DE4423536A1 - Leichte und harte Silikatkugeln - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf leichte und harte Silikatkugeln, welche zur Herstellung von Leichtbeton und ähnlichen Materialien verwendet werden, und insbesondere auf keramischen Kugeln, die einen porösen Innen­ aufbau und eine dichte Außenschicht aufweisen, so daß sie leicht und hart sind, und geringe Absorptionseigenschaften aufweisen. Genauer gesagt bezieht sich die Erfindung auf Silikatkugeln, die einen poröse Innenaufbau aufweisen und von einer dichten Außenschicht umgeben sind, so daß sie eine geringe Dichte und geringe Absorptionseigenschaften aufweisen.

Die Gestalt dieser Silikatkugeln ist ungefähr rund und ihre Oberflächen sind glatt, wie in der beiliegenden Rasterelektronenmikroskopaufnahme in Fig. 1 zu sehen ist. Die Farbe ist weiß, und ihre Größe ist kleiner als 20 mm, üblicher­ weise 3-8 mm, während manche bis zu 2 mm klein sein können.

Der mittels Rasterelektronenmikroskopie beobachtete Innenaufbau der Sili­ katkugeln ist in den beiliegenden Figuren gezeigt. Fig. 2 ist eine Fotografie niedriger Auflösung, welches eine Silikatkugel im Querschnitt zeigt. Mittels dieser Fotografie kann die Gesamtstruktur der Silikatkugeln erschlossen wer­ den.

Die Silikatkugeln sind so aufgebaut, daß der größte Teil einen porösen Aufbau zeigt, wobei dieser poröse Teil von einer äußeren Schicht mit dichtem Aufbau umgeben ist. Wenn die Silikatkugeln, wie in Fig. 3 gezeigt, mit höherer Auflö­ sung beobachtet werden, können der poröse Innenaufbau und die dichtere Au­ ßenschicht eindeutig voneinander unterschieden werden. Die Außenschicht ist nicht porös, und ihre Dicke ist gleichmäßig. Für den Fall, daß die Innenporen homogen aufgebaut sind, weist die Außenschicht eine gleichmäßige Dicke auf, und ist sehr dicht, wie in Fig. 4 zu sehen ist. Die Dicke der Außenschicht vari­ iert in Abhängigkeit vom Durchmesser der Silikatkugeln, sie beträgt jedoch üblicherweise 2-1000 µm. Wie in Fig. 5 zu sehen, sieht der poröse Innenaufbau so aus, als ob dünne Plättchen willkürlich übereinandergeschichtet wären. Es gibt jedoch Unterschiede in Abhängigkeit von den Bedingungen einer Wärme­ behandlung. Wie in Fig. 6 zu sehen, sind einige der dünnen Plättchen gespal­ ten, oder wie in Fig. 7 zu sehen, ergibt sich nur eine poröse Struktur ohne Aus­ bildung der dünnen Plättchen.

Die Vorzüge und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen.

Es zeigen:

Fig. 1 das äußere Erscheinungsbild der Silikatkugeln (mit runder Gestalt und glatter Oberfläche);

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine der Silikatkugeln (mit porösem Innen­ aufbau und einer umgebenden Außenschicht);

Fig. 3 die dichte Außenschicht und den porösen Innenaufbau;

Fig. 4 die dichte und gleichförmige Außenschicht;

Fig. 5 den porösen Innenaufbau (als ob dünne Plättchen willkürlich übereinandergeschichtet worden wären);

Fig. 6 den porösen Innenaufbau (als ob gespaltene, dünne Plättchen will­ kürlich übereinandergeschichtet worden wären); und

Fig. 7 den porösen Innenaufbau (poröser Innenaufbau ohne dünne Plättchen).

Die erfindungsgemäßen Silikatkugeln haben einen porösen Innenaufbau und sind von einer dichten Außenschicht umgeben, deshalb ist die Dichte der Sili­ katkugeln sehr gering. Die Dichte der Silikatkugeln schwankt in Abhängigkeit von ihrer Größe, beträgt aber normalerweise zwischen 0,05 und 1,5 g/cm³. Die Silikatkugeln sind viel leichter als die typischen keramischen Werkstoffe wie Quarz, Tonerde und so weiter. Die Dichte der Silikatkugeln liegt typischerwei­ se zwischen 0,1 und 0,5 g/cm³. Aus diesem Grunde schwimmen die Silikatku­ geln auf Wasser. Das Gewicht einer Silikatkugel beträgt bis zu 0,1 g hinab und darunter.

Die Silikatkugeln bestehen aus fast reinem Siliziumdioxid (Silikat) und die Analyse ihrer Zusammensetzung zeigt, daß sie Verunreinigungen wie Ca, Mg, Cr, Co, Ni, Mn, Cu, Zn, Fe, Al und Na enthalten. Die Hauptverunreinigungen sind Al₂O₃, Fe₂O₃ und Na₂O. Der Gehalt an Verunreinigungen hängt von der Reinheit der verwendeten Ausgangsstoffe ab.

