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Verfahren zur Herstellung von Zinkweiß Gegenstand der Erfindung ist
ein Verfahren und eine Einrichtung zur Herstellung von Zinkweiß sowie das mit ihrer
Hilfe erhaltene neue Produkt.
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Es wurde festgestellt, daß man ein Zinkoxyd von ultramikroskopischer
Feinheit und infolgedessen erheblich verbesserten Eigenschaften erhalten kann, wenn
man gegen die sich beim Verbrennen von Zink in kalter Luft bildende Flamme einen
oder mehrere Druckluftstrahlen derart richtet, daß das Zinkoxyd im Augenblick seiner
Bildung abgeschreckt wird. Man kann das Verfahren vorteilhaft in einem großen, freien
Raum vornehmen; befinden sich in der Nähe der Flamme Gegenstände, die Wärme reflektieren
könnten, so muß man diese Gegenstände so kühl halten, daß sie, statt die Verbrennungswärme
zu reflektieren, sie wenn möglich, absorbieren. Umfang und Geschwindigkeit des Druckluftstrahles
werden zweckmäßig so gewählt, daß die Abkühlung der Zinkoxydteilchen auf weniger
als 35o° C in einem kleinen Bruchteil einer Sekunde nach ihrer Bildung, z. B. in
115o Sekunde oder weniger, erfolgt und die scheinbar weißglühende Oxydationszone
in Wirklichkeit so klein und kühl ist, daß man die bloße Hand gefahrlos durch sie
hindurchführen kann. Der Zinkdampfstrahl kann durch andere Gase, z. B. Kohlenoxyd,
Stickstoff, Wasserstoff usw., verdünnt sein, die sich bei der Erzeugung des Zinkdampfes
je nach dem angewendeten Verfahren ergeben.
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Die Anwendung von Druckluftstrahlen zur Ableitung der Wärme aus der
Zinkflamme bringt gegenüber der bekannten Bewegung der Verbrennungsluft durch Ventilatoren,
die das sich bildende Zinkoxyd in die Absatzkammer hinüberdrücken, eine neue technische
Wirkung dank dem Umstand hervor, daß Druckluftstrahlen so zur Zinkflamme ausgerichtet
werden können, daß die gesamte unter Druck stehende Luft die Flamme durchdringt
und das in ihr entstehende Zinkoxyd abschreckt. Mit .Saugluft ist dies nicht möglich,
da man einen die Verbrennungskammer durchziehenden Luftstrom nicht von seinem durch
den Ventilator vorgeschriebenen Wege ableiten kann; dort wird also ein großer Teil
der Luft ungenutzt an der Flamme vorbeigehen.
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Zinkweiß hat man früher nach Wetherill durch Reduktion von Zinkerz
mit Kohle und sofortiges Verbrennen des erhaltenen Zinkmetalls oder durch Destillation
von Zinkmetall aus Muffeln hergestellt. Bei diesen Verfahren hat man bisher nicht
berücksichtigt, daß der Charakter der Zinkflamme selbst irgendeinen Einfluß auf
die physikalische
Eigenschaft des Oxyds haben hönnte; man hat auch
nicht versucht, diese physikalischen Eigenschaften durch eine Regelung der Flamme,
insbesondere durch eine Steigerung ihrer Intensität oder durch Begrenzung ihrer
Ausdehnung, zu beeinflussen. Das bei den bisher angewendeten Verfahren erhaltene
Zinkweiß hat zwar äußerlich die Eigenschaften eines unfühlbaren Pulvers, in Wirklichkeit
liegt aber die Größe seiner Teilchen im Bereich gewöhnlicher mikrophotographischer
Messung, die bei dem Produkt gemäß der vorliegenden Erfindung versagt.
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Die Zeichnungen veranschaulichen beispielsweise Einrichtungen zur
Ausführung des neuen Verfahrens.
