DEP0030103DA - Verfahren zur Herstellung von porösen keramischen Formkörpern - Google Patents

Description

Es ist bekannt, poröse keramische Formkörper nach dem sogenannten Ausbrennverfahren herzustellen. Hierbei wurden der angeteigten Masse der Ausgangsstoffe organische Substanzen einverleibt, die während des Brandes Hohlräume hinterlassen. Auf diese Weise ist es jedoch schwierig, eine einheitliche feine Struktur zu erhalten, die für verschiedene Verwendungszwecke notwendig ist. Das kann darauf zurückgeführt werden, dass die Verteilung des organischen Stoffes in der für eine feine Struktur erforderlichen Gleichmässigkeit Schwierigkeiten verursacht. Es ist ferner bekannt, zur Herstellung von porösen Formkörpern aus hydraulischen Bindemitteln Gastreibmittel zur Erzeugung von künstlichen Poren zu verwenden. Die auf diesem Gebiet gesammelten Erfahrungen lassen sich jedoch nicht auf das keramische Gebiet, bei dem unter ganz anderen Bedingungen gearbeitet wird, übertragen. An Stelle des Abbindens in der Kälte bei hydraulischen Bindemitteln zur Herstellung von Baustoffen erfolgt die Verfestigung in der Keramik bekanntlich in einem Brennprozess bei hoher Temperatur, z.B. bei 1000-1450°.

Es wurde nun gefunden, dass man zu ausgezeichneten porösen keramischen Formkörpern aus tonsubstanzhaltigen Ausgangsstoffen gelangt, wenn man die künstliche Porosität auf chemischem Wege durch Gastreibung vor dem Brande erzeugt. Hierbei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, einen wesentlichen Teil des verwendeten Tones und/oder Kaolins zweckmässig bis zur Entfernung des Hydratwassers vorzuglühen. Diese Erhitzung kann z.B. bei einer Temperatur von 700-800° erfolgen und eine bis mehrere

Stunden dauern. Geht man z.B. von Rohton aus, so hat es sich als günstig erwiesen, etwa 60-70% des Rohtones vorzuglühen. Sehr gute Ergebnisse werden erzielt, wenn man dem Rohton etwa 25% Kaolin zusetzt, der nicht vorgeglüht zu werden braucht. Mit besonderem Vorteil bedient man sich der Massnahme des Vorglühens bei Verwendung von fetten hochtonsubstanzhaltigen Ausgangsstoffen. Hierbei werden auch eine besonders feine Mikrostruktur des Fertigproduktes und ein besonders niedriges Raumgewicht erzielt. Geht man von mageren Tonsubstanzen aus, kann der Anteil des vorgeglühten Tones herabgesetzt werden, z.B. bis auf 10-20%.

Es war nicht vorauszusehen, dass man durch Vorglühen eines Teiles der tonsubstanzhaltigen Ausgangsstoffe, d.h. mit einer Massnahme, die etwa einer künstlichen Magerung entspricht, zu guten Ergebnissen gelangen würde, da es in der Keramik für ähnliche Zwecke stets als Vorteil angesehen wurde, möglichst fette plastische Tone als Ausgangsstoffe zu verwenden.

Zur Erzeugung einer für gleichmässige Porosität ausreichenden Standfestigkeit und Strukturbeständigkeit in der angeteigten Mischung und während der Trocknung hat es sich ferner als vorteilhaft erwiesen, Stellmittel zuzusetzen. Hierfür können zwar auch die in der Keramik bekannten Stellmittel verwendet werden, bessere Ergebnisse wurden jedoch mit organischen Stoffen erzielt, die zur Erhöhung der Viskosität und Bildsamkeit der Mischung beitragen. Der Zusatz artfremder organischer Stoffe wurde bisher in der Keramik bei der Verwendung von tonsubstanzhaltigen Ausgangsstoffen als unerwünscht angesehen. Es hat sich jedoch wider Erwarten gezeigt, dass sich vor allem hochmolekulare vorzugsweise wasserlösliche organische Substanzen wie Tylose, Xylose, klebstoffartige Produkte <Nicht lesbar> tierischer Lehm, kleberhaltige Stoffe u.dgl. für das Verfahren gemäss der Erfindung sehr gut eignen. Im allgemeinen genügen geringfügige Zusätze derartiger Stoffe bis zu 1%, jedoch kann diese Grenze je nach dem verwendeten Stoffe und der gewünschten Beschaffenheit des herzustellenden Formkörpers auch überschritten werden. Zweckmässig werden diese Stellmittel gelöst oder emulgiert in Wasser zugesetzt.

Die künstliche Porosität der gemäss der Erfindung hergestellten keramischen Formkörper kann mit den üblichen Gastreibmitteln erzeugt werden. So können z.B. Stoffe verwendet werden, die Kohlendioxyd entwickeln, wie z.B. Ammoniumkarbonat oder andere Karbonate. Man kann auch Metallpulver verwenden, die mit Säuren oder Alkalien Wasserstoff entwickeln, wie z.B. Zink und Aluminium. Die Gasentwicklung erfolgt jedoch gemäss der Erfindung stets in der Ausgangsmischung, d.h. vor dem Brande.

