Verfahren und Einrichtung zum Aufspalten eines hydratisierten kristallinen und blättrigen Minerals
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Aufspalten eines hydratisierten kristallinen und blättrigen Minerals in feine Partikeln, sowie eine Einrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens.
Natürliche und synthetische Glimmerkristalle können zu verhältnismässig kleinen Flocken aufgespalten werden. Von der Industrie werden in steigendem Masse grössere und dünnere Flocken mit grösseren Oberflächen verlangt. Aus diesem Grund war die Technik stark daran interessiert, bessere Verfahren und Einrichtungen zu entwickeln, mit denen der Glimmer in noch dünnere Flocken aufgespalten werden kann, die mit oder ohne Bindemittel zu zusammenhängenden Bogen oder Blättern mit einer grossen Oberfläche vereinigt werden. Die bisher bekannten Verfahren zum Herstellen von Produkten mit einer grossen Oberfläche aus Glimmerpartikeln mit einer Dicke von z. B. 0,01 bis 0,03 mm haben sich als sehr mühsam erwiesen, so dass nur verhältnismässig wenig Glimmer verwendet wurde, und ferner waren die Erzeugnisse nicht genügend gleichförmig und ausserdem teuer.
Ferner wiesen diese Erzeugnisse keine Flächenhaftkräfte auf.
Verfahren zum Herstellen von Bogen oder Blättern mit einer grossen Oberfläche aus Glimmerpartikeln mit einer Dicke in der Grössenordnung von weniger als 0,01 mm, z. B. ungefähr 0,002 bis 0,008 mm sind seit mehr als fünfzig Jahren bekannt. Die schlechten physikalischen und im besonderen die mechanischen Eigenschaften der Erzeugnisse haben verhindert, dass sie gewerbliche Bedeutung erlangten. Neuere Verfahren, z. B. die in den amerikanischen Patentschriften Nrn. 2 405 576 (Heyman) und 2 549 880 (Bardet) beschriebenen Verfahren haben eine gewisse gewerbliche Bedeutung erlangt besonders deswegen, weil die mechanischen Eigenschaften der nach diesen Verfahren hergestellten Erzeugnisse besser waren als die nach den älteren Verfahren hergestellten Produkte. Obwohl diese Verfahren nunmehr älter als zwanzig Jahre sind, so haben sie doch keine weitergehende Verwendung gefunden.
Diese neueren Verfahren konnten nur zum Teil die älteren Verfahren ersetzen, mit denen Partikeln mit einer Dicke von mehr als 0,01 mm hergestellt werden konnten, wobei die nach den neueren Verfahren hergestellten Erzeugnisse in bezug auf die mechanischen und dielektrischen Eigenschaften immer noch viel zu wünschen übrig lassen. Ferner ist die Behandlung schwierig, das Rohmaterial wird nur unvollständig ausgenutzt, und die Betriebskosten sind hoch.
Selbst wenn Glimmerpartikeln als Pigmente oder Füllstoffe verwendet werden, so werden noch dünnere Partikeln gefordert, die die grösstmögliche Oberfläche pro Gewichtseinheit aufweisen. Hierbei wird oftmals noch die weitere Forderung gestellt, dass die Partikeln eine bestimmte grösste Abmessung nicht überschreiten sollen, und ferner soll die Partikelgrösse innerhalb eines ziemlich schmalen Grössenbereichs liegen. Anderseits war es bisher besonders für Partikeln mit einem kleinen Durchmesser von 1 Mikron oder weniger in der Technik unmöglich, grosse Mengen von Partikeln zu erzeugen, deren Grösse in einem bestimmten schmalen Grössenbereich liegt. Die bisher bekannten Glimmerpartikeln wiesen nur schwache Flächenhaftkräfte auf.
Die Erfindung bezweckt die Erzeugung feiner Feststoffpartikeln, wie dünner Glimmerflocken, mit einer grossen Oberfläche und mit neuen und besseren Eigenschaften, die diese Partikeln besonders wertvoll machen als Agglomerationsmittel oder Pigmente sowie für die Erzeugung aggregierter oder agglomerierter Produkte.
