WO2009033476A2 - Verfahren zur verbesserung der hydrophilen eigenschaften von produkten, ein zement und ein celluloseether mit vorteilhaften hydrophilen eigenschaften sowie die verwendung von plasma zur behandlung von produkten - Google Patents

Verfahren zur verbesserung der hydrophilen eigenschaften von produkten, ein zement und ein celluloseether mit vorteilhaften hydrophilen eigenschaften sowie die verwendung von plasma zur behandlung von produkten Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a process for improving the hydrophilic properties of products, in particular powdery products. Furthermore, the present invention relates to a cement and a cellulose ether, in particular hydroxyethyl cellulose, with correspondingly improved hydrophilic properties. Finally, the invention also relates to the use of plasma for the treatment of products and / or product surfaces.
  • cement is a hydraulic binder for building materials mortar and concrete. As hydraulic binders substances are considered that harden both in the air and under water. Cement is an inorganic, finely ground substance which, after mixing with water, forms needle-shaped hydrate crystals, which lead to a solidification of the cement and thus also of additives (concrete) contained therein. Cement consists mainly of siliceous calcium with proportions of aluminum and iron, each in oxidized form.
  • the viscosity of the resulting aqueous intermediate or end product is often undesirably high.
  • the aqueous phase is too viscous to be suitably processed. Also for this reason, the proportion of water must be increased.
  • hydrophilic properties of products in particular of pulverulent products, can be markedly improved by treatment with a plasma.
  • plasma is a partially or completely ionized gas, which to a considerable extent has free charge carriers such as ions or electrons.
  • plasma can be generated from the ambient air or other suitable pure gases or gas mixtures.
  • the surface of product particles is modified and disagglomerated in a particularly advantageous manner by contact with plasma. Treated particles are much easier to wet.
  • the stirring or mixing process is markedly shortened, a lump formation is avoided.
  • the resulting solution or suspension at the same amount of water to a significantly lower viscosity, so that the aqueous phase is easier to process.
  • the plasma causes an electron exchange on the surface of the treated particles.
  • the particles are disagglomerated and also greatly improved the hydrophilic properties.
  • the inventive method is not limited to the application of powdery products.
  • the product may comprise a composite material and / or fibers, in particular glass and / or polymer fibers.
  • Treated fibers are particularly easy to disperse (mix) or dissolve.
  • Particularly good results are achieved with the method according to the invention if the pulverulent product to be treated consists of cellulose ether, in particular of hydroxyethyl cellulose, or of cement.
  • the product and / or the product surface is brought into contact with a plasma, in particular with a non-thermal atmospheric plasma.
  • An atmospheric plasma is recovered at ambient pressure from the surrounding air.
  • the electrons have a higher temperature than the heavy particles.
  • the temperature of the gas can be located in the region of the ambient temperature, while individual electrons have very high energy contents.
  • the plasma used may also be in complete or local thermal equilibrium.
  • the treatment of the product is carried out in a reactor and / or in a discharge zone.
  • a discharge zone is located in a suitably encapsulated reactor.
  • the product to be treated is then contacted with the generated plasma.
  • a treatment time of about 0.5 seconds to about 10 seconds leads to particularly advantageous results.
  • the duration of treatment is approximately 5 seconds.
  • a non-thermal atmospheric plasma is obtained by a dielectrically impeded discharge (barrier discharge).
  • a plasma can be used produced, which is far from the thermal equilibrium. This makes it possible to provide particularly high-energy electrons.
  • the plasma can also be generated by other types, for example by laser radiation, by DC voltage (sparkover), by microwave radiation, magnetic excitation or the like.
  • the electrical voltage is from about 15 kV to about 40 kV and / or the plasma frequency is from about 5 kHz to about 50 kHz. Particularly good results have been achieved with these parameters.
  • the first cement sample was exposed to non-thermal atmospheric plasma for a 5 second treatment period.
