WO1996027569A1 - Verfahren zur herstellung eines keramischen materials - Google Patents

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Elmar Mock
Matthias Hell
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    • C04B38/00Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof
    • C04B38/08Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof by adding porous substances
    • AHUMAN NECESSITIES
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Definitions

  • the invention relates to a method according to the preamble of the first independent claim for the production of a ceramic material.
  • Porosity agents are added to the kneadable or pourable mass, from which objects made of ceramic material are produced essentially by molding, optionally drying and subsequent firing.
  • these porosity agents are, for example, organic materials, such as, for example, plastic fibers, textile fibers, sawdust or semolina, which materials burn primarily to carbon dioxide and water and leave pores when the ceramic is fired. To ensure that the organic material burns completely, an oxidizing atmosphere must be ensured.
  • the porosity agent can also consist of a water-soluble material, for example a water-soluble salt, as described in the publication DE-3731649, the water-soluble material being washed from the pores in an additional manufacturing step after the firing.
  • the porosity agent is thus a solid that is removed from the ceramic material by chemical or physical change during or subsequently after firing, the pores forming. This requires an adaptation of the process parameters (atmosphere during firing) during production or an additional process step (extraction).
  • the method according to the invention is based on producing a pourable or kneadable mass which can be used for the production of customary articles from ceramic materials, for example porcelain, in the usual way and thereby already closed pores in the form of hollow glass bodies to mix.
  • ceramic materials for example porcelain
  • these pores largely remain in the material during shaping, drying and firing carried out according to customary criteria.
  • the hollow glass bodies are advantageously small (for example hollow spheres with diameters in the order of 50 to 200 ⁇ m) and then hardly change the surface properties of the material compared to the surface properties of the same material without the addition of glass hollow bodies.
  • the surface can therefore be mechanically processed, glazed or treated in an unchanged manner.
  • the majority of the closed pores in the form of the hollow glass body contained in the material produced by the method according to the invention increase the heat-insulating effect of the material and reduce its specific weight, but they work because they are also in the fired state are not or only partially open, for example not, or to a negligible extent, the permeability of the material to liquids or gases.
  • the size of the pores is strongly dependent on the production parameters such as the firing temperature and the course of the firing over time.
  • Micro hollow glass spheres for use in the method according to the invention are commercially available. For example, they consist of a low-alkali borosilicate glass and, depending on their size, have a nominal density of approx. 0.01 to 0.6 g / cm 3 compared to the density of common earthenware or porcelain, which is in the range of approx. 2.3 g / cm 3 lies.
  • a method for producing an object from a ceramic material is carried out, for example, in the following steps: production of a kneadable or pourable mass, mostly from varying proportions of finely ground alumina, quartz and feldspar and from water; Shaping the mass by pressing, pouring or kneading; optionally drying; Burn.
  • the process according to the invention is carried out immediately, hollow glass bodies being added as a further constituent in the production of the moldable or pourable mass.
  • the material containing the vitreous loses a little more volume when fired, which must be taken into account in the original shape. Otherwise, no process parameters need to be adjusted.
  • the firing temperatures, the timed course of the firing etc. can be adopted unchanged from the processing method of the same material without a hollow glass body.
  • the hollow glass bodies are to be selected in such a way that they are not damaged by the pressures which arise during the molding process and which, for example, can be quite high in the production process by means of injection molding. For higher film pressures, for example, smaller hollow glass spheres and / or hollow glass spheres with thicker walls are to be used.
  • an espresso cup is described below and compared with a cup which was produced from the same material but without the addition of hollow glass bodies and with a process identical to the addition of the hollow glass bodies.
  • both cups are made according to a common method for porcelain.
  • the moldable mass for one cup is mixed with a proportion of 5% (proportion by weight) micro-glass spheres of the Kl quality from 3M (diameter: ⁇ 177 ⁇ m).
  • the two cups are shaped and glazed in a manner customary for porcelain and fired at approx. 1200 ° C.
  • the finished cup which contains the hollow glass body, has a volume that is approximately 20% smaller and a density that is reduced by approximately 40 ° C. compared to the other finished cup. If the same hot liquid (approx. 90 ° C) is poured into the two cold cups, this has a temperature of approx. 6 ° C higher than in the other cup immediately after being poured into the glass body. If the two cups are preheated, no difference is found.
  • the cup produced by the method according to the invention thus has a smaller heat capacity than the other cup.