Das vorliegende Verfahren und die betreffenden Einrichtungen gestatten das orientierte Spalten eines spröden kristallinischen Feststoffes, wie Glimmer, in der Kristallisationshauptebene und zweitens in einer weiteren Kristallisationsebene, während die Spaltung in anderen Ebenen begrenzt wird, wodurch die Produktion und eine wahlweise Gewinnung von Partikeln oder Flocken ermöglicht wird, die die gewünschte grosse spezifische Oberfläche und eine geometrisch langgestreckte Gestalt aufweisen sowie vorherrschend eine Dicke von einigen Zehnteln oder auch Tausendsteln eines Mikrons oder weniger.
Dabei sieht man die Herstellung und Aufrechterhaltung einer Suspension mit feinen Glimmerflocken vor, die später entweder in ein Agglomerat oder in frei schwebende Partikeln umgewandelt werden und als Pigment oder dergleichen verwendet werden können; damit ist die Herstellung eines verbesserten Glimmerpapiers oder eines ähnlichen Gefüges entweder allein aus feinen Glimmerflocken oder aus einem Gemisch solcher Flocken mit anderen herkömmlicherweise verwendeten Hilfsmaterialien, wie Bindemittel, Füllstoffe usw. und im besonderen die Herstellung von Glimmerpapieren mit einer Dicke von weniger als 20 Mikron möglich.
Diese Zwecke werden im erfindungsgemässen Verfahren dadurch erzielt, dass Stücke des Minerals auf eine Temperatur erhitzt werden, die unzureichend ist, um das Hydratisierungswasser freizusetzen, dass im unteren Teil einer sich nach oben erstreckenden und einen im wesentlichen kreisrunden Querschnitt aufweisenden Aufspaltungszone ein gasförmiges Mittel in Form einer Vielzahl von wirbelnden, nicht radialen.
konvergierenden, flachen Strömungen mit hoher Geschwindigkeit in Umlauf gesetzt wird, und dass die Stücke des Minerals im genannten unteren Teil der Einwirkung der wirbelnden Gasströmungen ausgesetzt wird, bis die Mineralstücke in grössere Partikeln sowie in verhältnismässig feine Partikeln mit einem gewünschten Feinheitsgrad aufgespalten sind, wobei die feineren Partikeln aus der Aufspaltungszone entweichen, während die grösseren Partikeln in der Aufspaltungszone zurückbleiben und weiter aufgespalten werden.
Die erfindungsgemässe Einrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens ist dann gekennzeichnet durch ein Gehäuse mit einem kreisrunden Querschnitt, das im unteren Teil eine Aufspaltungskammer und in dem über dieser gelegenen Teil eine Schlämmkammer aufweist, durch eine Vielzahl von Düsen mit im wesentlichen senkrecht verlaufenden langgestreckten Öffnungen, die in der Aufspaltungskammer um deren Umfang herum angeordnet sind, und aus denen wirbelnde, nicht radiale, konvergierende flache Strömungen eines gasförmigen Mittels im wesentlichen nach innen in die Aufspaltungskammer gerichtet austreten, durch Mittel, die den Düsen das gasförmige Mittel zuführen, durch Mittel zum Eintragen der Stücke des Minerals in die Aufspaltungskammer, und durch Mittel zum Abführen der feinen Partikeln aus dem oberen Teil der Schlämmkammer.
Die Erfindung wird nunmehr anhand von Beispielen ausführlich beschrieben. In den beiliegenden Zeichnungen zeigt die
Fig. 1 eine Darstellung eines Verfahrens, das mit der Zubereitung einer Rohmaterialmenge (A) beginnt, auf die eine Aufspaltungsstufe (B), danach die Herstellung einer Suspen sion (C) aus den Partikeln und eine Formgebungsstufe (E) für das Endprodukt folgt mit oder ohne einer gesonderten
Agglomerationsstufe (D),
Fig. 2 eine graphische Darstellung der Wassermenge (in
Prozenten auf der y-Achse), die aus einer typischen Glim mermenge durch Erhitzen auf immer höhere Temperaturen (in Celsiusgraden, x-Achse) verlorengeht, bis ein konstantes Anhydridgewicht erreicht ist,
Fig.
