FI112606B - Murskaus- ja jauhatusmenetelmä - Google Patents

Description

112006

Murskaus- ja jauhatusmenetelmä

Keksinnön kohteena on menetelmä komposiittimateriaalin valmistamiseksi, jossa menetelmässä kiteistä tai 5 amorfista materiaalia murskataan tai jauhetaan.

Pinta on lähes kaikissa materiaaleissa hyvin tärkeä osa materiaalia. Voidaan sanoa jopa niin, että muu osa materiaalia on useimmiten vain pinnan alustana toimivaa osaa. Tyypillisenä esimerkkinä tästä voidaan mainita pul-10 verit sekä kuidut, joissa lujuus/massa jatkuvasti kasvaa kuidun pinta-alan kasvaessa eli halkaisijan aletessa.

Keraamisissa ja muissa materiaaleissa hienojakoisuus on olennaisin asia eli suuri pinta-ala/massa yksikkö.

Kiinteiden aineiden suhteen kaikki kemialliset re-15 aktiot ja fyysiset tartunnat tapahtuvat aina pinnalla.

Sanotun johdosta on kehitetty erilaisia jauhatus-tekniikoita, joissa pyritään saamaan aikaan yhä pienempiä partikkeleita eli suurempia pinta-aloja/massayksikkö.

Pinnoilla on monia ominaisuuksia, joista välttämättä 20 kaikki eivät yhtäaikaa ole positiivisia tai haluttuja, aiotun käyttötarkoituksen suhteen.

Yleisin materiaalin käsittelyssä tapahtuva pinnoit-"· tuminen tapahtuu itsestään, jopa niin että sitä on vaikea • estää. Tavallisimmin tämä tapahtuu ilman molekyylien, eri- ", 25 tyisesti hapen, asettuessa ohueksi, muutaman molekyylin * kerrokseksi juuri syntyneen pinnan päälle. Pinta tavallaan .! kontaminoituu.

Näin kaikkien pintojen erityisominaisuudet lähes automaattisesti muutetaan happimolekyylien modifioimaksi * ·' 30 pinnaksi, joiden kaikkien pintojen ominaisuudet lähenevät ',,,· toisiaan. Näin tapahtuu erityisesti useimmissa jauhatus- operaatioissa, jotka vallitsevan tavan mukaan tehdään il-makehässä.

Ilman molekyyleistä johtuvat kontaminaatiot, "pin-V.* 35 noitteet", ovat niin lujassa sanotuissa pinnoissa, että 112606 2 pitkäaikainen elektronisädepommitus tarvitaan vakuumissakin poistamaan adsorboitunut ilma jauhatuksessa syntyneeltä pinnalta.

Tiedetään, että juuri syntyneet pinnat ovat aktii-5 visempia kaikille pinnoille ominaisille reaktioille kuin "vanhat pinnat". Tälle ilmiölle löytyy useita selityksiä, jotka mahtuvat kahteen pääluokkaan.

1) Murtopinnassa on vapaita terminoitumattomia va-lenssej a; 10 2) Pinnalle ei ole ehtinyt asettua ilmasta kaasu- kerrosta, "eristeeksi", kontaminaatioksi.

Kemiallinen terminologia tuntee käsitteen "in statu nascendi", jolla tarkoitetaan "syntymätilassaan", jolloin on mahdollista saada aikaan jokin reaktio, adsorbtio jne. 15 nopeammin ja tehokkaammin kuin ilman tätä tilannetta. Siinä on kyse juuri samasta ilmiöstä kuin yllä olevat kaksi kohtaa.

Tämä keksintö koskee varsinkin jauhatusta ja materiaalin käsittelyä jauhatuksen yhteydessä seuraavaa pro-20 sessivaihetta varten.

Jauhettaessa kiteistä amorfista, kuten lasimaista, materiaalia, joka on haurasta ja kovaa ts. jauhettavaa, on • jauhatus vain välivaihe johonkin käyttöön, jota tälle ma- . teriaalille on aiottu seuraavassa vaiheessa.

.25 On ollut jo pitempiaikaisesti tunnettua jauhaa hel posti palavia jauheita suojakaasussa esim. räjähdysvaaran vuoksi. Suojakaasun tarkoituksena on ainoastaan eliminoida räjähdystä, vrt. US-patenttijulkaisu 3 937 405.

