DE60105603T2

DE60105603T2 - Herstellungsverfahren einer kolloidalen silikatdispersion

Info

Publication number: DE60105603T2
Application number: DE60105603T
Authority: DE
Inventors: Michael Perander; Jean Le Bell
Original assignee: Paroc Group Oy AB
Current assignee: Paroc Group Oy AB
Priority date: 2000-06-20
Filing date: 2001-06-19
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2021-06-20
Also published as: ATE276041T1; CA2411480A1; CN1437505A; EE200200708A; NO20026058D0; FI20001458A; PT1292384E; CZ2003157A3; PL200234B1; SI1292384T1; WO2001097963A3; EP1292384A2; DE60105603T3; SK286679B6; FI20001458A0; EP1292384B2; DE60105603D1; EA200300041A1; EP1292384B1; BG107403A

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von kolloidalen Silikatdispersionen, bevorzugt mit geringem Alkaligehalt und zusätzlich Aluminium enthaltend, sowie von Gelen, welche aus derartigen Dispersionen durch Koagulation oder Gelbildung gebildet werden, unter Verwendung von Siliciumdioxid und Aluminiumoxid, welche teilchenförmige Silikatmineral-Rohmaterialien enthalten. Die so erhaltenen Dispersionen können insbesondere als Material mit Bindungsvermögen, d. h. als Bindemittel, oder als bindende Komponente in einer Bindemittelzusammensetzung verwendet werden, einschließlich der Verwendung als Beschichtungsstoff oder Klebstoff, oder als bindende Komponente in Beschichtungs- oder Klebstoffzusammensetzungen. Insbesondere finden die Materialien der Erfindung Verwendung in Baumaterialien, insbesondere als Bindemittel in der Mineralwolleherstellung oder in zementhaltigen oder Betonprodukten.
Hintergrund der Erfindung
Wasserglas wird herkömmlich hergestellt durch Schmelzen von Siliciumdioxidsand mit Natrium- oder Kaliumcarbonat bei sehr hohen Temperaturen und anschließendem Auflösen des fein verteilten erstarrten Produktes in Wasser. Wasserglas kann somit als ökologisch akzeptabler Stoff zum Einbringen in Baumaterialien betrachtet werden, wie zum Beispiel als Bindemittel in Mineralwolleprodukten oder zementhaltigen Produkten. Wasserglas wurde auch als Bindemittel in Rohmaterialbriketts zur Mineralwolleherstellung verwendet, oder als Bindemittel zur Herstellung von Gießereiformen oder -kernen, oder zur Verwendung als Beschichtungsstoffe und Klebstoffe. Demgemäss verweist beispielsweise DE-A-28 04 069 auf ein Verfahren zur Herstellung eines isolierenden Produktes durch Binden von Mineralfasern mit Wasserglas.
Ein Nachteil bezüglich der Verwendung von Wasserglas ist jedoch, dass zu dessen Herstellung reine Rohmaterialien verwendet werden und der Energieverbrauch sehr hoch ist. Ein weiterer Nachteil ist, dass derartiges Wasserglas ein sehr alkalisches Produkt ist, wodurch Stabilitätsprobleme verursacht werden können, zum Beispiel im Falle der Verwendung als Bindemittel in zementhaltigen Produkten. Wasserglas weist typischerweise ein R₀-Verhältnis (das molare Verhältnis von SiO₂/Na₂O) von etwa 1 bis 4 auf, wobei das Verhältnis von handelsüblichem Wasserglas typischerweise etwa 3,3 beträgt.
Ebenfalls bekannt ist die Verwendung eines Gemisches von Wasserglas mit anderen Stoffen zu verschiedenen Zwecken, wie mit Lehm oder Zement als Bindemittel für Mineralwolleprodukte, siehe z. B. SE-B-420 488. Ein derartiges Produkt weist, obwohl es gute Wasser- und Hitzebeständigkeit zur Verfügung stellt, eine schlechte Druckbeständigkeit auf, ist brüchig und verursacht Staubentwicklung. In EP-B-466 754 ist andererseits die Verwendung eines Bindemittels beschrieben, das aus Schlacke erzeugt wurde, die mit Wasserglas zur Herstellung eines temperatur- und feuchtigkeitsbeständigen Mineralwolleproduktes aktiviert wurde, welches auch in der Lage ist, großen vorübergehenden Belastungen zu widerstehen.
In EP-A-59 088 sind hochalkalische Silikatlösungen beschrieben, zur Verwendung für Bindemittelzwecke, insbesondere für Gießereiformen und -kerne, deren Lösungen durch Auflösen fein verteilter Siliciumdioxidpulver in einer alkalischen Lösung hergestellt werden, wobei die entstandene Lösung einen R₀-Wert von 1,6 bis 3,5 aufweist. Die so hergestellten Lösungen weisen einen niedrigen Aluminiumoxidgehalt auf, typischerweise unter 2%.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist auf ein Verfahren zur Herstellung einer kolloidalen wässrigen Silikatdispersion gerichtet, d. h. ein silikathaltiges Sol, das zur Verwendung als Bindemittel geeignet ist, wobei die dispergierte bindende Komponente bevorzugt auf einem mineralischen Material basiert und einen Gehalt an Silicium und Aluminium, berechnet als deren jeweilige Oxide, in einem geeigneten Verhältnis aufweist, welches als molares Verhältnis zwischen Siliciumdioxid und Aluminiumoxid, d. h. SiO₂/Al₂O₃ ausgedrückt wird, um ein stabiles Produkt für eine Vielzahl von Anwendungen zur Verfügung zu stellen. Erfindungsgemäß liegt das Verhältnis Mole Siliciumdioxid zu Mole Aluminiumoxid in der Dispersion im Bereich von 2 bis 12, das heißt 2:1 bis 12:1. Bevorzugt beträgt ein derartiges Verhältnis 2,5 bis 8, und vorteilhaft ist 3,5 bis 6.
Gemäß des Verfahrens wird ein Siliciumdioxid und Aluminiumoxid in einem molaren Verhältnis von 2 bis 12 enthaltendes teilchenförmiges Silikatmineralmaterial in einer wässrigen Lösung aufgelöst, um eine Lösung zu bilden, die nukleierte wiederausgefällte Teilchen des Materials enthält, die Lösung wird stabilisiert, um eine Dispersion zu bilden, und gegebenenfalls wird der Trockenstoffgehalt der Dispersion eingestellt.