3 eine graphische Darstellung der Vergrösserung des Volumens des Glimmers (in Prozenten, y-Achse) in bezug auf die Zeit (in Sekunden, x-Achse), während der eine Er hitzungvon 18 C auf 885 " C erfolgt, d. h. die Wirkung der
Erhitzung auf den Grad des erreichten Anschwellens,
Fig. 4 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Zugfestigkeit (in kg/mm2, y-Achse) und der Dicke des Glimmers (in Mikron, x-Achse), nachdem der Glimmer zwischen zwei komplementär ausgestalteten Flächen mit einem Z-förmigen Profil bei einer Belastung von
10 kg/cm2 gebogen worden ist,
Fig. 5 ein senkrechter Schnitt durch die Vorrichtung, die zum Biegen des Glimmers benutzt wird (Fig. 4),
Fig.
6A, 6B, 6C je eine Darstellung eines Glimmerstückes, das längs der x - und y -Achse unter gleichzeitiger Einwirkung von Hitze und einer hochgeschwinden Strömung eines gasförmigen Mittels in dünne Flocken oder Schuppen aufgespalten wird,
Fig. 7 eine mikroskopische Abbildung einer Gruppe von Glimmerpartikeln, die unter Anwendung des älteren Bardet Verfahrens erhalten wurden, und die eine unregelmässige Form und sehr unterschiedliche Grössen aufweisen,
Fig. 8 ein stark vergrössert gezeichneter senkrechter Schnitt durch ein typisches Partikel nach der Fig. 7,
Fig. 9 eine mikroskopische Abbildung einer Gruppe typischer und nach dem erfindungsgemässen Verfahren erzeugter Glimmerpartikeln, die vorwiegend rechteckig gestaltet sind, und deren Grösse innerhalb eines verhältnismässig schmalen Bereiches liegt.
Fig. 10 ein stark vergrössert gezeichneter senkrechter Schnitt durch eine nach dem erfindungsgemässen Verfahren erzeugte Glimmerflocke mit im wesentlichen ebenen und von Unregelmässigkeiten freien Aussenseiten,
Fig. 11 ein senkrechter Schnitt durch eine Ablagerung von verhältnismässig dicken und unbiegsamen Glimmerpartikeln auf einer festen Unterlage, die nach den älteren Verfahren erzeugt sind, wobei zwischen einigen Partikeln sowie zwischen diesen und der Unterlage Hohlräume vorhanden sind,
Fig. 12 ein senkrechter Schnitt durch eine dichte Ablagerung von dünnen, ebenen und biegsamen Partikeln, die nach dem erfindungsgemässen Verfahren erzeugt sind und die sich eng an die Oberfläche einer festen Unterlage anschmiegen, die mit der in der Fig. 11 dargestellten Unterlage vergleichbar ist.
Fig. 13 ein senkrechter Schnitt durch eine erfindungsgemässe Einrichtung zum Aufspalten von Materialien, wie Glimmer, welche Einrichtung vorzugsweise zusammen mit einem heissen gasförmigen Suspensionsmittel verwendet wird,
Fig. 14 eine Draufsicht auf die Einrichtung nach der Fig. 13, von der Linie 14-14 aus gesehen,
Fig. 15 ein senkrechter Schnitt durch eine andere Ausführung der Einrichtung nach der Fig. 13, bei der ein weniger kompliziertes Düsensystem verwendet wird, und bei der das Produkt mit Hilfe eines elektrostatischen Abscheiders nach unten abgezogen wird,
Fig. 16 eine schematische Darstellung einer Anordnung, bei der eine Suspension von Glimmerpartikeln in einem gas förmigen Mittel, z.
B. eine mit den Einrichtungen nach den Fig. 13 oder 15 erzeugte Suspension mit oder ohne Zusatz eines Bindemittels gleichmässig nach unten zwischen zwei
Elektroden hindurchströmt, an die eine hochgespannte
Wechselspannung gelegt ist, welche Suspension in einem tie fer gelegenen Teil elektrostatisch auf einem sich bewegenden Förderband abgesetzt wird, das zwischen zwei weiteren Elek troden angeordnet ist.