  • Objects that are produced by the method according to the invention are advantageous wherever a low density and / or high thermal insulation effect is desired. Harnesses made from the material according to the invention are therefore advantageous for use in aviation, for example, due to their significantly lower weight. Furthermore, according to the invention Processed tableware or other objects are advantageous for applications in which preheating is not possible and / or longer heat retention is desired.
  • the use of the material produced according to the invention is also advantageous wherever temperature control is sought which is as constant as possible despite different preheating.
  • One such application is the brewing chamber of a coffee machine, which should not be kept constantly hot in order to save energy. If the brewing chamber consists of a material produced by the method according to the invention, the brewing temperature, which has a very sensitive influence on the taste of the coffee, is significantly more independent of whether the brewing chamber is cold or is already hot due to a previous brewing. In other words, despite the energy savings, the coffee quality can be kept consistently high.
  • the material produced according to the invention can be used in various applications as a thermal insulation material. In addition to its thermal insulation ability, it has the advantageous property that it can be used at high temperatures without being damaged. Other thermal insulation materials such as foam, wood etc. fail at temperatures above approx. 200 ° C; the material produced according to the invention, however, can also be used at even higher temperatures and has a thermally insulating effect.

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Abstract

Gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren werden einer giess- oder knetbaren Masse, die zur Herstellung von Gegenständen aus einem keramischen Material verwendbar ist, geschlossene Poren in Form von Glashohlkugeln zugegeben. Eine derartige giess- oder knetbare Masse wird im wesentlichen in derselben Art weiterverarbeitet, wie eine entsprechende Masse ohne Glashohlkugeln. Das daraus entstehende keramische Material zeigt, bedingt durch die zusätzliche Porosität, erhöhte wärmedämmende Eigenschaften und eine reduzierte Dichte.

Description

VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES KERAMISCHEN MATERIALS
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des ersten un¬ abhängigen Patentanspruchs zur Herstellung eines keramischen Materials.
Es ist bekannt, die wärmedämmenden Eigenschaften von keramischen Mate¬ rialien dadurch zu verbessern, dass ihre Porosität erhöht wird, wozu verschie¬ dene Verfahren beschrieben worden sind. Dabei werden der knet- oder giess- baren Masse, aus der im wesentlichen durch Formen, gegebenenfalls Trock¬ nen und nachfolgendes Brennen Gegenstände aus keramischem Material hergestellt werden, Porosiermittel zugegeben. Diese Porosiermittel sind, wie dies in den Publikationen DE-4315088 oder DE-4135441 beschrieben ist, beispielsweise organische Materialien, wie beispielsweise Kunststoffasern, Textilfasern, Sägemehl oder Griess, welche Materialien beim Brennen der Keramik hauptsächlich zu Kohlendioxid und Wasser verbrennen und Poren hinterlassen. Damit das organische Material sicher total verbrennt, muss für eine oxydierende Atmosphäre gesorgt werden. Das Porosiermittel kann auch aus einem wasserlöslichen Material, beispielsweise einem wasserlöslichen Salz bestehen, wie dies in der Publikation DE-3731649 beschrieben ist, wobei das wasserlösliche Material nach dem Brennen in einem zusätzlichen Herstel- lungsschritt aus den Poren gewaschen wird. Das Porosierungsmittel ist also ein Feststoff, der während des Brennens oder anschliessend daran aus dem keramischen Material durch chemische oder physikalische Veränderung entfernt wird, wobei sich die Poren bilden. Dafür ist eine Anpassung der Verfahrensparameter (Atmosphäre während dem Brennen) bei der Herstellung oder ein zusätzlicher Verfahrensschritt (Heraus¬ lösen) notwendig.
Mit beiden oben beschriebenen Methoden werden Materialien erzeugt, die gegenüber gleichen Materialien hergestellt ohne Porosierungsmittel eine er¬ höhte offene Porosität aufweisen. Die durch das Porosierungsmittel erzeugten Poren sind offen, denn bei beiden Methoden muss Gas bzw. Flüssigkeit aus den Poren austreten können, bzw. in diese eintreten können. Das heisst mit anderen Worten, die Verbesserung der wärmedämmenden Eigenschaften durch eine Erhöhung der Porosität bringt bei Anwendung der oben beschrie¬ benen Herstellungsmethoden gezwungenermassen auch eine Veränderung aller anderen Eigenschaften des Materials, die von der Erhöhung der offenen Porosität abhängig sind (z.B. Durchlässigkeit für Flüssigkeiten und Gase, Kappillarwirkung etc.), mit sich, eine Veränderung, die aber nicht unbedingt erwünscht ist.