Keksinnön tarkoituksena on aikaansaada uusi mene-30 telmä, jossa estetään haitallisen transitiovyöhykkeen muo- ; dostuminen johdettavan materiaalin ja pinnoitemateriaalin , tai matriisimateriaalin välillä.

: Esillä oleva keksintö koskee menetelmää komposiitti materiaalin valmistamiseksi, joka materiaali käsittää 3 112606 hiukkasmaisen kiteisen tai amorfisen materiaalin ja matriisimateriaalin. Menetelmälle on tunnusomaista, että kiteistä tai amorfista materiaalia murskataan tai jauhetaan ympäristössä, jossa se on välittömässä 5 kosketuksessa nesteen kanssa, joka muodostaa matriisin, jolloin murskauksen tai jauhatuksen aikana muodostuville, kiteisen tai amorfisen materiaalin murtopinnoille tapahtuu fysikaalis-kemiallinen reaktio nestemäisen matriisimateriaalin kanssa.

10 Keksinnön mukaisen menetelmän suositeltavia suori tusmuotoja on esitetty oheistetuissa patenttivaatimuksissa 2 - 11.

Jauhatusta ympäröivä ympäristö on kaasu, neste tai liuos. Se voi myös olla nesteen ja kiinteän aineen seos, 15 kun murskauksessa tai jauhatuksessa halutaan estää ilma- kontaminaatiota. Esimerkkitapauksena betonin kiviaineksen murskaaminen sementtiliimassa tai asfalttikiviaineksen murskaaminen jossain bitumikomponentissa; molemmissa tapauksissa eliminoituu heikko, kontaminaatiosta johtuva 20 transitiovyöhyke, ja sidos kiviaineksen pintoihin paranee. Jauhatus on keksinnön mukaisessa menetelmässä edullisesti ; .* massiivista niin, että muodostuu paljon uusia murto- pintoja. Uusien murtopintojen osuus on tyypillisesti 10 - 1 000-kertainen ja jopa enemmän alkuperäisestä pinta-25 alasta.

Keksinnön mukaisella menetelmällä murskattavan tai jauhettavan materiaalin pinnalle saadaan tehokkaasti kiinnitetyksi materiaali, joka siihen halutaan kiinnittää. On huomattava, että prosessin luonteesta johtuen materiaali, 30 joka murskataan, voi olla ja on edullisesti suurikokoista (betonin valmistuksessa esim. 10 - 100 mm) eikä valmistettu tavan tuotteen tarvitse sisältää lähtöainetta tietyissä fraktioissa hyvän lopputuotteen aikaansaamiseksi, mikä on . katsottu tärkeäksi esimerkiksi betonin valmistuksessa.

4 112606 Näin ollen ominaisuuksiltaan hyvää betonia on aikaansaatavissa vaikka siinä on vain tietynkokoista kiviainesta. Suurikokoisen lähtöaineksen etuna betoninvalmistuksessa on myös se, että betoninvalmistuksessa haluttu tietty kosteus 5 on helposti aikaansaatavissa. Edelleen betonin valmistuksessa murskattavan kiviaineksen laatu voi olla, mitä yleensä katsotaan "huonoksi" eli sellaista, jonka pinta sisältää paljon aineita, jotka eivät tahdo tarttua sement-tiliimaan ja tämä johtuu siitä, että murskattaessa täl-10 laistakin kiviainesta saadaan paljon uutta murtopintaa, jonka päälle sementtiliima tarttuu hyvin. Voidaan jopa olettaa, että kiviaineksen murskaamisessa yleensä haitallisena koettu pöly keksinnön mukaisessa menetelmässä on etu, koska siihen sisältyy paljon uutta murtopintaa, jota 15 käytetään vahvojen haluttujen sidoksien muodostamiseen.

Keksintöä valaistaan seuraavassa muutamalla esimerkillä.

Esimerkki 1

Wollastoniittia jauhettiin tarkoituksena käyttää 20 sitä polystyreenimuovin täytejauheena. Tätä tarkoitusta varten jauhinlaite oli evakuoitu < 1 mmHg paineeseen ennen kuin jauhettava materiaali syötettiin sisään jauhinkammi-oon, ja päästettiin sinne normaalipaineisena styreenikaa-sua, jonka ympäröimänä jauhatus tapahtui. Jauhatuksen jäl-25 keen uusilla syntyneillä pinnoilla oli styreenipinnoite, joka oli reagoiva polystyreenimatriisin kanssa, jonka kosketukselle alttiiksi jauhettu, pinnoitettu tuote tämän jälkeen saatettiin. Tuotteen tiheys oli 0,25 % suurempi kuin vertailutuotteen ja sen vetolujuus oli 25 % suurempi 30 kuin tavanomaisen vertailutuotteen.