Das nachstehend beschriebene Verfahren befasst sich mit dem Aufspalten von verhältnismässig leicht spaltbaren Materialien zu feinen Partikeln. Im besonderen werden Mineralien wie Glimmer zu kleinen dünnen Flocken oder Schuppen aufgespalten, die aktive Flächen aufweisen sowie ein ungewöhnlich gleichmässig hohes Verhältnis Fläche : Dicke, und die vorwiegend in einen verhältnismässig schmalen Grössenbereich fallen. Durch Agglomeration können aus diesen Partikeln Produkte hergestellt werden, z. B. Papier, Ober fläch enbeläge, Belege von Kondensatoren, Struktureinheiten, Pappe, Bänder, Platten, Rohre, Zylinder und andere Produkte in jeder gewünschten Gestalt oder mit einem bestimmten Profil, wobei die einzelnen langgestreckten Partikeln in einer gegebenen Ebene vorwiegend parallel zu einander orientiert sind.
Die Einrichtung nach der Erfindung soll vorzugsweise zum Aufspalten von Glimmer dienen, ist jedoch ebenso wirksam bei der Aufspaltung von anderen Materialien, besonders von solchen Materialien, die bei einer Erhitzung molekular gebundenes Wasser oder Kristallisationswasser freisetzen.
Die genannten Materialien können auf verschiedene Weise verwendet werden. Beispielsweise können die feinen Partikeln oder die unorientierten und leicht wieder dispergierbaren Agglomerate solcher Partikeln als Pigmente und Füllstoffe für Farben und anderen Beschichtungsmitteln, für harzhaltige Kunststoffe, für elastomere Zusammensetzungen sowie als Adsorbierungsmittel oder Träger für andere Materialien usw. verwendet werden. In Form von orientierten Agglomeraten sind die Partikeln von Nutzen als Isolatoren oder Überzüge bei elektrischen Einrichtungen, oder als Konstruktionsmaterialien usw.
Glimmer bildet eine Gruppe von Silikaten, die gekennzeichnet sind durch die stark ausgeprägte Fähigkeit, sich längs der kristallinischen Hauptebene spalten zu lassen, jedoch wesentlich weniger leicht in der zur erstgenannten Ebene im wesentlichen senkrechten Kristallebene, während eine Spaltung in einer anderen Ebene noch viel schwieriger durchzuführen ist. Ein derartiges Mineral weist daher kristallographisch eine plattenartige Struktur auf, die sehr biegsam, elastisch und kräftig ist, und die in sehr dünne Flocken oder Schuppen zerteilt werden kann. Glimmer ist anzufinden in verschiedenen Kristallgrössen, wobei jedoch grosse Kristalle selten sind, sowie in verschiedenen chemischen Zusammensetzungen als Muskovit, Phlogopit, Biotit usw.
Wegen der ausgezeichneten dielektrischen und mechanischen Eigenschaften, der chemischen Stabilität und wegen der Festigkeit bei hohen Temperaturen wird Glimmer für verschiedene industrielle Zwecke verwendet, wobei der beste Glimmer hauptsächlich in der Elektroindustrie als Isoliermaterial benutzt wird. Die Eigenschaften und die Verwendbarkeit des Glimmers sind jedoch sehr unterschiedlich und hängen nicht nur von der Haupttype ab, sondern selbst bei einer gegebenen Sorte hängen die Eigenschaften von der genauen chemischen Zusammensetzung ab. Die chemische Zusammensetzung des Naturglimmers ist sehr verschieden und zuweilen selbst in einem einzelnen Kristall.
Trotzdem bestimmt die genaue chemische Zusammensetzung den thermischen Widerstand einzelner Glimmerkristalle, und wenn die kritische Dehydratisierungstemperatur eines gegebenen Glimmerstückes (im allgemeinen mehr als 500 C) überschritten wird, so wird der Glimmer dehydratisiert, schwillt an und zerfällt je nach der Temperatur und der Dauer der Erhitzung. Einige synthetische Glimmersorten weisen ähnliche Merkmale auf.
Der Ausdruck Pigment bezieht sich auf fein zerteilte Feststoffe, die als Zusatz für Farben, flüssigen Beschichtungszusammensetzungen, Glasuren und dergleichen verwendet werden, während der Ausdruck Füllstoffe sich auf fein zer teilte Feststoffe bezieht, die als Zusatz für Formharze, Pulver, Pasten, elastomere Gemische, Graphitzusammensetzungen, Isolierzusammensetzungen, Papiere sowie als Schichten frei schwebender Feststoffe für thermische oder akustische
Isolatoren verwendet werden. Der Ausdruck Agglomerationsmittel bezieht sich auf feine Glimmerpartikeln mit aktiven Flächen oder adsortiven Kapazitäten, die die Glim merpartikeln als Träger für aktive Substanzen, z. B.