Es liegt ebenfalls im Bereich der Erfindung, die Dispersion zu destabilisieren oder zu koagulieren, um ein Gel zu bilden. Eine derartige Gelbildung kann durch verschiedene im Fachgebiet bekannte Verfahren stattfinden, wie durch Verändern des pH-Wertes der Dispersion oder Zugabe eines Elektrolyten, wie zum Beispiel ein Salz, oder durch Entfernen von Wasser aus der Dispersion.
Die erhaltene erfindungsgemäße Silikatdispersion kann als Bindemittel beispielsweise in der Mineralwolleherstellung verwendet werden, oder in der Erzeugung von Rohmaterialbriketts für die Mineralwolleherstellung, oder in Metallerzbriketts, oder als Bindemittel in Gießereiformen und -kernen. Es ist auch möglich, die Dispersionen als Additiv für Zement oder zusätzlich zu Zement, beispielsweise in Betonerzeugnissen, zu verwenden, wobei sie durch den erhöhten Anteil an Aluminiumoxid den Bindeprozess beschleunigen und als Verstärkungsmittel wirken. Weitere Verwendung schließt die Verwendung als Beschichtungsmaterial in Anwendungen ein, für die üblicherweise herkömmliches Wasserglas oder Siliciumdioxidsole oder Siliciumdioxidteilchen, wie "Aerosil", oder Flugasche verwendet wurden. Sie sind insbesondere zur Herstellung feuerbeständiger Überzüge geeignet, welche aufgrund des hohen Gehaltes der Dispersion an Aluminiumoxid verbesserte Stabilität verglichen mit gewöhnlichen hochalkalischen Wassergläsern zeigen, wobei das Aluminiumoxid für verbesserte Glaseigenschaften und verringerte Kristallinität des Silikatbindemittels sorgt. Die Dispersionen können auch als feuerbeständiger Klebstoff verwendet werden, zum Beispiel für die Holz-, Beton-, Ziegel-, Glas-, Metall-, Sperrholz- und Gipskartonherstellung. Eine spezielle Verwendung wurde für die Verklebung von Laminaten gefunden, wenn beispielsweise Mineralwolleschichten laminiert werden, oder als Klebstoff zur Verklebung von Mineralwolle, zum Beispiel an ein Metall, wie zum Beispiel eine Metallbahn, um dadurch Bauplatten zu erzeugen.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Erfindungsgemäß wurde ein verbessertes und ökonomisch herstellbares Silikatbindemittelmaterial zur Verfügung gestellt, das hervorragende bindende, verstärkende und feuerbeständige Eigenschaften aufweist und auch vom Standpunkt der Anwendung oder der Arbeitshygiene her annehmbar ist. Außerdem kann das Bindemittel aus preiswerten und leicht erhältlichen Rohmaterialien oder Nebenprodukten in einfacher Weise hergestellt werden, wobei die maßgeschneiderte Herstellung oder die Gestaltung der Zusammensetzung der Dispersion passend für die jeweilige Anwendung ermöglicht wird. Ein wichtiger Vorteil besteht darin, dass die Dispersion für die Umwelt keine ökologische Belastung darstellt, sondern nur derartige Komponenten enthält, die bereits inhärent in der Natur vorkommen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Dispersion, im Gegensatz zu herkömmlichem Wasserglas, einen geringen Alkaligehalt auf, das heißt 7sie weist einen geringen Gehalt an Alkalioxiden auf, insbesondere Natrium- und Kaliumoxiden. Gemäß einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform enthält die Dispersion Erdalkalimetalloxide, wie Calcium- und/oder Magnesiumoxide und/oder Eisenoxid. Eine derartige Ausführungsform ergibt im Allgemeinen eine verbesserte Wasserbeständigkeit infolge der Tatsache, dass die Wasserlöslichkeit von Erdalkalimetallen niedriger ist als die der Alkalimetalle.
Die geringe Alkalinität ermöglicht die Verwendung der Dispersion in einer Reihe von Anwendungen, in denen geringe Alkalinität gewünscht wird, zum Beispiel als Bindemittel in Beton.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält die kolloidale Dispersion Siliciumdioxid und Alkalioxide in einem molaren Verhältnis, also das Verhältnis der Mole Siliciumdioxid zu der Summe der Mole an Alkalioxiden, d. h. im Wesentlichen der Summe der Mole an Natriumoxid und/oder Mole an Kaliumoxid, welches zwischen 10 und 350 liegt, bevorzugt 15 bis 150. Das gewünschte molare Verhältnis kann durch passende Wahl des zur Herstellung der Dispersion zu verwendenden mineralischen Ausgangsrohmaterials erhalten werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung enthält die Dispersion Calcium- und/oder Magnesiumoxid und/oder Eisenoxid, wobei das molare Verhältnis zwischen Siliciumdioxid und der Summe aus Calcium-, Magnesium- und Eisenoxid im Bereich von 0,5 bis 2 liegt, bevorzugt 0,6 bis 1,5. Das Eisenoxid wird in Form von FeO berechnet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die primäre Teilchengröße der Dispersion von 1 bis 1000 nm, bevorzugt 10 bis 100 nm.
Der Trockenstoffgehalt der Dispersion kann variieren, abhängig von der beabsichtigten Anwendung, für die meisten Zwecke ist ein Trockenstoffgehalt über 1% aber geeignet, wie zum Beispiel im Bereich zwischen 5 und 60 Gew.-%. Der Trockenstoffgehalt der Dispersion kann durch Entfernen von Wasser, zum Beispiel durch Verdampfen, oder durch Wasserzugabe in geeigneter Weise eingestellt werden.
Wie nachstehend detailliert beschrieben, kann die Dispersion leicht in ein Gel umgewandelt werden, zum Beispiel unter Verwendung physikalisch-chemischer Mittel, wie zum Beispiel Entfernen der elektrostatischen Abstoßung zwischen den Dispersionsteilchen durch Verändern des pH-Wertes oder durch Zugabe eines Elektrolyten oder eines grenzflächenaktiven Mittels. Gelbildung kann auch durch Trocknen der Dispersion durchgeführt werden.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, ein Verfahren zur Herstellung der Dispersion zur Verfügung zu stellen, umfassend die Schritte:

– Auflösen eines teilchenförmigen mineralischen Materials, das Siliciumdioxid und Aluminiumoxid in einem molaren Verhältnis im Bereich von 2 bis 12 enthält, in einer wässrigen Lösung, um eine Lösung zu bilden, die nukleierte wiederausgefällte Teilchen des Materials enthält,
– Stabilisieren der so erhaltenen Lösung, um eine Dispersion mit der gewünschten Teilchengröße zu bilden, und gegebenenfalls
– Einstellen des Trockenstoffgehalts der Dispersion.

Bevorzugt ist das als Ausgangsmaterial verwendete, teilchenförmige mineralische Material ein Material mit einer glasartigen amorphen Struktur. Eine derartige glasartige Struktur weist bessere Lösungseigenschaften auf als eine kristalline Struktur und bildet sich beispielsweise, wenn mineralische Rohmaterialien geschmolzen und bei hoher Temperatur in Faserform gebracht werden. Ein geeignetes Rohmaterial ist somit ein Mineralwollematerial oder Mineralfaserprodukt, zum Beispiel ein Abfallprodukt oder Nebenprodukt der Mineralfaserproduktion, wie z. B. Spinnreste, ungenutzte Fasern oder Produkte, sowie Mineralfaserprodukte nach Gebrauch durch den Verbraucher.
Ein zur Verwendung als Ausgangsmaterial geeignetes mineralisches Material enthält SiO₂ in einer Menge von 35 bis 45 Gew.-% und Al₂O₃ in einer Menge von 8 bis 25 Gew.-%.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform enthält ein niederalkalisches teilchenförmiges Mineralmaterial, berechnet als Gew.-%:

SiO₂ 35 bis 45

Al₂O₃ 10 bis 25

R₂O 0,2 bis 3,

wobei R Na oder K bedeutet. Zusätzlich kann ein derartiges Material, berechnet als Gew.-%, enthalten:

CaO 12 bis 35

MgO 6 bis 20

FeO (Gesamteisen) 2 bis 10.
Ein weiterer geeigneter Typ eines Mineralmaterials ist ein Material mit der folgenden Zusammensetzung, berechnet als Gew.-%:

SiO₂ 35 bis 45

Al₂O₃ 8 bis 13

R₂O 0,2 bis 1,

wobei R Na oder K bedeutet. Zusätzlich kann ein derartiges Material, berechnet als Gew.-%, enthalten:

CaO 30 bis 40

MgO 5 bis 11

FeO (Gesamteisen) 0,1 bis 1.
Diese Zusammensetzung ist eine typische Zusammensetzung zum Beispiel für ein Schlackenwolleprodukt. Ein nützliches Ausgangsmaterial zur Herstellung der Dispersion kann somit ein Produkt oder ein Nebenprodukt aus der Herstellung von Schlackenwolle sein.
Die Aufnahme von Erdalkalimetalloxiden hat den weiteren Vorteil, dass für wasserbeständige Überzüge und Bindemittel geeignete Materialien zur Verfügung bereit gestellt werden. Eine derartige Aufnahme ist zum Beispiel bei der Verwendung in Briketts von besonderer Bedeutung, wie zum Beispiel Rohmaterialbriketts zur Mineralwolleherstellung oder in Erzbriketts, sowie zur Bereitstellung wasserbeständiger und stabiler Überzüge und Klebstoffe.
Bevorzugt liegt das Ausgangsmaterial, das zur Bildung der Dispersion verwendet wird, in Form eines Mineralwollematerials vor, insbesondere als Neben- oder Abfallprodukt aus der Mineralwolleherstellung erhalten, wie vorstehend beschrieben. Es kann dann ein Material ausgewählt werden, das die optimale oder gewünschte Zusammensetzung zur Herstellung der erfindungsgemäßen Dispersionen aufweist. Derartige Abfallmaterialien entstehen in großen Mengen, typischerweise in Mengen bis zu 20 bis 30 Gew.-% bezogen auf das Ausgangsrohmaterial, in Form von Spinnresten, Schüssen und ungenutzten Fasern von Ausschussfaserprodukten (Produkte vor Gebrauch durch den Verbraucher). Eine geeignete Quelle für das Material sind ebenfalls verschiedene Bauwerke, die abgerissen werden und in denen Mineralwollematerial beispielsweise als Wärmeisolation verwendet wurde (Produkte nach Gebrauch durch den Verbraucher). Derartiges Abfallmaterial liegt bereits in fein verteilter, typischerweise faseriger Form vor und kann somit als solches verwendet werden, oder es kann in einer anderen Ausführungsform auch in eine noch feinere Form zerteilt werden, um ein Produkt mit einer großen Oberfläche zur Verfügung zu stellen, wie zum Beispiel 0,4 m²/g oder größer, zum Beispiel bis zu 25 m²/g, und weist somit gute Auflösungseigenschaften in wässriger Lösung auf. Aus der Mineralwolleherstellung erhaltene Fasern weisen typischerweise einen Durchmesser von 0,5 bis 20 auf, gewöhnlich 2 bis 15 μm, wie zum Beispiel 3 bis 5 μm, wie mit OM oder SEM unter Verwendung eines geeigneten Verfahrens gemessen (z. B. Koenig et al, Analytica Chimica Acta 1993 280 289–298; Christensen et al, AM IND HYG ASSOC (54) May 1993), und eine Länge von 0,5 bis 50 mm, gewöhnlich 2 bis 20 mm, wie zum Beispiel 3 bis 10 mm.
Die wässrige Lösung ist eine saure Lösung, wie zum Beispiel eine wässrige Lösung, die durch Zugabe einer anorganischen oder organischen Säure angesäuert wurde, wie zum Beispiel HCl, HNO₃, H₂SO₄, H₃PO₄, Ameisen-, Essig-, Propionsäure oder jede andere geeignete Mineralsäure oder organische Säure. Der pH-Wert der Lösung wird passend eingestellt. Ein geringer pH-Wert führt zu einer raschen Auflösung des Mineralmaterials, um ein Gel zu bilden, wobei die Zeit zur Gelbildung vom pH-Wert abhängt, und ein geringer pH-Wert zu rascherer Gelbildung führt als ein hoher pH-Wert. Gute Auflösung für eine große Bandbreite an Mineralmaterialien wird bei einem pH-Wert von 0 bis 6 erhalten. Die Stärke der Säure kann, abhängig von der verwendeten Säure, von 0,1 bis 10 M sein, wie zum Beispiel 0,5 bis 5 M.
Die wässrige Lösung kann auch eine alkalische Lösung sein, wie zum Beispiel eine Alkalimetall- oder Erdalkalimetallhydroxid-, -carbonat-, oder -hydrogencarbonatlösung, insbesondere eine Natrium-, Kalium-, oder Lithiumhydroxidlösung, oder eine Ammoniumhydroxidlösung. Eine derartige Lösung ist bevorzugt 0,1 bis 2-molar bezüglich des alkalischen Mittels, oder weist einen pH-Wert von 10 bis 14 auf, um auch solche mineralischen Rohmaterialien leicht aufzulösen, die in neutraler Lösung schlecht löslich sind.