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Bei der Einrichtung nach Abb. i ist das Schmelzgefäß io durch eine
Scheidewand 14 in zwei Kammern i2 und 13 geteilt. Die Scheidewand endigt unten in
einigem Abstand von der Gefäßwandung; zwischen diesen beiden Wandungen ist ein durchlöcherter
Einsatz 15 eingeordnet. Der Zwischenraum zwischen dem Mauerwerk 16 des Ofens und
den Schrägwänden des Schmelzgefäßes ist mit wärmeisolierendem Stoff 17 ausgefüllt.
Die Kammer 12 des Schmelzgefäßes ist ständig durch eine Platte 18 abgedeckt, die
eine dicke Lage von Wärmeisoliermaterial i 9 trägt; die Kammer 13 ist durch einen
Deckel 2o abgeschlossen.
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Längs der Scheidewand 14 ragt eine Elektrode 21 unter die Oberfläche
des Zinkbades in der Kammer 12, eine zweite Elektrode 22 endigt kurz über dein Zinkspiegel.
Durch die Platte 18 ragt die Zinkdampfdüse 23 hindurch. über der Isolierschicht
i9 ist rings um die Düse 23 herum eine Ringkammer 24 geschaffen, der durch ein Rohr
25 Preßluft zugeführt wird, die durch eine Ringöffnung im oberen Teil der Kammer
2q. rund um die Düse herum austritt. Die Wand der Kammer 24 kann aus feuerfesten
Ziegeln, die Decke aus Eisen bestehen. Ein Kegel 27 aus Eisenblech umhüllt das die
Düse umgebende Isoliermaterial 28.
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Das Schmelzgefäß i- wird so weit mit Zink beschickt, daß das Zinkbad
es etwa bis zu der dargestellten Höhe füllt; auf dieser Höhe wird der Spiegel der
Zinkschmelze dauernd gehalten. Der Stromübergang zwischen der Elektrode 22 und der
Zinkoberfläche erzeugt eine Wärme, die genügt, um das Zink geschmolzen zu halten
und so viel Zinkdampf zu entwickeln, daß ein starker Zinkdampfstrahl dauernd aus
der Düse 23 austritt. Die Stromwärme genügt auch zum Niederschmelzen des festen
Zinks, das nach Abnahme des Deckels 2o in das Bad eingetragen wird.
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Der Raum zwischen dem Zinkspiegel in der Kammer 12 und der Decke 18
füllt sich mit Zinkmetalldampf, der dann in einem stetigen Strahl durch die Düse
23 austritt. Bei diesem Austritt aus der Düse kommt der Zinkdampf mit der die Düse
umgebenden Luft in Berührung und würde hierbei, wenn nicht besondere Vorkehrungen
getroffen wären, mit der bekannten natürlichen Zinkflamme abbrennen. Die Ringdüse
26 führt nun aber einen Luftstrahl von ringförmigem Querschnitt nach innen gegen
den austretenden Zinkdampfstrahl, der eine große Einengung und Verkleinerung der
Zinkflamme bewirkt und die Zinkoxydteilchen sofort aus der Hochtemperaturzone, in
der die beschränkte Verbrennung vor sich geht, hinaus in die kalte, diese Zone umgebende
Luft führt, so daß die Teilchen sofort abgeschreckt werden. Sie werden in den sich
nach unten erweiternden Abzug 29 mittels eines Sauggebläses hineingesogen und durch
die Abzugskanäle in die Sackkammer o. dgl befördert, in der das Zinkoxyd sich dann
ablagert.
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Die Einengung und Verkleinerung der Zinkflamme durch den Druckluftstrahl
wird durch einen Vergleich der in Abb. i dargestellten Zinkflamme mit der in Abb.
7 dargestellten veranschaulicht; der Unterschied läßt sich zeichnerisch schwer wiedergeben,
ist aber tatsächlich sehr erheblich.