Esimerkki 2

Talkkia jauhettiin tarkoituksena käyttää sitä poly-propeenimuovin täyteaineena. Tarkoitusta varten talkki johdettiin tyhjäksi pumpatun syötintilan lävitse etukam-35 mioon, josta se sulkusyöttimen avulla työnnettiin toiseen 5 112606 kammioon, jossa vallitsi propeeni-kaasukehä, josta se johdettiin jauhatuskammioon, johon edelleen päästettiin jatkuvasti propeenia. Jauhatuksen jälkeen talkki tyhjennettiin tunnetulla tavalla jauhatuskammiosta tiiviiseen as-5 tiaan, johon jää propeenikaasukehä talkin lisäksi. Tästä astiasta talkki syötettiin ekstruuderiin, jossa se sekoittui polypropeenimuoviin. Tuotteen taivutusjäykkyys oli 22 % suurempi kuin vertailutuotteen ja sen tiheys oli 0,11 % suurempi kuin vertailutuotteen.

10 Esimerkki 3

Jauhatus suoritetaan sellaisilla aineilla päällystäen, joita ei voida saattaa normaalilla tavalla kaasumaiseen tilaan, jolloin jauhatus suoritetaan "märkänä" ja pinnoitus suoritetaan ioni-tilassa. Tällöin pinnoitettavat 15 ionit kilpailevat kuitenkin liuottimen kanssa sijoista juuri syntyneellä muotopinnalla. Tyypillinen tällainen suoritus on potsolaanisen hydraulisesti kovettuvan tuotteen jauhaminen vedessä, joka sisältää kalkkia.

Esimerkki 4 20 Sementtiä jauhettiin hiilidioksidikaasussa. Sement- tipartikkeleiden pinta kyllästyi tällöin hiilidioksidilla ja kun sanottu sementti johdettiin veden ja täyteaineen kanssa muodostamaan betonia ja laastia tms. tyypillistä tuotetta, reagoi hiilidioksidi sementin pinnalla siitä va-25 pautuvan kalkin kanssa, jolloin reaktionopeus kasvaa kun vesi pääsee kauttaaltaan reagoimaan sementtipinnan kanssa.

Erityisen edulliseksi tämä suoritusmuoto saadaan, kun sementtiä jauhettiin hiilidioksidikaasussa yhdessä kiviaineksen kanssa, jonka pinnalle samoin saatiin hiilidi-30 oksidikyllästys. Saadun laastiprisman tiheys oli 5,22 % suurempi kuin vertailutuotteen ja taivutusvetolujuus 45 % suurempi kuin vertailutuotteen. Vastaavasti pelkästään betonin kiviainesta on samasta syystä edullista jauhaa hii-lidioksidiympäristössä tartunnan parantamiseksi, jolloin 35 muodostuu luja sidos, jossa ei ole tyypillistä ns. transi- 6 112606 tiovyöhykettä kiinteän pinnan ja kiteytyvän uuden sement-tikiven välillä.

Esimerkki 5

Edellä oleva esimerkki, jossa veteen liuotettiin 5 ennen jauhatusta lisäksi 5 % polyvinyylialkoholia ja valettiin heti jauhatuksen jälkeen laastiprismat. Tämä koe antoi tulokseksi tuotteen, jonka tiheys oli 6,2 % suurempi kuin vertailutuotteen ja taivutusvetolujuus 82 % suurempi kuin vertailutuotteen, jossa ei käytetty hiilidioksidia 10 eikä polyvinyylialkoholia.

Edellisissä esimerkeissä jauhatus suoritettiin niin, että tuotteen pinta-ala kasvoi noin 20-kertaiseksi verrattuna ennen jauhatusta mitattuun pinta-alaan. Esimerkeissä 4 ja 5 kiviaines jauhautui myös sideaineen jauha-15 tuksen yhteydessä. Näissä esimerkeissä lähtökiviaines oli tasakokoista noin 30 mm halkaisijaltaan ja päädyttiin maks. 3 - 4 mm kiviainekseen.