  • the second sample remained untreated. Thereafter, 4 ml of water was added to both samples and stirred until a homogeneous suspension (i.e., no lump) was present.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Verbesserung der hydrophilen Eigenschaften von Produkten, insbesondere von pulverförmigen Produkten, angegeben, wobei das Produkt mit einem Plasma behandelt wird. Durch die Plasmabehandlung werden Partikel disagglomeriert und es wird eine deutlich verbesserte Benetzbarkeit von Produktpartikeln erreicht. Des Weiteren lässt sich die Viskosität von Suspensionen und Lösungen aus den behandelten Produktpartikeln deutlich erniedrigen. Damit kann die zudosierte Wassermenge bei sonst gleich bleibenden physikalischen Eigenschaften merklich verringert werden. Des Weiteren ist ein Zement sowie ein Celluloseether mit besonders vorteilhaften hydrophilen Eigenschaften angegeben. Schließlich wird die Verwendung von Plasma zur Behandlung von Produkten und/oder Produktoberflächen vorgeschlagen.

Description

„Verfahren zur Verbesserung der hydrophilen Eigenschaften von Produkten, ein Zement und ein Celluloseether mit vorteilhaften hydrophilen Eigenschaften sowie die Verwendung von Plasma zur Behandlung von Produkten"
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der hydrophilen Eigenschaften von Produkten, insbesondere von pulverförmigen Produkten. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung einen Zement sowie einen Celluloseether, insbesondere Hydroxyethylcellulose, mit entsprechend verbesserten hydrophilen Eigenschaften. Schließlich betrifft die Erfindung noch die Verwendung von Plasma zur Behandlung von Produkten und/oder Produktoberflächen.
Aus dem privaten sowie dem industriellen Bereich sind eine Vielzahl von pulverförmigen Produkten bekannt, die zur Anwendung bzw. zur Weiterverarbeitung in eine gebrauchsfertige Lösung oder Suspension überführt werden müssen. Dazu werden die pulverförmigen Produkte zumeist in eine teilweise oder vollständig aus Wasser bestehende Flüssigkeit gegeben und in dieser verteilt. Dies erfolgt im Allgemeinen durch einen Rührvorgang. Bspw. ist die Zugabe von Celluloseether in Pulverform zu organischen Lösungsmitteln oder Wasser bekannt. Bestimmte Celluloseether können so u.a. als Klebstoffe, Emulgatoren, Stabilisatoren usw. wirken. In diesem Bereich ist die Verwendung von Hydroxyethylcellulose als Zuschlagstoff zu Farben bekannt.
Ein weiteres Beispiel für ein in Wasser einzurührendes pulverförmiges Produkt ist Zement. Zement ist ein hydraulisches Bindemittel für die Baustoffe Mörtel und Beton. Als hydraulische Bindemittel werden dabei Stoffe betrachtet, die sowohl an der Luft als auch unter Wasser erhärten. Zement ist ein anorganischer, fein gemahlener Stoff, der nach dem Anrühren mit Wasser nadeiförmige Hydratkristalle ausbildet, die zu einer Erstarrung des Zements und damit auch von darin enthaltenen Zuschlagstoffen (Beton) führen. Zement besteht hauptsächlich aus kieselsaurem Calcium mit Anteilen an Aluminium und Eisen, jeweils in oxidierter Form.
Beim Anrühren von Zement bildet sich im Gegensatz zu den oben erwähnten CeII- uloseethern eine Suspension und keine Lösung. In beiden Fällen werden jedoch üblicherweise nachteilige Mischungs- bzw. Lösungseigenschaften festgestellt, die eine Herstellung des wässrigen Zwischen- bzw. Endprodukts erschweren und dessen physikalische Eigenschaften negativ beeinflussen.
Zum einen weisen bekannte pulverförmige Produkte hydrophobe Eigenschaften auf, die eine Benetzung der Produktpartikeln mit Wasser erschweren. Dadurch kommt es beim Einrühren in die wässrige Phase zu einer unerwünschten Klumpenbildung. Deswegen muss verhältnismäßig viel Wasser eingesetzt werden, um überhaupt eine homogene wässrige Phase zu erhalten. Dies liegt auch an der Agglomeration der Zement-Partikel.