Es ist nun die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Materials mit verbesserten wärmedämmenden Eigenschaften aufzuzeigen, wobei das Verfahren verglichen mit bekannten Verfahren zur Herstellung eines gewöhnlichen, keramischen Materials ohne verbesserte wäimedämmende Eigenschaften, möglichst gleichbleibende Verfahrensschritte und insbesondere keine zusätzlichen Verfahrensschritte aufweisen soll. Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren, wie es in den Patenatansprü- chen definiert ist.
Das erfindungsgemässe Verfahren beruht darauf, eine giess- oder knetbare Masse, die für die Herstellung üblicher Gegenstände aus keramischen Mate¬ rialien, beispielsweise Porzellan, verwendbar ist, in der üblichen Weise herzu¬ stellen und ihr dabei bereits geschlossene Poren in der Form von hohlen Glaskörpern beizumischen. Diese Poren bleiben, wie Experimente zeigen, während eines nach üblichen Kriterien durchgeführten Formens, Trocknens und Brennens im Material weitgehend bestehen.
Die hohlen Glaskörper sind vorteilhafterweise klein (beispielsweise Hohlku- geln mit Durchmessern in der Grössenordnung von 50 bis 200 μm) und verän¬ dern dann kaum die Oberflächeneigenschaften des Materials gegenüber den Oberflächeneigenschaften eines gleichen Materials ohne Glashohlkörper-Bei¬ mischung. Die Oberfläche kann also in unveränderter Weise mechanisch bear¬ beitet, glasiert oder ähnlich behandelt werden.
Die im Material, das nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellt ist, enthaltenen, mehrheitlich geschlossenen Poren in Form der hohlen Glaskör¬ per erhöhen zwar die wärmedämmende Wirkung des Materials und reduzie- ren sein spezifisches Gewicht, sie wirken sich aber, da sie auch im gebrannten Zustand nicht oder nur teilweise offen sind, beispielsweise nicht oder in einem vernachlässigbaren Ausmass auf die Durchlässigkeit des Materials für Flüssig¬ keiten oder Gase aus. Die Grosse der Poren ist stark abhängig von den Her¬ stellungsparametern wie Brenntemperatur und zeitlicher Verlauf des Bren- nens. Mikro-Glashohlkugeln zur Verwendung im erfindungsgemässen Verfahren sind im Handel erhältlich. Sie bestehen beispielsweise aus einem alkaliarmen Borosilikatglas und haben je nach Grosse eine Nenndichte von ca. 0,01 bis 0,6 g/cm3 gegenüber der Dichte von üblichem Steingut oder Porzellan, die im Bereiche von ca. 2,3 g/cm3 liegt.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes aus einem keramischen Material wird beispielsweise in den folgenden Schritten durchgeführt: Her- Stellung einer knet- oder giessbaren Masse meist aus variierenden Anteilen von feingemahlener Tonerde, Quarz und Feldspat und aus Wasser; Formen der Masse durch Pressen, Giessen oder Kneten; gegebenenfalls Trocknen; Brennen.
Das erfindungsgemässe Verfahren wird gleich durchgeführt, wobei als weiterer Bestandteil bei der Herstellung der form- oder giessbaren Masse hohlen Glas¬ körper zugefügt werden. Das die Glaskörper enthaltende Material verliert beim Brennen etwas mehr Volumen, was bei der ursprünglichen Formgebung berücksichtigt werden muss. Sonst müssen keine Verfahrensparameter ange- passt werden. Die Brenntemperaturen, der zeitmässige Verlauf des Brennens etc. können unverändert vom Verarbeitungsverfahren desselben Materials ohne Glashohlkörper übernommen werden.
Die Glashohlkörper sind derart zu wählen, dass sie durch die beim Formvor¬ gang entstehenden Drücke, die beispielsweise bei Herstellungsverfahren mit¬ tels Spritzguss recht hoch sein können, nicht beschädigt werden. Für höhere Foπnungsdrücke sind also beispielsweise kleinere Glashohlkugeln und/oder Glashohlkugeln mit dickeren Wandungen zu verwenden. Als Beispiel für einen aus dem erfindungsgemässen Material hergestellten Gegenstand wird im folgenden eine Espresso-Tasse beschrieben und mit einer Tasse verglichen, die aus demselben Material aber ohne Beimischung von Glashohlkörpern und mit einem bis auf die Beimischung der Glashohlkörper gleichen Verfahren hergestellt wurde.
