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Verfahren zur Herstellung eines Baustoffes aus Aluminiumhydrosilikat
und einer Erdalkalibase Die Erfindung betrifft ein neues Material, das chemische
und physikalische Eigenschaften besitzt, die es besonders für dekorative und ornamentale
Zwecke, aber auch für Bauzwecke u. dgl. geeignet macht, und ein Verfahren zur Herstellung
dieses Materials.
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Die Erfindung beruht auf der neuen Erkenntnis, daß unerwarteterweise
unter geeigneten Bedingungen eine unmittelbare Reaktion zwischen basischen alkalischen
Erden und den sauren Aluminiumhydrosilikaten, der sog. Tonsubstanz, den Tonmineralien,
Schiefer, Schiefertone, gewisser Tone, stattfindet, was ein neues Material von neuen
wertvollen Eigenschaften ergibt.
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Maßgebend für diese Reaktion sind, wie noch des näheren auseinandergesetzt
-werden wird, die Temperaturen und die Anwesenheit einer bestimmten optimalen Menge
Wasser in dem Gemisch alkalischer Erden und Tonmineralien. Das Wasser -wird nach
Erfordernis -während des Mischprozesses der Ausgangsmaterialien beigegeben und vor
dem Härtüngsprozeß innig eingemengt, wobei es als eine notwendiggeKomponentedesProduktes
während des Härtungsprozesses in ihm verbleibt.
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Das Erhitzen der Reaktionsmasse auf die erforderliche Temperatur kann
durch beliebige geeignete Maßnahmen herbeigeführt werden, wobei Vorsorge dafür zu
treffen ist, Verluste des .dem Gemisch beigegebenen und für die Durchführung derReaktion
zwischen Base und Säure erforderlichen Wassers zu vermeiden. Ein zufri.edenstellendes
Erhärten derMasse kann erzielt werden: a) durch die Verwendung von Dämpfen, b) durch
Erhitzen in offenen Kesseln, c) in einem Kohlenwasserstofföl, d) in einer wäßrigen
Lösung von geeignetem Siedepunkt, e) mittels eines Ofens, der von außen beheizt
wird, unter gleichzeitigem Einleiten von Dampf, der unter Atmosphärendruck in den
Ofen eingepreßt wird, um eine übermäßige Verdampfung des Wassers aus der Masse zu
verhindern.
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Erhitzt man die Masse im Ofen, ohne Dampf einzuführen, so gelingt
der Erhärtungsprozeß nicht.
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Im nachfolgenden wird das Verfahren beispielsweise beschrieben unter
Bezugnahme auf Aluminiumhydrosilikat (A120, z Si02, 2H20), das Produkt, das in den
Tonmineralien am häufigsten vorkommt, wobei es sich versteht, daß die in Betracht
kommende Reaktion auch bei Tonen von etwas abweichender Zusammensetzung in entsprechender
Weise vor sich geht.
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r. Die wesentlichen Ausgansmaterialien zur Ausführung des Verfahrens
sind die folgenden: a) mineralische Substanzen, Schiefer, Schieb fertone, gewisse
Tone verschiedener Herkunft, b) Kalk, gebrannte Magnesia oder andere alkalische
Erden, c) Wasser, das den genannten Stoffen als notwendige Beigabe während des Miscbens
zugefügt wird.
Mineralische Schiefer werden verwendet, die weitverbreitet
in Lagern .beträchtlicher Ausdehnung vorkommen und eine gleichmäßige Zusammensetzung
und den richtigen Reinheitsgrad aufweisen. Vorzugsweise wird man solche Schiefer
verwenden, die in sehr reinem Zustande vorkommen und kein freies Siliciumdioxyd
oder andere Beimischungen enthalten.
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Es empfiehlt sich, das Ausgangsmaterial, z. B. Schiefertone, zu trocknen,
bis es höchstens solo Wasser enthält oder gegebenenfalls bis es wasserfrei wird.
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2. Der Schieferton wird in irgendeiner geeigneten Weise fein vermahlen
oder gepulvert und mit Kalk oder Magnesia in einem Verhältnis von etwa i Mol. Base
zu 2 Mol. Säure gemischt.