Zum anderen ist die Viskosität des entstehenden wässrigen Zwischen- oder Endprodukts oft unerwünscht hoch. Mit anderen Worten ist die wässrige Phase zu zähflüssig, um in geeigneter Weise weiterverarbeitet zu werden. Auch aus diesem Grund muss der Anteil von Wasser erhöht werden.
Am Beispiel der Zementherstellung wird jedoch deutlich, dass ein hoher Wasseranteil nachteilige Auswirkungen hat. Das nicht für die Ausbildung von Hydratbrücken benötigte Wasser muss durch einen Trocknungsvorgang entfernt werden, wodurch der Zement bzw. der fertiggestellte Beton eine Schrumpfung erfährt. Des Weiteren vergeht mehr Zeit, bis der Beton seine maximale Belastbarkeit aufweist.
Sofern es jedoch gelingt, Rohzement mit den bekannten Eigenschaften, jedoch mit deutlich verbesserter Fließfähigkeit (also niedrigerer Viskosität) bereitzustellen, kann sowohl die Wasser- als auch die Zementmenge verringert werden. Die. Qualität sowie die Festigkeit des hergestellten Betons verbessert sich dadurch noch..
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verbesserung der hydrophilen Eigenschaften von Produkten, insbesondere von pulverförmigen Produkten, zu realisieren.
Diese Aufgabe ist in Bezug auf ein Verfahren zur Verbesserung der hydrophilen Eigenschaften von Produkten, insbesondere von pulverförmigen Produkten, mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach wird das Produkt mit einem Plasma behandelt. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind den nachgeordneten Ansprüchen entnehmbar.
In Bezug auf einen Zement sowie einen Celluloseether mit besonders vorteilhaften hydrophilen Eigenschaften ist die oben genannte Aufgabe mit den Merkmalen der Patentansprüche 10 bzw. 11 gelöst. Schließlich ist durch Patentanspruch 12 eine erfindungsgemäße Verwendung von Plasma zur Behandlung von Produkten und/oder Produktoberflächen angegeben.
Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass durch die Behandlung mit einem Plasma die hydrophilen Eigenschaften von Produkten, insbesondere von pulverförmigen Produkten, deutlich verbessert werden können.
Plasma ist dabei ein teilweise oder vollständig ionisiertes Gas, das zu einem nennenswerten Anteil freie Ladungsträger wie Ionen oder Elektronen aufweist. Dabei kann Plasma aus der Umgebungsluft oder anderen geeigneten reinen Gasen oder Gasgemischen erzeugt werden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist erkannt worden, dass die Oberfläche von Produktpartikeln durch den Kontakt mit Plasma in besonders vorteilhafter Weise modifiziert und disagglomeriert wird. Behandelte Partikeln lassen sich deutlich einfacher benetzen. Der Einrühr- bzw. Mischvorgang wird merklich verkürzt, eine Klumpenbildung ist vermieden. Des Weiteren weist die entstehende Lösung bzw. Suspension bei gleicher Wassermenge eine merklich niedrigere Viskosität auf, so dass die wässrige Phase leichter verarbeitbar ist.
In erfindungsgemäßer Weise kann nun zur Einstellung einer gleichbleibenden Viskosität weniger Wasser verwendet werden. Dadurch sind die eingangs genannten Nachteile vermeidbar.
Es wird vermutet, dass das Plasma einen Elektronenaustausch an der Oberfläche der behandelten Partikeln bewirkt. Durch diese Oberflächenmodifikation werden die Partikel disagglomeriert und außerdem die hydrophilen Eigenschaften stark verbessert.