Suoritetuissa tutkimuksissa ei betonin sekoitusve-teen havaittu kuitenkaan liukenevan juuri yhtään hiilidi-20 oksidia, mikä todistaa, että hiilidioksidi on sitoutunut uusiin syntyneisiin pintoihin sangen lujasti.

Esimerkki 6

Betoni valmistettiin siten, että kiviaines murskattiin yhdessä sementin, veden ja muiden komponenttien kans-25 sa. Tällöin uusille murskatuille pinnoille ei ehdi adsor boitua epäedullista kontaminointia (ilmaa jos kiviaines murskataan ensin erikseen), joka myöhemmin voidaan todeta heikoksi tartuntavyöhykkeeksi, "transition zone", vaan saatiin sementtiliima tarttumaan aivan kivipintojen ihol-30 le.

Esimerkki 7

Kivimateriaalia murskattiin sementtiympäristössä. Massa muotoiltiin sauvaksi ilman, että ilmaa pääsi massaan ja sauva sai kovettua tunnetulla tavalla. Valmistettiin 35 myös sauva, jonka kivimateriaali oli murskattu ilmassa 7 112606 tunnetulla tavalla. Kun mainitut sauvat murrettiin todettiin, että viimeksi mainittu sauva murtui, kuten oli odotettua, pitkin kivimateriaalin ja sementtiliiman kontaktipintoja. Ensin mainittu sauva, jossa kivimateriaali oli 5 murskattu keksinnön mukaisesti, tätä vastoin murtui se-menttivyöhykkeessä.

Esimerkki 8

Kaksi kivisauvaa (porasauvaa) murrettiin siten, että ensimmäinen sauva murrettiin ilmassa ja toinen se-10 menttiliimassa. Murron jälkeen ensimmäisen sauvan murto-pinnoille sivellettiin sementtiliima ja puristettiin tangon palaset toisiaan vastaan kun taas toisen sauvan palaset pidettiin sementtiliimassa ja puristettiin siinä toisiaan vastaan. Tämän jälkeen sauvat pantiin kovettumaan. 15 Kovettumisen jälkeen sauvat murrettiin uudestaan, jolloin todettiin, että ilmassa liimattu sauva murtui kivimateriaalin ja sementtiliiman välisessä vyöhykkeessä, kun taas sementtiliimassa murrettu sauva ja siinä liimattu sauva murtui sementtiliimavyöhykkeessä.

20 Esimerkki 9

Asfalttia valmistetaan siten, että murskataan ki-, viainesta ja jokin bitumikomponentti antamalla uusien pin tojen syntyä niiden lopullisessa miljöössä tai jonkin edullisen osakomponentin tai kytkentäkemikaalin kanssa, 25 joka kytkeytyy kumpaankin suuntaan paremmin kuin tilanne olisi ilman tätä edullista väliainetta. Tuloksena on kivi- > » aineksen ja bitumin välinen parempi tartunta, v · Keksinnön mukaista tekniikkaa voidaan käyttää mo nilla teollisuuden aloilla ja tuotteissa. Tyypillisiä ovat ; ; 30 edellisten esimerkkien lisäksi : ; - Paperin täytepigmentin jauhaminen miljöössä, jos sa on märkälujaa hartsia läsnä - Maalin tai painovärin valmistus siten, että sideaineen polymeerin monomeeriä on olennaisessa määrin läsnä 35 jauhatusväliaineessa kaasussa tai nesteessä.

8 112606

Keksinnön mukaisesti voidaan, ja on edullista, jauhaa tai murskata materiaalia ympäristössä, jossa sen pintaan kiinnittyy molekyylejä, joilla on erityisaffiniteet-tiä seuraavan prosessivaiheen materiaalille, joka on tar-5 koitus kiinnittää sanottuun jauhettavaan pulveriin. Tämä erityisaffiniteetti voi olla parhaimmillaan kemiallinen reaktio tai fysikaalinen erityisvoima, joka syntyy pintojen kemiallisesta yhteensopivuudesta tai samankaltaisuudesta. Pääasia on, etteivät uudet pinnat synny sellaisessa 10 miljöössä, joka aiheuttaa epäedullista kontaminaatiota jatkoa ajatellen. On ajateltavissa, että keksinnön mukaista menetelmää sovelletaan siten, että heikennetään sidoksia tai affiniteettia itse tuotteen partikkelien kesken (juoksevuus) tai toiseen komponenttiin, mikä joissakin so-15 vellutuksissa on tärkeää tuotteen jatkokäsittelyn kannalta. Esimerkiksi aineen ominaisuus hylätä vettä (hydrofobi-suus) voi olla tavoiteltavaa.