Besonders günstige Ergebnisse wurden mit Perverbindungen, die sich unter Sauerstoffentwicklung zersetzen, insbesondere mit Wasserstoffsuperoxyd, erzielt. Hierbei kann die Gasentwicklung auf katalytischem Wege z.B. durch Zusatz von Metallsalzen wie Mangansulfat, gegebenenfalls auch Mischungen von Zersetzungskatalysatoren beschleunigt werden. Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann in der Mischung aus dem gelösten Mangansulfat mit Ammoniak Manganhydroxyd ausgefällt werden, das durch das zugesetzte Wasserstoffsuperoxyd zu Braunstein oxydiert wird und die Zersetzung des Wasserstoffsuperoxyds beschleunigt. Zur Beeinflussung der Blasengrösse und ihrer Erhaltung können mit Vorteil Stoffe zugesetzt werden, die die Oberflächenspannung herabsetzen und blasenstabilisierend wirken. Hierzu gehören z.B. Seite, Saponin, Albumin u.dgl. Man kann auch Stoffe wie Blutmehl verwenden, die neben der blasenstabilisierenden Wirkung gleichzeitig die Zersetzung von Wasserstoffsuperoxyd katalytisch beschleunigen. Auch diese Zusätze bewegen sich in geringen Mengen, im allgemeinen bis zu 1%. So erhält man z.B. aus 3 Gewichtsteilen fettem Ton, der zu etwa 70% bei 800° vorgeglüht wurde, und einem Gewichtsteil nicht vorgeglühtem Kaolin mit in der Mischung ausgefällten Braunstein, geringen Zusätzen von <Nicht lesbar> als Stellmittel und Seite als Blasenstabilisator poröse Formkörper, deren Raumgewicht auf 0,35 heruntergehen kann bei einer Druckfestigkeit von etwa 30 kg/qcm.

Die auf diese Weise hergestellten Formkörper können eine sehr vielseitige technische Verwendung finden. So kann man z.B. ausgezeichnete feuerfeste Leichtsteine für die Ofenbautechnik erzeugen, die dank ihrer hohen Porosität eine sehr weitgehende

Wärmeisolierung gewährleisten und sowohl zur Innenauskleidung wie auch zur Hintermauerung der Öfen verwendet werden können.

Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung kann man auch Formkörper herstellen mit einer in einer Richtung abnehmenden Porosität. Dies kann insbesondere von Vorteil sein bei feuerfesten Leichtsteinen in der Ofenbautechnik, wobei die dem Feuer zugekehrte Seite die geringere Porosität aufweist. Auch für andere Zwecke, z.B. bei der Herstellung von Filtermassen, eignen sich derartige Formkörper mit abgestufter Porosität. Zur Erzielung solcher Körper kann der Treibprozess in mehreren Arbeitsgängen erfolgen. So kann z.B. eine Schicht der Ausgangsmischung durch entsprechend bemessenen Zusatz des Gastreibmittels bis zu einer vorbestimmten niedrigeren Porosität getrieben werden. Hierauf wird die nächste Schicht aufgebracht, die dank eines höheren Gehaltes an Treibmittel eine höhere Porosität ergibt. Je nach der gewünschten Abstufung der Porosität im herzustellenden Formkörper kann dieser Vorgang mehrfach wiederholt werden.

Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung können der Ausgangsmischung Zuschläge mit verhältnismässig grobem Korn einverleibt werden, die bei einer entsprechenden Einstellung der Viskosität der Mischung das Bestreben zeigen, durch die Masse zu Boden zu sinken, und damit eine Zunahme der Dichte bzw. Abnahme der Porosität in der Sinkrichtung bewirken. Dieser Effekt kann begünstigt werden, wenn die Zuschläge so gewählt werden, dass sie ein höheres spezifisches Gewicht als die übrigen Bestandteile der Mischung aufweisen, z.B. dicht gebrannte oder geschmolzene keramische Ausgangsstoffe.

Geht man nicht von Ton sondern nur von Kaolin aus, so kann gemäss der Erfindung die gleiche Arbeitsweise angewendet werden. Auch in diesem Fall ist es von Vorteil, einen Teil des Kaolins vorzuglühen. Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass man aus Kaolin und den zur Herstellung von Porzellanmassen üblichen Zusätzen wie Feldspat, Quarz usw. zu prozellanartigen Formkörpern mit hoher Porosität gelangen kann. So kann man z.B. eine Porosität von bis zu 90% und darüber erzielen. Hierbei wurde beobachtet, dass mit abnehmendem Gehalt an Kaolin bzw. zunehmendem Anteil an Feldspat die Poren in zunehmendem Masse eine geschlossene zellenartige Struktur aufweisen.

