Verfahren gelöst.

Die Erfindung schlägt mit anderen Worten vor, den Quarzsand bzw. das Quarzmehl mechanisch zu trak­ tieren, indem es in einer Schwingmühle behandelt wird. Diese Aktivierung des Quarzmehls bzw. des Quarzsandes bis zu einer Erhöhung des Enthalpie­ niveau des Quarzes um 180-300 kJ/kg entspricht einer Energiezufuhr, die alternativ nur durch eine starke Temperaturerhöhung möglich wäre. Eine der­ artig hohe Temperaturerhöhung sowie die damit auf­ tretenden starken Drücke lassen eine industrielle Herstellung des Xonotlits auf einem derartigen Tem­ peraturniveau nicht zu.

Die Aktivierung des Quarzes erfolgt dadurch, daß durch die mechanische Traktierung die Konzentration von Gitterfehlern in den Quarzkörpern erhöht wird. Die Umsetzung der einzelnen Stoffe zu Xonotlit kann dann in einem Autoklaven ohne Rührwerk ablaufen, so daß zum einen Autoklaven verwendet werden können, die in der Anschaffung und bezüglich der Wartung er­ heblich preisgünstiger sind und die darüber hinaus ein erhöhtes Nutzvolumen aufweisen, so daß insgesamt eine erheblich wirtschaftlichere Herstellung von Xonotlit ermöglicht wird.

Die thermodynamische Aktivierung des Quarzes vor der Umsetzung im Autoklaven führt zu folgendem wesent­ lichen Vorteil in der Reaktionsführung:

Die Temperaturabhängigkeiten der Löslichkeiten der Reaktionspartner Ca(OH)₂ und SiO₂ sind gegenläufig. Die Löslichkeit von Ca(OH)₂ nimmt mit steigender Temperatur ab, wohingegen die des SiO₂ mit steigen­ der Temperatur zunimmt. Die Reaktion zu Xonotlit setzt ein In-Lösung-Gehen der beiden genannten Reak­ tionspartner bei Anwesenheit von energiereichem Was­ serdampf voraus.

Da der Quarz sich ab einem bestimmten Enthalpieniveau innerhalb einer vorgegebenen, wirtschaftlichen Reak­ tionszeit löst, ist es von wirtschaftlich entschei­ dender Bedeutung, bei welcher Reaktionstemperatur dieses Enthalpieniveau erreicht wird. Eine niedri­ gere Reaktionstemperatur bedeutet einen erheblich geringeren apparativen Aufwand, da unter Druck gear­ beitet wird, so daß die Herstellungskosten entspre­ chend positiv beeinflußt werden.

Die Enthalpien bzw. die Enthalpieerhöhungen können lösungskalorimetrisch oder mit einem Differential Scanning Calorimeter bestimmt werden.

Über diesen Mechanismus hinaus ist für die Reak­ tionsführung naturgemäß nicht nur das Vorhandensein eines Enthalpiepotentials an einem bestimmten Ort, sondern eine homogene Enthalpieverteilung von Be­ deutung. Eine solche Enthalpieverteilung wird zum einen durch eine ausreichende Vermischung der Ma­ terialien aber im wesentlichen auch durch einen op­ timierten Stofftransport innerhalb der großvolumigen Kapillaren der aufgetriebenen Reaktionsmischung er­ reicht.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist wirtschaftlicher als die bekannten Verfahren zur hydrothermalen Her­ stellung von Xonotlit, da die bekannten Verfahren lange Reaktionszeiten zur vollständigen Umsetzung bzw. vollständigen Lösung des SiO₂ in Kauf nehmen mußten. Eine kürzere Reaktionszeit konnte bislang nicht verwirktlicht werden, da hierzu die Reaktions­ temperatur hätte angehoben werden müssen, wobei der Druck, unter dem die Reaktion abläuft, übermäßig stark angestiegen wäre und die hierzu verwendeten Behälter technisch nicht realisierbar oder unwirt­ schaftlich teuer gewesen wären.

Die erfindungsgemäße Enthalpieerhöhung des Quarzes ermöglicht bei niedri­ gen Temperaturen und entsprechend niedrigen Drücken kurze Reaktionszeiten. Der Energieeinsatz für die Quarz-Aktivierung ist aufgrund der dadurch möglichen wirtschaftlichen Reaktionsführung der Hydrothermal­ synthese und der hundertprozentigen Umsetzung ge­ rechtfertigt und macht das erfindungsgemäße Verfah­ ren wirtschaftlicher als die bekannten Verfahren.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Xonotlit besteht darin, aus den drei genannten Ausgangsstof­ fen zunächst ein gelartiges Produkt herzustellen, welches anschließend im Autoklaven gehärtet wird.

Die Herstellung von Xonotlit auf hydrothermalem Wege ist gegenüber der Herstellung über die Gelphase preiswerter und unkomplizierter. Nachteilig ist bei der hydrothermalen Herstellung jedoch, daß sich die Xonotlitkristalle zu einem Verbund verfilzen oder vernetzen, der sich in Form von hohlkugelförmigen Teilchen ausbildet. Diese Xonotlithohlkugeln eignen sich zwar zur Herstellung von thermischen Isolier­ materialien, jedoch nicht zum Einsatz z. B. in der Papierindustrie, wo die Verwendung von Xonotlit­ kristallen, die keine kugelförmigen Hohlkörper bilden, aufgrund der Eigenschaften des Xonotlits wünschenswert wäre.