Die erfindungsgemäßen Silikatkugeln können für den Fall verwendet werden, daß Gewicht eingespart werden soll. Das heißt, wenn man sie zu Zement oder Beton hinzumischt, kann man einen Leichtzement oder Leichtbeton erhalten. Ein leichtes Material kann dadurch erhalten werden, daß man die Silikatku­ geln mit einem niedrigschmelzenden Metall oder einer niedrigschmelzenden Legierung mischt, oder mit einem Kunststoff oder einem keramischen Werk­ stoff. Wegen ihrer Porosität weisen die Silikatkugeln eine geringe Wärmeleitfä­ higkeit auf, und sie können deshalb als Wärmeisolationsmaterial verwendet werden. Die erfindungsgemäßen Silikatkugeln können somit als Konstruk­ tionsmaterial niedriger Dichte oder als Wärmeisolationsmaterial niedriger Dichte verwendet werden. Wenn man des weiteren die Eigenschaft der Silikat­ kugeln ausnutzt, daß sie auf Wasser schwimmen, können sie als Aufschwem­ mung verwendet werden. Wenn man ihre Rundheit und weiße Farbe verwen­ det, können aus ihnen mit Ornamenten verzierte Gegenstände hergestellt wer­ den.

Das Ausgangsmaterial zur Herstellung dieser Silikatkugeln sind Silkatgele, die zwischen Güteklassen mit hoher Reaktivität und solchen mit starkem Ver­ unreinigungsanteil (Industriequalität) schwanken können. Ein als Ausgangs­ material für die erfindungsgemäßen Silikatkugeln dienendes Silikatgel wird in einen hitzebeständigen Schmelztiegel gegeben, und es wird bei einer Tempera­ tur zwischen 700-1400°C eine Wärmebehandlung durchgeführt, wobei die Si­ likatkugeln gebildet werden.

Die Eigenschaften der erfindungsgemäßen leichten und harten Silikatkugeln sind in der nachfolgenden Tabelle 1 aufgeführt.

Tabelle 1

Eigenschaften der leichten und harten Silikatkugeln und der Ausgangsmaterialien

Im folgenden werden zwei bevorzugte Ausführungsformen erläutert:

Beispiel 1

Hier wurde folgendermaßen verfahren:
Silikatgel wurde in einen Schmelztiegel gegeben, und wurde mit einer Rate von 120°C pro Stunde bis auf 1100°C aufgeheizt. Die Temperatur von 1100°C wurde während einer Stunde gehalten, wodurch eine Wärmebehandlung durchgeführt wurde. Dann wurde es auf Zimmertemperatur abgekühlt.

Beispiel 2

Hierbei wurde auf gleiche Weise wie bei Beispiel 1 verfahren, mit dem Unter­ schied, daß der Temperatursteigerung 60°C pro Stunde betrug.

Die Eigenschaften der auf diese Weise erhaltenen Silikatkugeln sind in Tabelle 2 aufgeführt.

Tabelle 2

Eigenschaften der leichten und harten Silikatkugeln und der Ausgangsmaterialien

Claims (3)

1. Leichte und harte Silikatkugeln,
dadurch gekennzeichnet,
daß diese Silikatkugeln rund sind;
daß Silikat mit hoher Reaktivität oder von Industriequalität als Ausgangsma­ terial verwendet wird;
daß ihr Durchmesser 20 mm oder weniger beträgt;
daß der Innenaufbau porös ist;
daß die Außenschicht dicht ist,
daß die Dichte 0,05-1,5 g/cm³ beträgt;
daß die Härte 0,5-11,8 GPa auf der feinen Vickersskala beträgt;
daß die Bruchlast 0,5-50 kg beträgt;
daß der SiO₂-Gehalt 98% oder mehr beträgt; und
daß Al₂O₃, Fe₂O₃ und Na₂O in den Anteilen 0,5% oder weniger, 0,2% oder we­ niger bzw. 1,0% oder weniger enthalten sind.

2. Leichte und harte Silikatkugeln nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Gestalt der Silikatkugeln kugelförmig ist;
daß die Oberfläche glatt und regelmäßig ist;
daß sie im Querschnitt einen porösen Innenaufbau zeigen, welcher von einer dichten Außenschicht umgeben ist; und
daß der poröse Innenaufbau so aussieht, als ob dünne Plättchen oder dünne ge­ spaltenen Plättchen willkürlich übereinandergeschichtet worden wären, oder der poröse Innenaufbau die Gestalt von Kugeln hat.

3. Leichte und harte Silikatkugeln nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Al₂O₃, Fe₂O₃ und Na₂O in den Anteilen 0,5%, 0,2% bzw. 1,0% enthalten sind.