Das Grundmaterial beider Tassen ist Porzellan, beide Tassen werden nach einem für Porzellan üblichen Verfahren hergestellt. Nach dem erfindungsge- mässen Verfahren wird der formbaren Masse für die eine Tasse ein Anteil von 5 % (Gewichtsanteil) Mikro-Glashoh kugeln der Qualität Kl der Firma 3M (Durchmesser: < 177 μm) zugemischt. Die beiden Tassen werden auf eine für Porzellan übliche Weise geformt und glasiert und bei ca. 1200 °C gebrannt.
Die fertige Tasse, die die Glashohlkörper enthalt, zeigt gegenüber der ande¬ ren fertigen Tasse ein um ca. 20 % kleineres Volumen und eine um ca. 40 9c reduzierte Dichte. Wird in die beiden kalten Tassen dieselbe heisse Flussig- keit (ca. 90 °C) gegossen, hat diese unmittelbar nach dem Eingiessen in der Tasse mit den Glaskörpern eine um ca. 6 °C höhere Temperatur als in der anderen Tasse. Sind die beiden Tassen vorgewärmt, wird kein Unterschied festgestellt. Die nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellte Tasse hat also eine kleinere Wärmekapazität als die andere Tasse.
Gegenstände, die nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellt sind, sind überall dort vorteilhaft, wo kleine Dichte und/oder hohe wärmedämmen¬ de Wirkung erwünscht ist. Geschirre aus dem erfindungsgemässen Material sind also beispielsweise durch ihr bedeutend geringeres Gewicht für den Ge¬ brauch im Luftverkehr vorteilhaft. Ferner sind nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellte Geschirre oder andere Gegenstände für Anwendungen vorteilhaft, in denen eine Vorwärmung nicht möglich ist und/oder eine länge¬ re Wärmeerhaltung erwünscht ist.
Die Anwendung des erfindungsgemäss hergestellten Materials ist auch überall da vorteilhaft, wo trotz unterschiedlicher Vorwärmung eine möglichst kon¬ stante Temperaturführung angestrebt wird. Eine derartige Anwendung ist die Brühkammer einer Kaffeemaschine, die zwecks Energieeinsparung nicht dau- ernd warmgehalten werden soll. Besteht die Brühkammer aus einem nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten Material, ist die Brühtempe¬ ratur, die auf den Geschmack des Kaffees einen sehr empfindlichen Einfluss hat, bedeutend unabhängiger davon, ob die Brühkammer kalt oder durch eine vorangehende Brühung bereits heiss ist. Das heisst mit anderen Worten, dass trotz der Energieeinsparung die Kaffeequalität konstant hoch gehalten werden kann.
Ferner kann das erfindungsgemäss hergestellte Material in verschiedenen An- Wendungen als thermisches Isolationsmaterial verwendet werden. Nebst seiner thermischen Isolationsfähigkeit hat es die vorteilhafte Eigenschaft, dass es bei hohen Temperaturen eingesetzt werden kann, ohne beschädigt zu werden. Andere thermische Isolationsmaterialien wie Schaumstoff, Holz etc. versagen bei Temperaturen über ca. 200 °C; das erfindungsgemäss hergestellte Material hingegen kann auch bei noch höheren Temperaturen eingesetzt werden und wirkt thermisch isolierend.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Verfahren zur Herstellung eines keramischen Materials mit einer erhöh¬ ten Porosität, wobei aus verschiedenen pulver- und/oder flüssigen Be¬ standteilen eine knet- oder giessbare Masse hergestellt wird und diese dann im wesentlichen durch Formen und Brennen zu Gegenständen aus dem keramischen Material verarbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einführung von zusätzlichen Poren in die knet- oder giessbare Masse als zusätzliche Bestandteile für die Herstellung dieser Masse hohle Glas¬ körper verwendet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die hohlen Glaskörper Glashohlkugeln sind.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Glashohl¬ kugeln Durchmesser im Bereiche zwischen 50 und 200 μm aufweisen.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Material Porzellan ist.
5. Giess- oder knetbare Masse als Zwischenprodukt des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Herstellung eines keramischen Materi- als, dadurch gekennzeichnet, dass sie Glashohlkörper enthält.
6. Verwendung des erfindungsgemässen Verfahrens nach einem der Ansprü¬ che 1 bis 4 zur Herstellung von Geschirren.
Verwendung des erfindungsgemässen Verfahrens nach einem der Ansprü¬ che 1 bis 4 zur Herstellung von Teilen für Brühkammern von Kaffeema¬ schinen.
8. Verwendung des erfindungsgemässen Verfahrens nach einem der Ansprü¬ che 1 bis 4 zur Herstellung von thermischem Isolationsmaterial.
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