Bei alkalischem pH-Wert neigt die Dispersion dazu, stabil zu sein, und es kann eine Zunahme in der Teilchengröße beobachtet werden. Durch Halten der Dispersion bei alkalischem pH-Wert während einer angemessenen Zeitspanne, oder durch Steigern des pH-Wertes von nahezu neutral auf pH 10 wird eine Zunahme in der Teilchengröße erreicht, wobei die Zunahme weniger ausgeprägt ist, wenn die Lösung zusätzlich Salze enthält. In Gegenwart ausreichender Mengen an Salzen, wie zum Beispiel anorganischen Salzen, z. B. Natriumchlorid, neigen die Teilchen zu Aggregation, um Gele zu bilden, welche niederschlagen. Die gleiche Gelbildung findet statt durch Herstellen eines saueren pH-Wertes in der Lösung, wobei ein pH-Wert von etwa 2 bis unter 7 zur Gelbildung geeignet ist.
Somit kann durch Einstellen des pH-Wertes der Zustand der Dispersion aufrechterhalten werden, oder die Dispersion kann in ein Gel umgewandelt werden. Das Gel kann unter Verwendung von High Shear Mischen und Steigern des pH-Wertes dispergiert und stabilisiert werden, und kann dann wieder zur Gelbildung gebracht werden durch Wiedereinstellen (Erniedrigen) des pH-Wertes oder durch Zugabe eines Elektrolyten.
Aluminiumoxid enthaltende, teilchenförmige Mineralmaterialien, insbesondere die, welche von etwa 10 bis 25 Gew.-% Aluminiumoxid enthalten, sind im Allgemeinen relativ gering in neutraler Lösung löslich, weisen jedoch verbesserte Lösung in sauren und alkalischen Medien auf, und stellen somit wässrige Dispersionen zur Verfügung, die gelöstes Siliciumdioxid und gelöstes Aluminiumoxid im gewünschten Verhältnis aufweisen. Erfindungsgemäß werden beim Auflösen des Materials in sauerer Lösung organische Säuren vor anorganischen Säuren bevorzugt. Dies ist bedingt durch die Tatsache, dass anorganische Säuren unlösliche Salzniederschläge bilden können, zum Beispiel mit im Ausgangsmaterial eingeschlossenem Calcium und Magnesium. Einige der anorganischen Säuren sind auch hochkorrosiv und sind daher aus offensichtlichem Grund nicht bevorzugt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, wird das Auflösen des Rohmaterials bevorzugt bei erhöhter Temperatur durchgeführt, wie zum Beispiel bei einer Temperatur von 80 bis 100°C, bevorzugt während gleichzeitigem Rühren, um den Auflösungsvorgang zu erleichtern. Das Auflösen findet in einer Zeitspanne von 1 bis 2 h bis zu 20 h statt, abhängig vom verwendeten Lösungsmedium und dem Feststoffgehalt der Lösung. Es wird bevorzugt eine Menge an Ausgangsmaterial in der Lösung aufgelöst, um eine Metalloxid enthaltende Lösung zur Verfügung zu stellen, die vorteilhafterweise mehr als 1 Gew.-%, bevorzugt 5 bis 60 Gew.-% an Trockenmasse enthält, was für die anschließende Verwendung als Bindemittel eine geeignete Konzentration darstellt. Nach vollständiger Auflösung nukleiert das Material und fällt wieder aus, um eine Dispersion mit der gewünschten Teilchengröße zu bilden. Die anschließende Stabilisierung der Dispersion wird durch Herstellen von elektrostatischer Abstoßung zwischen den Teilchen, in der Lösung, herbeigeführt. Die elektrostatische Abstoßung zwischen den Teilchen kann zum Beispiel durch Bereitstellen geeigneter Ionen in der Lösung bewirkt werden, oder durch Ändern des pH-Wertes der Lösung. Falls nötig, kann zusätzliches Wasser hinzugegeben oder entfernt werden, z. B. durch Verdampfen, falls nötig, zum Beispiel zum Einstellen der Viskosität der erhaltenen Lösung.
Die Stabilisierung kann auch unter Verwendung geeigneter grenzflächenaktiver Mittel und/oder Polymere erreicht werden, insbesondere nicht-ionische. Nicht-ionische grenzflächenaktive Mittel und Polymere können in einigen Fällen bevorzugt sein, da sie nicht sehr empfindlich gegenüber einer Umgebung sind, die hohe Konzentrationen an Elektrolyten und anderen Chemikalien enthält, insbesondere falls die Innenstärke hoch ist. Beispiele für geeignete Polymere sind Polyethylenoxid und Polyethylenglycol. Beispiele für geeignete grenzflächenaktive Mittel sind Nonylphenole, Tween und Span. In einem typischen Fall werden derartige grenzflächenaktive Mittel und Polymere in einer Menge von 0,5 bis 2,5 Gew.-% verwendet, bezogen auf den Gesamtfeststoffgehalt der Lösung. Wie vorstehend erwähnt, kann die Teilchengröße der Dispersion durch Einstellen des pH-Wertes eingestellt werden.