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Eine Flamme in -der in Abb. 7 gezeichneten Art entsteht, wenn man
den gemäß Abb. i austretenden Luftstrahl abstellt. Sobald er wieder angestellt wird,
wird die Flamme auf einen kleinen Raum zusammengedrängt, so daß sie unter Umständen
auf ein Fünftel ihrer Höhe zusammenschrumpft. Die in der Flamme entstehenden Zinkoxydteilchen
steigen nun nicht mehr langsam auf und werden nicht mehr längere Zeit auf hoher
Temperatur erhalten, sondern sofort aus der Zone intensiver Verbrennung herausgeschafft
und gleichzeitig abgeschreckt. Die Abkühlung der Flamme ist so groß, daß man die
Hand ruhig durch ihren oberen Teil hindurchführen kann.
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Bei. der Einrichtung nach Abb. 2 besteht der Zinkbehälter aus einem
Futter 46 aus feuerbeständigem Stoff, das von Stahlplatten 47 umgeben ist, die auf
mehreren Lagen feuerbeständiger Ziegel 48 ruhen, die wieder auf einer Beton- oder
Zementunterlage q.9 liegen. Die Seitenwände sind von Stahlplatten 5o umgeben; der
Raum zwischen den stehenden Stahlwänden 47 und 50 ist mit Isoliermasse p
ausgefüllt. In die Kammer ,I5 ragt ein Einfüllrobr 52 aus feuerfestem Stoff hinein,
das zur Beschickung der Kammer mit festem oder geschmolzenem Zink dient. Sein oberes
Ende mündet in einen Fülltrichter 53
und kann mit einem Deckel versehen
sein. Von oben ragen ferner in die Kammer zwei einstellbare Elektroden 55 und 56,
deren untere Enden kurz oberhalb des Zinkspiegels 57 liegen. Die Kammer 45 ist mit
Graphitplatten 58 abgedeckt, über denen eine dicke Lage eines feuerbeständigen Stoffes
59 angebracht - ist. über einer öffnung 62 in der Decke 58 der Schmelzkammer steht
ein Carborundum-Rohr und über diesem eine Carborundum-Düse 6o. Um letztere herum
ist eine Ringkammer 65 angeordnet, der durch ein Rohr 66 Preßluft zugeführt wird,
die wieder als Ringstrahl durch eine Ringöffnung 63 um die Düse herum austritt.
Die Öffnung 63 ist etwas größer als die Düsenöffnung.
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Der Betrieb dieser Einrichtung ist im wesentlichen der gleiche wie
bei der Einrichtung nach Abb. i.
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An Stelle eines ringförmigen Luftstrahles gemäß Abb. i und 2 kann
man auch Luftstrahlen anderer Art verwenden. Einrichtungen, die mit solchen Strahlen
arbeiten, sind z. B. in Abb. 3 bis 6 dargestellt.
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Bei der Einrichtung nach Abb. 3 sind seitlich der Zinkflamme zwei
gegeneinander gerichtete Luftdüsen 33 angeordnet, die durch ein Rohr 32 mit Preßluft
gespeist werden. Sie bewirken ein Abflachen oder Einengen der Zinkflamme in einer
Richtung und ein Verbreitern in der anderen Richtung.
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Bei der Einrichtung nach Abb. q. wird Luft durch ein Rohr 34 zu Luftdüsen
35 geführt, die etwas oberhalb der Öffnung 23 der Zinkdüse gegen die Flamme gerichtet
sind.
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Bei der Einrichtung nach Abb. 5 tritt Preßluft durch ein Ringrohr
36 in eine Reihe von Düsen 37, von denen hier nur drei dargestellt sind, die in
gleichem Abstand und in verschiedener Höhe gegen den Zinkdampfstrahl gerichtet sind,
der aus der Düse 23 austritt. Bei der praktischen Anwendung dieser Vorrichtung kann
eine weit größere Zahl von um die Flamme herum verteilten Luftdüsen verwendet werden.