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Geht man von einem Gemisch von 314 Teilen trockener Komponenten aus,
so werden beispielsweise etwa 56 Teile Kalk und 258 Teile Säure (A1203, 2Si02, 2H20)
und 78 bis 169 Teile Wasser verwendet. Bei 314 Teilen Trockengut beträgt dann die
Menge Wasser 2o bis 35%. Sie richtet sich nach dem kolloidalen Zustand des Minerals.
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Sollte einmal mehr Wasser zugegeben werden als die Menge, die für
die Erhärtung die besten Ergebnisse ergibt, so kann der Überschuß leicht durch Verdampfen
entfernt werden. Andererseits kann, wenn zu-wenig Wasser zu der Mischung zugegeben
war, keine weitere Menge nach der Verformung zugegeben werden. Bei Verwendung von
Magnesia an Stelle von Kalk werden etwa folgende Proportionen verwendet: 4o Teile
Magnesia, 258 Teile Säure und 74 bis 16o Teile Wasser. Selbstverständlich können
die für die verschiedenen Säuren benötigten Mengen an Basen schwanken.
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In gern Mineral Anorthit (A1203, 2 Si 02, Ca0) beträgt der Gehalt
an Ca0 2o0/0, während der Gehalt an Kalk im Chabazit (A1203, 5 Si 02, Ca 0,
7H20) 9,5'1, beträgt.
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3. Das Vermengen der Base mit dem Mineral geschieht nach bekannten
Methoden trokken oder in feuchtem Zustand. In jedem Falle beträgt die Wassermenge,
die in 'der Masse zur Durchführung -der darauffolgenden Reaktion erforderlich ist,
etwa 2o bis 330/0 (auf das Trockengewicht der festen Reaktionsteilnehmer berechnet).
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Im besonderen Falle der obenerwähnten Schiefer .genügen 2o bis 250/0
zur leichten Durchführung des Verfahrens. Werden höherkolloidale Tone verwendet,
so kann der Wassergehalt 25 bis 35% betragen.
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Die so angerührte Masse kann in Formen gegossen oder in anderer Weise,
von Hand oder mechanisch, in geeignete Formen gebracht werden, wie es in der keramischen
Praxis üblich ist. Die so verformte Rohmasse besitzt vor dem Härtungsprozeß genügende
Festigkeit und Zähigkeit, um. auf der Drehbank oder der -scheibe geformt, modelliert
oder sonstwie bearbeitet zu werden. ' .
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4. Das Härten der geformten Masse geschieht durch Erhitzen, wobei
in der Masse ein im wesentlichen konstanter Wassergehalt aufrechterhalten wird.
Ein Überschuß von Wasser über das Optimum verursacht Blasenbildung und Zerbröckeln;
Wassermangel ergibt ein weiches und kreidiges Produkt.
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Das Verfahren kann in folgender Weise durchgeführt werden: Zur Herstellung
des neuen Baumaterials wird die Erdalkalibase, vorzugsweise Kalk ,oder Magnesia,
mit fein gemahlenem Mineral, das ganz oder teilweise aus saurem Aluminiumhydrosilikat
besteht, und einer zum vollständigen Ablauf der Reaktion ausreichenden Menge Wasser
gemischt und dann verformt. Die Formlinge werden unter solchen Bedingungen erhitzt,
unter denen der wesentliche Wassergehalt der Masse nicht verändert wird, bis die
Masse durch die Reaktion in das Produkt übergegangen ist, ein Produkt, das eine
hohe Druck- und Zugfestigkeit besitzt und gegen chemische Einflüsse widerstandsfähig
ist. Man kann auch die Erdalkalibase und das fein gemahlene Mineral mit Wasser vermengen
und das Gemisch in Gegenwart von Wasserdampf erhitzen, um die Reaktion zwischen
derBase, demAluminiumhydrosilikat und den Wasser auszulösen und das gewünschte Endprodukt
zu schaffen; oder die Erdalkalibase, das fein. garnahlene Mineral und die zur vollständigen
Durchführung der Reaktion ausreichende Wassermenge können gemischt und die Masse
mit Dampf bei etwa Atmosphärendruck gehärtet werden, bis sie .in das gewünschte
Material übergegangen ist.
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Die Härtung für kleine oder mittelgroße Stücke gehtleicht in i bis
4Stunden unter den beschriebenen Bedingungen vor sich. Für größere Stücke ist eine
längere Zeit erforderlich.