Erfindungsgemäß ist es daher möglich, Dispersionen zur Verfügung zu stellen, die vor allem Siliciumdioxid in Kombination mit anderen aus dem Ausgangsmineralmaterial stammenden Metalloxiden enthalten, wie zum Beispiel Calciumoxid, Magnesiumoxid, Aluminiumoxid und möglicherweise weitere Metalloxide in kleineren Mengen. Es ist auch möglich, die Reaktionsbedingungen einzustellen, so dass Dispersionen mit einer gewünschten Teilchengröße erhalten werden. Die so erhaltenen Dispersionen können entweder direkt nach der Bildung, oder nur unmittelbar vor der Anwendung, zum Beispiel vor der Anwendung der Dispersion als Bindemittel auf Mineralfasern in der Mineralwolleherstellung, in ein Gel umgewandelt werden. Die Dispersion kann auch in ein Gel umgewandelt werden, falls erhitzt oder Wasser verdampft wird, wenn das Endprodukt geformt wird.
Die für jeden speziellen Zweck zu verwendende Menge an Dispersion kann durch den Fachmann leicht bestimmt werden. Als Beispiel kann angeführt werden, dass bei der Verwendung als Bindemittel in der Mineralwolleherstellung die Menge an Bindemittel im Allgemeinen etwa 1 bis 15 Gew.-% beträgt, berechnet als Trockensubstanz, bezogen auf das Produktgewicht, für ein gewöhnliches Isolierprodukt, aber es ist natürlich möglich, größere und kleinere Mengen abhängig vom gewünschten Produkt und der Reaktivität des Bindemittels zu verwenden. Bei der Verwendung als Bindemittel in Anwendungen für Gießereiformen wäre eine typische Menge etwa 1 bis 15 Gew.-%, wie zum Beispiel 1 bis 5 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht der Charge.
Die nachfolgenden Beispiele veranschaulichen die Erfindung, ohne sie einzuschränken. Prozentangaben sind Gewichtsprozent, außer es ist anders vermerkt.
Beispiel 1
Das erfindungsgemäße Bindemittel kann folgendermaßen hergestellt werden.
7,5 g Mineralfasern, die 42,1% SiO₂, 17,4% Al₂O₃, 17,3% CaO, 13,7% MgO, 5,8% FeO, 1,6% Na₂O, 0,6% K₂O enthalten, wobei der Restbetrag Verunreinigungen sind, mit einem Faserdurchmesser von 3 bis 4 μm und einer Faserlänge von 3 bis 10 mm, werden mit 100 mL einer 5 M Ameisensäurelösung vermischt. Zum Mischen sollte ein High Shear Mischer verwendet werden, um wirksames Vermischen zu gewährleisten und um den Auflösungsvorgang zu beschleunigen. Das Auflösen ist in der Regel in 1 bis 2 h beendet. Wenn die Fasern vollständig aufgelöst sind, wird eine kleine Menge an Polymer, wie Polyethylenglykol mit einer Molmasse von 1000 bis 10000 zugegeben, etwa 1 Gew.-% bezogen auf den Gesamtfeststoffgehalt der Lösung. Während der Zugabe des Polymers wird die Lösung fortwährend gemischt, um die gebildeten Teilchen zu stabilisieren. Durch Verändern der Menge an Polymer und der Zugabezeit, d. h. des Zeitpunktes, zu dem sich alle Fasern aufgelöst haben, kann die Größe der Solteilchen verändert werden, um optimale Gelbildungs- und Bindemitteleigenschaften zu erhalten. Das kolloidale Teilchensol wird anschließend kontinuierlich weiter gemischt, um sicherzustellen, dass das Polymer an der Oberfläche der Teilchen adsorbiert wird.
Im Falle der Verwendung als Bindemittel zur Herstellung von Mineralwolleprodukten, kann das so hergestellte Bindemittel in üblicher Weise durch Sprühen auf Mineralfasern aufgebracht werden. Das Bindemittel wird getrocknet und überschüssiges Wasser wird durch Erhöhen der Temperatur auf etwa 150°C ausgetrieben.