Die DE-PS 36 21 705 schlägt daher zur Erzielung nicht kugelförmig, sondern flächenförmig vernetzter Xonotlitkristalle vor, zunächst das gelartige Zwi­ schenprodukt herzustellen. Diese Druckschrift weist darauf hin, daß die bei der hydrothermalen Synthese gebildeten nadelförmigen Xonotlitkristalle eine sehr hohe Agglomerationsneigung zeigen und praktisch aus­ schließlich als hohlkugelförmige Teilchen mit Sekun­ därstruktur anfallen. Es wird weiter darauf hinge­ wiesen, daß unvernetzte nadelförmige Kristalle auf hydrothermalem Wege nur sehr schwierig, wenn über­ haupt, hergestellt werden könnten (Spalte 2, Zeilen 4 bis 10).

Das erfindungsgemäße Verfahren ist dazu geeignet, stäbchenförmige Xonotlitkristalle zu erzeugen, die kaum zu kleinen Hohlkugeln vernetzt sind und sich daher zum Einsatz beispielsweise in der Papierin­ dustrie eignen. Die Ausbildung der Sekundärkörper, also der Hohlkügelchen, wird gemäß der Erfindung dadurch vermieden, daß die Reaktionsmischung vor ihrer hydrothermalen Umsetzung zu Xonotlit zu einem vergrößerten Porenvolumen aufgetrieben wird. Das Porenvolumen der Reaktionsmischung kann auf diese Weise etwa verdoppelt werden. Dies geschieht ähn­ lich wie beim Auftreiben von Gasbeton- oder Schaum­ betonkuchen mittels Aluminiumpulvers oder eines Schaumbildners. Hierdurch wird die Enthalpiever­ teilung homogenisiert und der Wärmetransport im Kuchen verbessert: Weiterhin verdrängt Wasserdampf Luft aus der Porenstruktur und löst so SiO₂ und Ca(OH)₂ und ermöglicht einen zusätzlichen Stoff­ transport. Schließlich wird ein großes Reaktions­ volumen geschaffen, so daß sich die nadelförmigen Kristalle ungestört ausbilden können und nicht aufgrund von Platzmangel zu den Hohlkügelchen ver­ netzen.

Die Aktivierung des Quarzes erfolgt durch das Mahlen des Quarzmehls oder eines Quarz­ sandes in einer Schwingmühle. Es hat sich gezeigt, daß eine um bis zu 15% größere spezifische Oberfläche bei sonst gleichen Mahlbedingungen erreicht werden kann, wenn bei der vorgenommenen Trockenvermahlung des Quarzes in der Luft oder bei Anwesenheit eines inertisieren­ den Gases dem Mahlgut die Dämpfe polarer Flüssig­ keiten mit einem Siedepunkt unter 105°C zugegeben werden. Als Mahlförderer dieser Art eignen sich ins­ besondere organische Flüssigkeiten, wie niedermole­ kulare Alkohole mit bis zu 5 Kohlenstoffatomen, aber auch Ketone oder stärker polarisierbare Flüssigkei­ ten, wie Alkane.

Bei dem Vermahlen des Quarzes wird das Enthalpie­ niveau in einer Größenordnung von ca. 180 kJ/kg bis ca. 300 kJ/kg angehoben. Dieser Energieeintrag in das Material entspricht der Prozeßführung bei um 230°C-380°C höheren Temperaturen. Aufgrund des mit der Temperatur stark ansteigenden Drucks bei der Hydrothermalsynthese, ist eine solche Prozeßführung nicht - oder zumindest nicht in wirtschaftlichem Maße - möglich. Die Erfindung ermöglicht die Vortei­ le einer Temperaturerhöhung (kurze Reaktionszeit, vollständige Umsetzung der Ausgangsstoffe), ohne eine Temperaturerhöhung zu erfordern, außerdem wird die mit niedrigeren Temperaturen zunehmende Löslich­ keit des Ca(OH)₂ genutzt.

Claims (4)

1. Verfahren zur hydrothermalen Umsetzung von Quarz, Kalk und Wasser zu Xonotlit, dadurch gekennzeichnet, daß der Quarz vor der Zu­ mischung zum Reaktionsgemisch durch Mahlen von Quarzmehl oder Quarzsand in einer Schwingmühle aktiviert wird, wobei das Ent­ halpieniveau des Quarzes um 180-300 kJ/kg an­ gehoben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Reaktionsmischung vor ihrer hydrothermalen Umsetzung zu Xonotlit durch Aluminiumpulver oder durch einen Schaumbild­ ner aufgetrieben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionsmischung bis zum doppelten Volumen aufgetrieben wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktion bei einer Temperatur von etwa 200°C entsprechend einem Sattdampfdruck von ca. 16 bar durchgeführt wird.