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Als Heizmittel wird vorzugsweise, aber nicht unbedingt notwendigerweise
Dampf benutzt; auch andere Mittel kommen als wirksam in Betracht, wie im vorhergehenden
beschrieben wurde. Die Wirkung von gespanntem Dampf auf die Einleitung chemischer
Reaktionen ist bekannt, insbesondere für die Silikattechnik, indessen weicht im
vorliegenden Falle die Verwendung des Dampfes von seiner Verwendung in allen anderen
Fällen ab, i. weil er im vorliegenden Falle hauptsächlich unter Atmosphärendruck
angewendet wird,
:. weil er als ein geeignetes, aber nicht als das
einzige Mittel für die Aufheizung benutzt wird.
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In der Praxis wird eine gute Härtung durch die Verwendung von Dampf
hauptsächlich beiAtinosphärendruck herbeigeführt; die entsprechende Temperatur beträgt
im wesentlichen zoo° C.
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Der Dampf kann durch Gegenstromheizung auf jede gewünschte Temperatur
gebracht werden, die der wechselnden ZusammensetzungderAusgangsmaterialienentspricht;
hierbei ist aber ein höherer Druck zu vermeiden und lediglich ein solcher Druck
anzuwenden, der einen guten Umlauf des Dampfes ermöglicht.
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Die verschiedenen Verfahrensstufen und Eigenschaften des Produktes,
die als neu angesehen werden, sind folgende: r. Die Reaktion zwischen deiner Erdalkalibase
und einem sauren Aluminiumhydrosilikat ohne besonders hohe Temperaturen und hohen
Druck. Bisher glaubten die maßgebenden Fachleute, daß Aluminiumhydrosilikate nur
wenig reaktionsfähig sind, während sie im vorliegenden Fall und unter geeigneten
Bedingungen leicht reagieren. 2. Der Einfluß von Wasser auf das Zustandekommen der
Reaktion. Bisher konnten die auf diesem Gebiet arbeitenden Forscher die Reaktion
nicht -zustande bringen, weil sie die Rolle nicht erkannten, die das Wasser dabei
spielt. Bei diesem Verfahren wird die Wirkung des Wassers zumAuslösen der Reaktion
zwischen, einer Erdalkaüb@ase und einem Aluminiumhydrosilikat in etwa der optimalen
Menge benutzt.
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3. Die niedrige Reaktionstemperatur. Bisher hat man angenommen, daß
Aluminiumhydrosilikate unterhalb von 300° C nicht reaktionsfähig sind; derartig
hohe Temperaturen wurden durch hochgespannten Dampf erreicht: Bei dem neuen Verfahren,
bei welchem Wasser in mehr oder weniger bestimmter Menge in der Masse als bestimmter
Reaktionsteilnehmer während des Erhitzens zurückbehalten wird, geht die Reaktion
schnell bei der niedrigen Temperatur von roo° C vor sich. Dabei ist es nicht erforderlich,
den Druck feiner zu regulieren, da im wesentlichen Atmosphärendruck angewendet wird.
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In der Praxis kann das Verfahren wegen Verschiedenheiten in der Kolloidstruktur
des Rohmaterials, den verschiedenen Feinheitsgraden und der Unmöglichkeit einer
genauen Regulierung des Wassergehaltes in einem Temperaturbereich von zoo bis z27°
C durchgeführt werden.
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q.. Unter den Struktur- und anderen Eigenschaften, welche das nach
diesem Verfahren hergestellte Produkt besitzt und die es von früheren Kunststeinen
unterscheidet, sind zu nennen: a) Es besitzt ein dichtes Gefüge und nimmt bei der
Verformung leicht den geringgten Druck auf; b) es ist heller als natürlicher Baustein
und gewöhnlicher Beton; c) es ist hart und nicht brüchig und .wird beim Aufprallen
eines harten Gegenstandes vor dem Bruch eingebeult, woraus seine hohe Schlagfestigkeit
im Vergleich reit anderen Werkstoffen dieser Art hervorgeht; d) es ist sehr beständig
gegen die Wirkung von starken Säuren und kochenden Alkalilös.ungen sowie gegenüber
anderen Einflüssen, die auf natürliche und künstliche Baustoffe schädigend .einwirken;
e) es ist hochfeuerbeständig; f) es hat eine Durchschnittsdruckfestigkeit, die höher
ist als diejenige fast aller natürlichen und künstlichen Baumaterialien; g) es kann
leicht geschnitten, behauen oder gesägt werden und nimmt Glanz an wie natürliche
Bausteine; h) es kann bei der Verformung gefärbt werden und behält die Farbe ohne
Veränderung, so daß es für dekorative Wirkungen sehr geeignet ist; i) es vereinigt
sich fest mit Metallen und anderen Stoffen und ist daher gut zur Herstellung von
Verstärkungen o. dgl. Anbauten brauchbar.