Das Bindemittel kann auch als Bindemittel in einem Brikett verwendet werden durch Mischen des Bindemittels mit fein gemahlenem mineralischen Rohmaterial in einem Mischer, zum Beispiel einem Henschel-Mischer. Es kann von Vorteil sein, eine kleine Menge Wasser zum Formen des Gemisches in Formen zuzugeben. Trocknen wird durch Erhöhen der Temperatur erreicht, Lufttrocknen ist aber auch möglich.
Beispiel 2
2,1 g Fasern mit einer Zusammensetzung, die derjenigen aus Beispiel 1 entspricht, wurden in 100 mL 1 M Ameisensäure gelöst. Nach dem Auflösen der Fasern wurde die Lösung zentrifugiert, um die Verunreinigungen zu entfernen. Die Probe wurde anschließend unter Verwendung von Lichtstreumessungen untersucht. Eine Nukleation primärer Teilchen fand in der Lösung statt, und die Teilchen zeigten ein stetiges Wachstum, das heißt eine Größenzunahme mit der Zeit, wie aus der anhängenden 1 ersichtlich ist.
Falls die Dispersion nicht stabilisiert wird, wird im Lauf der Zeit Gelbildung erfolgen, wie aus der anhängenden 2 ersichtlich, die Versuche veranschaulicht, welche durch Auflösen von 1,15 g Fasern mit der vorstehend angegebenen Zusammensetzung in 100 mL Ameisensäure verschiedener Konzentrationen durchgeführt wurden. Wie aus 2 ersichtlich ist, schwankt die Gelbildungszeit zwischen 5 und 12 Tagen.
Um das Verhalten des pH-Wertes als Funktion der Zeit zu untersuchen, wurden 1,15 g Fasern mit der vorstehend angegebenen Zusammensetzung in 100 mL Essigsäure verschiedener Konzentrationen gelöst, wie in 3 angegeben. Der Gleichgewichts-pH-Wert wurde innerhalb einiger Stunden erreicht, darauf hindeutend, dass das Fasermaterial aufgelöst war. Geringere Konzentrationen an Säure ergaben einen höheren pH-Wert, darauf hindeutend, dass weniger Säure in der Lösung verblieb. Bei höherer Konzentration an Säure blieb mehr Säure nach dem Auflösen der Fasern zurück, wodurch der pH-Wert auf niedrigerem Stand gehalten wurde.
Ein ähnlicher Versuch wurde durch Auflösen von 1,15 g Fasern (Durchmesser 3 bis 4 μm und Länge etwa 3 bis 10 mm) mit der vorstehend angegebenen Zusammensetzung in 100 mL Ameisensäure verschiedener Konzentrationen durchgeführt. Bei niedriger Konzentration betrug die erforderliche Auflösungszeit etwa 15 bis 20 h. Wenn die Konzentration erhöht wurde, nahm die Auflösungszeit auf 1 bis 2 h ab.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer kolloidale Silikatdispersion, die Siliciumdioxid und Aluminiumoxid enthält, umfassend – Auflösen eines teilchenförmigen mineralischen Materials, das Siliciumdioxid und Aluminiumoxid in einem molaren Verhältnis im Bereich von 2 bis 12 enthält, in einer wässrigen Lösung, um eine Lösung zu bilden, die nukleierte wiederausgefällte Teilchen des Materials enthält, – Stabilisieren der so erhaltenen Lösung, um eine Dispersion zu bilden, und – gegebenenfalls Einstellen des Trockenstoffgehalts der Dispersion.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das teilchenförmige mineralische Material eine glasartige amorphe Struktur aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das molare Verhältnis von Siliciumdioxid zu Aluminiumoxid im Bereich von 2,5 bis 8, vorzugsweise von 3,5 bis 6, liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das teilchenförmige mineralische Material ein oder mehrere Alkalioxide enthält und das molare Verhältnis von Siliciumdioxid zur Summe der Alkalioxide im Bereich von 10 bis 350, vorzugsweise von 15 bis 150, liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das teilchenförmige mineralische Material Calcium- und/oder Magnesiumoxid und/oder Eisenoxid enthält, wobei das molare Verhältnis von Siliciumdioxid zur Summe von Calciumoxid, Magnesiumoxid und Eisenoxid (als FeO) im Bereich von 0,5 bis 2, vorzugsweise von 0,6 bis 1,5, liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das teilchenförmige mineralische Material 35 bis 45 Gew.-% SiO₂ und 8 bis 25 Gew.-% Al₂O₃ enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das teilchenförmige mineralische Material, berechnet als Gew.-%, enthält: SiO₂ 35 bis 45 Al₂O₃ 10 bis 25 R₂O 0,2 bis 3,