Jauhettavan materiaalin kiinnitys näyttää kokeidem-me mukaan olevan vähemmän vaativa pinnoitteen materiaalin 20 ja jauhetun pinnan suhteen. On luonnollisesti eduksi, että esimerkiksi kemiallinen reaktio sitoisi osan pinnoite-, , "kaasusta" jauhatuksessakin syntyvään pintaan, mutta tär- ; keämpää on vastaava sitominen seuraavaan jauhettua materi aalia ympäröivään "lähimiljöön pintaan".

25

Claims (11)

11^:606 Patenttivaatimukset.

1. Menetelmä komposiittimateriaalin valmistamiseksi, joka materiaali käsittää hiukkasmaisen kiteisen tai 5 amorfisen materiaalin ja matriisimateriaalin, tunnettu siitä, että kiteistä tai amorfista materiaalia murskataan tai jauhetaan ympäristössä, jossa se on välittömässä kosketuksessa nesteen kanssa, joka muodostaa matriisin, jolloin murskauksen tai jauhatuksen aikana muodos-10 tuville, kiteisen tai amorfisen materiaalin murtopinnoille tapahtuu fysikaalis-kemiallinen reaktio nestemäisen matriisimateriaalin kanssa.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että neste käsittää vesi-sement- 15 tiliimaa ja hiukasmainen materiaali käsittää kiveä.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että se käsittää vaiheen, jossa valmistetaan sementtiä sementtiliimaa varten jauhamalla sementtiä hiilidioksidiatmosfäärissä.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että neste käsittää bitumimateri-V," aalia ja hiukkasmainen materiaali käsittää kiveä.

5. Menetelmä komposiittimateriaalin muodostami-: seksi, joka materiaali käsittää hiukkasmaisen kiteisen tai 25 amorfisen materiaalin, tunnettu siitä, että (a) jauhatus- tai murskauskammiossa oleva ilma-atmosfääri korvataan määrätyn kaasufaasimateriaalin atmosfäärillä, ,, , (b) hiukkasmainen materiaali murskataan tai jau- • ’ 30 hetaan kammiossa, jolloin murskauksen tai jauhatuksen ai- kana muodostuville, kiteisen tai amorfisen materiaalin murtopinnoille tapahtuu fysikaalis-kemiallinen reaktio kaasuf aasimateriaalin kanssa, ja (c) muodostetaan komposiittimateriaali sekoitta-35 maila vaiheissa (a) ja (b) saatua hiukkasmaista materiaalia matriisimateriaalin kanssa, jolloin matriisi- 11/.:,06 materiaalin ja hiukkasmaisen materiaalin välinen vuorovaikutus on voimakkaampi kuin matriisimateraiaalin ja sellaisen hiukkasmaisen materiaalin vuorovaikutus, jota ei ole altistettu kaasutaasimateriaalille murskauksen tai jauha-5 tuksen aikana.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hiukkasmainen materiaali käsittää wollastoniittia ja kaasufaasimateriaali käsittää styreeniä.

7. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hiukkasmainen materiaali käsittää wollastoniittia, kaasufaasimateriaali käsittää styreeniä ja matriisimateriaali käsittää polystyreeniä.

8. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, 15 tunnettu siitä, että hiukkasmainen materiaali käsittää talkkia ja kaasufaasimateriaali käsittää propeenia.

9. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hiukkasmainen materiaali käsittää talkkia, kaasufaasimateriaali käsittää propeenia ja 20 matriisimateriaali käsittää polypropeenia.

10. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, *,·.* tunnettu siitä, että hiukkasmainen materiaali kä- :*: sittää kiveä ja kaasufaasimateriaali käsittää hiilidioksi- : dia.

11. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hiukkasmainen materiaali kä-sittää kiveä, kaasufaasimateriaali käsittää hiilidioksidia ja matriisimateriaali käsittää vesi-sementtiliimaa. i 1 'L v O G