Die Herstellung poröser Porzellanmassen auf diesem Wege ist neuartig. In der Porzellanindustrie war man bisher bestrebt, möglichst dichte porenfreie Scherben zu erzeugen. Dagegen ist es nach dem Verfahren gemäss der Erfindung möglich, Porzellangegenstände, z.B. Gefässe wie Butterdosen, Kannen usw. mit hoher Porosität und damit einer vorzüglichen Wärmeisolierung herzustellen. Derartige Gegenstände können je nach Wunsch mit einer Glasur versehen werden.

Ferner eignet sich das neue Verfahren auch für die Herstellung von industriellen Erzeugnissen vielerlei Art, wie Aufsaugmaterial, Diaphragmen, Trägerstoffen für Katalysatoren, Isolierplatten, feuerfeste Geräte usw.

Beispiele:

1.) Eine Mischung, bestehend aus

150 g Kaolin

420 g Blauton, von dem 120 g bei 800°C bis zur Entfernu8ng des Hydratwassers kurze Zeit geglüht wurden, werden mit 600 ccm Wasser mit einem Zusatz von 5 ccm einer 2%igen Mangansulfatlösung angeteigt. Hierauf erfolgt ein Zusatz von

10 ccm einer 2%igen Tyloselösung

50 ccm einer 1%igen Seifenlösung und

15 ccm einer 35 Gew.-%igen Wasserstoffsuperoxydlösung.

Die Zugabe von 10 ccm konz. Ammoniak löst die Gasentwicklung aus, worauf die Masse verformt und getrocknet wird. Der gebrannte Formling weist bei einem Raumgewicht von 0,365 kg/l eine Kaltdruckfestigkeit von 28,7 kg/cm(exp)2 und eine Feuerbeständigkeit von 1300°C auf und zeichnet sich durch eine völlig gleichmässige Porosität aus.

Die Formkörper können mit Vorteil als feuerbeständige Leichtsteine Verwendung finden.

2.) Material für Filter

In 130 ccm Wasser werden 25 mg krist. Mangansulfat gelöst und damit eine Mischung bestehend aus 120 g Kaolin, von dem 50 g bei 750°C entwässert wurden, 6 g Quarzmehl und 30 g Feldspat angeteigt. Nachdem 10 ccm Seifenlösung von 1% und 12 ccm <Nicht lesbar> zugerührt sind, erfolgt die Zugabe von 5 ccm Wasserstoffsuperoxyd 35 Gew.-% als Treibmittel, das seinen Sauerstoff nach dem Zumischen von 2 ccm Ammoniak konz. abgibt. Nach dem Vergiessen in saugfähige Formen, Trocknen und Brennen bei 1250°C wird ein Körper vom Raumgewicht 450 g/l erhalten, der kommunizierende Poren aufweist, sodass er über eine grosse Aufsaugefähigkeit verfügt, die sich auf etwa 80V% beläuft. Das auf diese Weise hergestellte Erzeugnis eignet sich z.B. sehr gut als Filtermaterial.

Wird der Gehalt an Feldspat bzw. Quarz erhöht bei gleichbleibender Menge Kaolin, so wandelt sich die offene kapillare Porosität in zunehmendem Masse in eine geschlossene zellenförmige Struktur um.

Claims (7)

1.) Verfahren zur Herstellung von porösen keramischen Formkörpern, dadurch gekennzeichnet, dass man tonsubstanzhaltige Ausgangsstoffe durch Gasentwicklung auf chemischen Wege mit Hilfe von Treibmitteln treibt und anschliessend brennt.

2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die tonsubstanzhaltigen Ausgangsstoffe z.B. Ton und/oder Kaolin zu einem wesentlichen Teil, z.B. 20-70%, zweckmässig bis zur Entfernung des Hydratwassers, vorgeglüht werden, und zwar ein umso höherer Anteil, je fetter die angewandte Tonsubstanz ist.

3.) Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangsmischung stellmittelartige Stoffe in geringen Mengen, vorzugsweise hochmolekulare Stoffe wie Tylose, <Nicht lesbar> tierischer Leim, kleberhaltige Stoffe u.dgl. zugesetzt werden.

4.) Verfahren nach Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gastreiben mit Hilfe von Wasserstoffsuperoxyd zweckmässig in Gegenwart von Zersetzungskatalysatoren wie Braunstein, der vorteilhaft in der Ausgangsmischung ausgefällt wird, erfolgt.

5.) Verfahren nach Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass durch geeignete Massnahmen wie Gastreiben in mehreren Arbeitsgängen oder Verwendung von grobkörnigen Zuschlägen, die das Bestreben haben, in der Mischung zu Boden zu sinken, Formkörper mit abgestufter bzw. in einer Richtung abnehmenden Porosität hergestellt werden.

6.) Verfahren nach Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass poröse porzellanartige Gegenstände wie Gefässe und Geräte mit hoher Wärmeisolierung hergestellt werden, die gegebenenfalls mit einer Glasur versehen werden.

7.) Verfahren nach Ansprüchen 1-6, gekennzeichnet durch die Herstellung von feuerfesten Leichtsteinen mit künstlicher Porosität für die Ofenbautechnik.