wobei R Na oder K bedeutet.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das teilchenförmige mineralische Material, berechnet als Gew.-%, enthält: CaO 12 bis 35 MgO 6 bis 20 FeO 2 bis 10.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das teilchenförmige mineralische Material, berechnet als Gew.-%, enthält: SiO₂ 35 bis 45 Al₂O₃ 8 bis 13 R₂O 0,2 bis 1,

wobei R Na oder K bedeutet.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das teilchenförmige mineralische Material, gerechnet als Gew.-%, enthält: CaO 30 bis 40 MgO 5 bis 11 FeO (Gesamteisen) 0,1 bis 1.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das teilchenförmige mineralische Material ein Mineralfaserprodukt, ein Abfallprodukt der Mineralfaserproduktion, wie z.B. Spinnreste, ungenutzte Fasern oder Produkte, sowie Mineralfaserprodukte nach Gebrauch durch den Verbraucher, ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Lösung durch Änderung des pH-Werts oder durch Änderung des elektrolytischen Charakters der Lösung stabilisiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Lösung durch grenzflächenaktive Mittel und/oder Polymere stabilisiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die wässrige Lösung eine Lösung einer anorganischen oder organischen Säure, vorzugsweise eine wässrige Lösung mit einer Säure, ausgewählt aus HCl, HNO₃, H₂SO₄, H₃PO₄ oder einer organischen Säure, wie z.B. Ameisen-, Essig- und Propionsäure, ist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Säure Ameisen-, Essig- oder Propionsäure ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die wässrige Lösung eine alkalische Lösung ist.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das alkalische Lösung eine Alkali- oder Ammonium- oder eine Erdalkalimetallhydroxid-, Carbonat- oder Hydrocarbonatlösung ist, vorzugsweise ausgewählt aus Natrium-, Kalium-, Lithium- oder Ammonium-, oder Calcium- oder Magnesiumhydroxidlösung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei die Dispersion auf einen Trockenstoffgehalt von 5 bis 60 Gew.-% eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei die Auflösung bei einer Temperatur von 80 bis 100°C, vorzugsweise unter Rühren, stattfindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, umfassend den zusätzlichen Schritt des Bildens eines Gels aus der Dispersion.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei die Gelbildung durch Änderung des pH-Werts und/oder durch Zugabe eines Salzes, und/oder durch Entfernen von Wasser aus der Dispersion erreicht wird.