Insektizide oder Herbizide, geeignet machen oder auch als Bestand teile von Filtermitteln, oder als Träger für Pigmente oder andere Farbstoffe oder für Materialien wie Silber oder Titan dioxidpulver oder dergleichen zum Herstellen von Halblei tern. Aus den Fig. 9 und 10 ist zu ersehen, dass die nach dem erfindungsgemässen Verfahren erzeugten Glimmerpartikeln die erforderliche geometrische Form aufweisen, d. h. eine geringe Dicke und eine verhältnismässig grosse und ebene
Oberfläche, wobei die Partikelgrösse innerhalb eines schmalen Bereichs liegt. Je nach den Erfordernissen können die erfindungsgemässen Flocken mit einer viel grösseren spezifischen Oberfläche erzeugt werden, als bisher möglich war, d. h. mit einer Oberfläche von mehr als 7 m2/g, z. B. von mehr als 7 bis zu 700 oder sogar 2500 m2/g bei gewissen Glimmersorten.
Die grössten Abmessungen der Glimmerflocken oder -partikeln können je nach den Erfordernissen und nach dem gewünschten spezifischen Oberflächenbezirk vorherbestimmt werden und 1 oder mehr Millimeter, Zehntel oder Hundertstel eines Millimeters oder für besondere Zwecke ein oder mehr Mikron, Zehntel, Hundertstel oder auch Tausendstel eines Mikrons betragen, besonders innerhalb eines vorherbestimmten schmalen Grössenbereichs, der innerhalb eines Gesamtbereichs von ungefähr 30 Millimeter bis zu 2 Millimikron liegt. Zum Beispiel kann das in den Fig. 9 und 10 dargestellte Produkt, wenn gewünscht, vorwiegend aus Partikeln bestehen, die ein grosses Verhältnis Länge: Dicke aufweisen, das in der Grössenordnung von 1000:1 bis zu 5 000 000/1 liegen kann.
Mit den nach der Erfindung erzeugten Pigmenten, Füllstoffen und Agglomerationsmitteln können neue Verwendungsgebiete erschlossen werden, da im besonderen die Partikeln im physikalischen Sinne eine neue Art darstellen.
Zum Beispiel verhalten sich die fein zerteilten Partikeln, wenn sie in einem geeigneten Mittel dispergiert werden, wie Kolloide mit einer überraschenden Fähigkeit, an den Oberflächen Partikeln anderer Materialien zu adsorbieren und sich an verschieden ausgestaltete Unterlagen ohne zu brechen anzuschmiegen.
Unter Hinweis auf die Fig. 1 wird das erfindungsgemässe Verfahren zunächst summarisch beschrieben.
A. Zubereitung des Rohmaterials
Für das Verfahren nach der Erfindung können alle Glimmersorten, natürlich oder synthetische Glimmer, verwendet werden. Der Rohglimmer wird in der herkömmlichen Weise gereinigt, um organische Materie, Schmutz und fremde Mineralien zu entfernen, wobei ein Material mit einer Reinheit von mindestens 90% anfallen soll. Die Erfindung weist u. a.
den wichtigen Vorzug auf, dass zugleich Gemische aus Glimmerkristallen behandelt werden können, die eine unterschiedliche chemische Zusammensetzung aufweisen und deren Partikeln verschieden gross sind.
B. Aufspaltung
Das Verfahren zum wahlweisen und orientierten Auf spalten des Glimmers nach der Erfindung ist in den Fig. 6A,
6B und 6C dargestellt. Die Wirkungen plötzlich und örtlich auftretender Temperaturänderungen sind in der Fig. 6B mit den Pfeilen c dargestellt, während in den Fig. 6B und 6C die Wirkungen von hochgeschwinden und hochfrequenten Gasströmungen mit den Pfeilen a und b dargestellt sind. Diese Wirkungen führen zu einer Aufspaltung des Glimmers vor wiegend in zwei Richtungen, und zwar in erster Linie in der Ebene der geringsten Kohäsion (Hauptebene) und ferner in der Ebene mit der nächstniedrigeren Kohäsion, die im we sentlichen senkrecht zur erstgenannten Ebene verläuft. Die in anderen Richtungen wirkenden Effekte sind nicht stark ausgeprägt und werden von der Elastizität des Glimmers unterdrückt.