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Bei Verwendung von Magnesia wird das Verfahren ebenso durchgeführt
wie mit Kalk in der oben beschriebenen Weise. Aber das bei Verwendung von Magnesia
erzielte Produkt scheint nochbeständigergegen chemische Einflüsse zu sein als das
mit Kalk hergestellte.
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Es kann ferner ein in geeigneter Weise geformter Körper bzw. eine
Schicht des Rohmaterials auf einen Körper oder eine Schicht von pflanzlichen oder
mineralischen Fasern oder Gemischen hiervon aufgebracht und in diesem Zustand gehärtet
werden. Während dieser Härtung und durch sie wird eine dauerhafte Verbindung zwischen
dem Produkt und der Fas,ers,chicht geschaffen, und sie werden untrennbar. Ein so
erzieltes Produkt kann als einheitliches Ganzes behandelt werden, das eine Außenschicht
von hartsteinartigem Charakter besitzt, die Hochglanz annehmen kann und welche hohe
Druckfestigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen die gewöhnlichen sauren Reagenzien
besitzt; die innere Schicht dieses Körpers -hat dagegen ganz anderen Charakter,
ist vorzugsweise faserig- elastisch, hat schlechte Wärmeleitfähigkeit und geringe
Schalleitung. Ein derartiges Produkt ist besonders geeignet zur Bekleidung
oder
zum Aufbau von Wänden, Decken und Fußböden von Gebäuden usw.
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Bei diesem Verfahren - werden die Ausgangsstoffe zur Herstellung des
Produktes ineder gleichen Weise, wie oben beschrieben, zur Härtung gemischt. Das
Fasermaterial kann in der Form hergestellt oder in sie gebracht werden, in welcher
es in dem Endprodukt erscheinen soll.
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Wenn die Mischung der Ausgangsmaterialien zur Herstellung der Schicht
aus dem Produkt zur Erhärtung bereit ist, wird sie, mit der Faserschicht in geeigneter
Weise in Berührung gebracht, zweckmäßig daraufgelegt, und zwar von Hand oder Maschine,
mit genügendem Druck, um eine gegenseitige Durchdringung der Berührungsflächen beider
Schichten herbeizuführen. Darauf wird die Masse durch gelinde Erhitzung gehärtet,
wie oben beschrieben, und nach der Erhärtung ist die Steinschicht unabtrennbar mit
der Faserschicht verbunden, und beide können als einheitlicher Körper behandelt
werden.
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Das Gesamtprodukt kann durch Sägen, Stanzen oAgl. zerteilt werden,
und die Steinschicht kann behauen oder gemeißelt werden. In derPraxis können beideSchichten
in jeder gewünschten Form hergestellt werden. Wird das Produkt in der Form flacher
Bogen hergestellt, so kann es als Paneel für Wände, Fußböden und Decken von Gebäuden
verwendet werden. Das Produkt kann auch in der Form von Ziegelsteinen hergestellt
und verlegt werden. Dies Produkt ist ein neuartiges kombiniertes Baumaterial, das
die Vorteile von hartsteinartigen äußeren Schichten mit elastischen, Hitze und Schall
schlecht leitenden inneren Schichten verbindet. Ein derartiger Baustoff verbindet
die Eigenschaften der Schall- und Wärmeisolierung mit einer @arnamental wirkenden
hartsteinartigen Oberfläche.
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Man hat bereits vorgeschlagen, Baustoffe, bestehend aus einem aus
einer Erdalkalibase, einem Aluminiumhydrosilikat und Wasser gebildeten und gehärteten
Produkt, herzustellen. Das bekannte Verfahren beruht auf der Anwendung von
hohen Drucken, welche gewöhnlich auch sehr hohe Temperaturen erfordern. Im Gegensatz
hierzu beruht das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung auf der Anwendung von
niederen Drucken und dementsprechend auch niederen Temperaturen. Gerade der geringe
Druck ist ein wesentlicher Faktor der vorliegenden Erfindung.