Demzufolge ist eine Verbesserung der hydrophilen Eigenschaften von Produkten, insbesondere von pulverförmigen Produkten, realisiert.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf die Anwendung an pulverförmigen Produkten beschränkt. So kann das Produkt einen Verbundwerkstoff und/oder Fasern, insbesondere Glas- und/oder Polymerfasern, aufweisen. Behandelte Fasern lassen sich so besonders einfach dispergieren (mischen) oder auflösen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden besonders gute Ergebnisse erzielt, falls das zu behandelnde pulverförmige Produkt aus Celluloseether, insbesondere aus Hydroxyethylcellulose, oder aus Zement besteht. Dazu wird auf die oben ste - henden Ausführungen verwiesen. Mit dem Verfahren ist jedoch auch eine Verbesserung der hydrophilen Eigenschaften beliebiger, insbesondere pulverförmiger Produkte erreichbar.
Dabei ist entscheidend, dass sich das behandelte Produkt leichter in einer wässrigen Phase lösen bzw. einrühren lässt als das unbehandelte Produkt.
In einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird das Produkt und/oder die Produktoberfläche mit einem Plasma, insbesondere mit einem nicht-thermischen atmosphärischen Plasma, in Berührung gebracht. Ein atmosphärisches Plasma wird bei Umgebungsdruck aus der umgebenden Luft gewonnen. Bei einem nicht-thermischen Plasma weisen die Elektronen eine höhere Temperatur als die schweren Teilchen auf. So kann die Temperatur des Gases im Bereich der Umgebungstemperatur angesiedelt sein, während einzelne Elektronen sehr hohe Energieinhalte aufweisen. Während die Erzeugung eines atmosphärischen, nicht-thermischen Plasmas bevorzugt ist, ist alternativ auch die Anwendung eines Niederdruck- oder Hochdruckplasmas denkbar. Des Weiteren kann sich das verwendete Plasma auch im vollständigen oder im lokalen thermischen Gleichgewicht befinden.
Vorzugsweise wird die Behandlung des Produkts in einem Reaktor und/oder in einer Entladungszone durchgeführt. In besonders bevorzugter Weise befindet sich dabei eine Entladungszone in einem in geeigneter weise abgekapselten Reaktor. Das zu behandelnde Produkt wird dann mit dem erzeugten Plasma in Kontakt gebracht. Für einen kontinuierlichen Betrieb ist des Weiteren eine Einschleus- und Ausschleusmöglichkeit für den Produktstrom durch den Reaktor vorzusehen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist festgestellt worden, dass eine Behandlungsdauer von ca. 0,5 Sekunden bis ca. 10 Sekunden zu besonders vorteilhaften Ergebnissen führt. In bevorzugter Weise beträgt die Behandlungsdauer dabei ungefähr 5 Sekunden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird ein nicht-thermisches atmosphärisches Plasma durch eine dielektrisch behinderte Entladung (Barriereentladung) gewonnen. Dabei kann trotz herrschenden Umgebungsdrucks ein Plasma erzeugt werden, das weit vom thermischen Gleichgewicht entfernt ist. Damit lassen sich besonders energiereiche Elektronen bereitstellen. Obwohl die Durchführung einer dielektrisch behinderten Entladung bevorzugt ist, kann das Plasma auch durch andere Arten erzeugt werden, bspw. durch Laserstrahlung, durch Gleichspannung (Funkenüberschlag), durch Mikrowellenstrahlung, magnetische Anregung oder dergleichen.
Im Hinblick auf eine Barriereentladung ist eine Weiterbildung des Verfahrens bevorzugt, bei der die elektrische Spannung von ca. 15 kV bis ca. 40 kV beträgt und/oder die Plasmafrequenz von ca. 5 kHz bis ca. 50 kHz beträgt. Mit diesen Parametern sind besonders gute Ergebnisse erzielt worden.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines Beispiels zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des Beispiels werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert.
Es wurden zwei Proben aus jeweils 5 g eines handelsüblichen Zements ohne hydrophil wirkende Additive vorbereitet. Der Zement wies den Produktcode CEM I 32.5 R auf und entsprach der EN 197-1 oder DIN 1164.