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Bei der Einrichtung gemäß Abb. 6 ist wieder eine ringförmige Luftdüse
38, ähnlich der in Abb. i dargestellten, vorhanden. Die Luft wird der Ringkammer
39 durch ein Rohr 40 zugeführt.
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Das auf diese Weise erzielte Zinkweiß ist durch eine außerordentlich
geringe Größe der einzelnen Teilchen gekennzeichnet und unterscheidet sich hierdurch
von allen bekannten Zinkweißarten, gleichgültig, nach welchem Verfahren sie hergestellt
sind. Während die feinsten nach dem Wetherillverfahren hergestellten Zinkweißsorten
eine mittlere Teilchengröße von etwa 0,38 bis o,52 Mikron, die besten, durch
Destillation erhaltenen, eine solche von o,36 bis o,44 Mikron aufweisen, besitzen
die Teilchen des nach dem neuen Verfahren hergestellten Zinkweißproduktes (als Mittel
der zwei größten Durchmesser jedes Teilchens bestimmte) eine Teilchengröße zwischen
0,15 und o,o8 Mikron. Die Bedeutung dieser Größenv erminderung wird erkennbar;
wenn man die annähernde Teilchenzahl auf i Gramm des Produktes in Betracht zieht.
Von einem Zinkoxyd mit einer mittleren Teilchengröße von 0,5 Mikron enthält
i Gramm ungefähr 2,64 Billionen Teilchen. Dagegen kommen auf i Gramm eines Produktes,
dessen Teilchen eine mittlere Größe von 0,4 Mikron haben, schon etwa 5,i7 Billionen.
Bei einer Teilchengröße von 0,15 Mikron enthält i Gramm 95,22 Billionen; bei o,i
Mikron 331 Billionen.
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Die Durchmesser der Teilchen wurden nach einem Verfahren bestimmt,
das zuerst von Henry Green im Journal of the Franklin Institute vom November 1921
beschrieben wurde. Da die Zinkweißteilchen gemäß der Erfindung ultramikroskopische
Größe besitzen, mußte bei der Durchführung des mikrophotographischen Meßverfahrens
ultraviolettes Licht mit Ouarzlinsen verwendet werden.
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Dank seiner geringen Teilchengröße bzw. der außerordentlich erhöhten
Teilchenzahl in der Gewichtseinheit bietet das Produkt besondere Vorteile für verschiedene
Zwecke. Besonderen Wert besitzt es für die Herstellung von Gummi, dessen Reibfestigkeit
und Lagerbeständigkeit es in außerordentlichem :Maße erhöht. Auch wirkt es beschleunigend
auf die Vulkanisierung.
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Wird die Herstellung so geleistet, wie oben beschrieben, so ist das
Zinkweiß im wesentlichen frei von Verunreinigungen (Chloriden, Sulfaten usw.). Es
kann angenommen werden, daß wenigstens zum Teil die besseren Eigenschaften des neuen
Produktes dem Fehlen dieser Verunreinigungen zuzuschreiben sind.
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Die Wirkungen des neuen Zinkweiß auf Kautschuk lassen sich wie folgt
zusammenfassen: Eine noch nicht vulkanisierte Masse, die das neue Produkt enthält,
ergibt in Benzol keine Reaktion, die Vulkanisierung wird beschleunigt, organische
Beschleuniger werden in erhöhtem Maße angeregt. und die physikalischen Eigenschaften
des Kautschuks (Reibfestigkeit, Zerreißfestigkeit, in gewissem Grade auch Dehnung
und die Lagerbeständigkeit) werden erheblich verbessert.
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Abgesehen von der geringen Teilchengröße rührt die Fähigkeit, die
Vulkanisierung zu beschleunigen, wenigstens zum Teil, wohl auch von dem verhältnismäßig
geringen
Säuregrad des neuen Produktes her, der, in SU3 ausgedrückt,
etwa 0,02 bis 0,04 % beträgt.