Die erste Zementprobe wurde für eine Behandlungsdauer von 5 Sekunden einem nicht thermischen atmosphärischen Plasma ausgesetzt. Die zweite Probe blieb un- behandelt. Danach wurde zu beiden Proben jeweils 4 ml Wasser gegeben und gerührt, bis eine homogene Suspension (d.h. ohne Klumpen) vorlag.
Bereits bei der Zugabe des Wassers zu den beiden Zementproben wurde ein großer Unterschied im Mischungsverhalten festgestellt. Die unbehandelte Zementprobe war klumpig und ließ sich schlecht rühren. Die behandelte Zementprobe hingegen wurde praktisch augenblicklich durch das zudosierte Wasser ohne Klumpenbildung benetzt und nahm schnell eine sirupartige Viskosität an. Beide Suspensionsproben wurden nun in identische, unten offene 10 ml-Messpipetten eingefüllt. Dabei lag in beiden Messpipetten dieselbe Suspensionsmenge vor. Bei T = 0 wurden beide Pipetten oben geöffnet, so dass die Suspension nach unten ausfließen konnte. Es wurde die Zeit bis zum vollständigen Ausfließen der jeweiligen Probe gemessen.
Es konnte beobachtet werden, dass die Suspension mit dem behandelten Zement bereits nach 2 Sekunden vollständig aus der Pipette ausgeflossen war. Von der unbehandelten Probe hingegen war nach einer Versuchsdauer von 10 Sekunden noch mehr als 50% in der Pipette verblieben. Nach 60 Sekunden lagen noch 10% der unbehandelten Probe in der Pipette vor.
Beide Suspensionsproben wurden jeweils in einer unterhalb der Messpipette angeordneten Petrischale aufgefangen. Dabei zeigte sich die erheblich niedrigere Viskosität der behandelten Probe dadurch, dass diese Suspension in der Petrischale eine wesentlich größere Fläche benetzte als die unbehandelte Probe. Gleichzeitig war die Dicke der Suspensionsschicht bei der behandelten Probe deutlich geringer als bei der unbehandelten Probe.
Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lehre wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Patentansprüche verwiesen.
Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass das voranstehend beschriebene Beispiel lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dient, diese jedoch nicht auf das Beispiel einschränkt.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zur Verbesserung der hydrophilen Eigenschaften von Produkten, insbesondere von pulverförmigen Produkten, wobei das Produkt mit einem Plasma behandelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt einen Verbundwerkstoff und/oder Fasern, insbesondere Glas- und/oder Polymerfasern, aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das pulverförmige Produkt Celluloseether, insbesondere Hydroxyethylcellulose, aufweist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das pulverförmige Produkt Zement oder eine Mischung aus Sand und Zement aufweist.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das pulverförmige Produkt Nanopartikel, wie z.B. Quarz oder Carbon Nanotubes aufweist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt und/oder die Produktoberfläche mit einem Plasma, insbesondere mit einem nicht-thermischen atmosphärischen Plasma, in Berührung gebracht wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlung in einem Reaktor und/oder in einer Entladungszone durchgeführt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Behandlungsdauer von ca. 0,5 sec bis ca. 10 sec.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma durch eine dielektrisch behinderte Entladung (Barriereentladung) er-zeugt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Spannung von ca. 15 kV bis ca. 40 kV beträgt und/oder die Plasmafrequenz von ca. 5 kHz bis ca. 50 kHz beträgt.
11. Zement, dadurch gekennzeichnet, dass der Zement einer Behandlung mit Plasma unterzogen worden ist, und insbesondere mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 behandelt worden ist.
12. Celluloseether, insbesondere Hydroxyethylcellulose, dadurch gekennzeichnet, dass der Celluloseether einer Behandlung mit Plasma unterzogen worden ist, und insbesondere mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 behandelt worden ist.
13. Verwendung von Plasma zur Behandlung von Produkten und/oder Produktoberflächen, insbesondere von pulverförmigen Produkten, und insbesondere von Nanopartikeln, einschließlich Carbon Nanotubes, Celluloseether und/oder Zement.
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