Infolgedessen wird der Glimmer vorherrschend in den beiden Hauptkristallebenen aufgespalten, während ein Bruch in einer anderen Ebene verhältnismässig unbedeutend ist.
Nach dem erfindungsgemässen Verfahren werden die fortlaufend zugeführten Glimmerstücke (Fig. 6A) den erfor derlichen mechanischen Aufspaltungskräften oder mechani schen und thermischen Kräften in einer oder mehreren Auf spaltungskammern ausgesetzt, die nacheinander oder parallel zu einander angeordnet sind. Die Kräfte wirken bei Tempe raturen von ungefähr 100" C bis zu ungefähr 13500 C auf die grossen Stücke des Glimmermaterials, je nach der Grösse der Stücke in einer Zeitspanne von einem Bruchteil einer Sekunde bis zu einigen Minuten, in einem vorzugsweise inerten gasförmigen Mittel ein.
Diese Kräfte bewirken eine Aufspaltung des Glimmers vorwiegend in der Richtung der beiden genannten Ebenen durch pulsierende, vibrierende und beschleunigende oder abbremsende Strömungen des Mittels, die in einer bestimmten orientierten Weise wirbeln und eine Aufspaltung der Glimmerpartikeln vorwiegend und fortschreitend von der Oberfläche der Partikeln aus nach innen bewirken, wie in den Fig. 6B und 6C dargestellt, bis die ursprünglichen Glimmerstücke bis zu dem gewünschten Ausmass aufgespalten sind. Bei einigen Glimmersorten und dem Verwendungszweck entsprechend kann das Verfahren in einer einzigen Kammer durchgeführt werden, während in anderen Fällen die Aufspaltung in mehreren gleichen oder verschiedenen Aufspaltungskammern durchgeführt werden kann, z.
B. zuerst bei der Umgebungstemperatur in einem flüssigen Mittel und danach in einem gasförmigen Mittel bei einer erhöhten Temperatur, bei der das Mineral gebundenes Wasser verliert. Dieses Verfahren kann natürlich abgeändert werden, wobei z. B. die Glimmerstücke vorerhitzt oder thermisch vorbehandelt werden, bevor sie in die Aufspaltungskammer eingetragen und vorzugsweise in einem inerten Gas oder einem Schutzgas wie Argon oder Wasserstoff behandelt werden.
Die resultierenden flockigen oder aufgespalteten Produkte, die aktive, d. h. adsorbierende Oberflächen erhalten, wenn deren Grösse auf die vorherbestimmten Abmessungen vermindert wird, werden sofort und fortlaufend abgeschieden und in der nächsten Verfahrensstufe behandelt. In einigen Fällen können Bindemittel oder andere Stoffe zugesetzt werden, z. B. organische oder anorganische Fasern, Plättchen und dergleichen, um die Glimmerflocken im Fertigprodukt gleichmässig zu verteilen.
Die endgültige Grösse kann durch die höchstzulässige Abmessung oder Durchmesser oder besser noch durch den zufälligen Grössenbereich, z. B. 10 bis 30 Mikron oder 0,1 bis 1 Mikron, ausgedrückt werden. Das Aufspaltungsverfahren ist daher für eine Aufspaltung in allen Spaltungsebenen geeignet. Zum Erzeugen der gewünschten kleinen Partikeln hängt das Verfahren von den Wirkungen der hohen Geschwindigkeit, z. B. 100 Meter pro Sekunde oder mehr, des Aufspaltungsmittels ab, die durch die Wirkung hochfrequenter Wellen (20 kHz oder mehr) und durch eine Beschleunigung und Abbremsung der Partikeln ergänzt werden kann.
Die Wirksamkeit des Verfahrens kann noch dadurch erhöht werden, dass das Aufspaltungsmittel intermittierend in die Reaktionskammer eingelassen wird und daher Pulsationen erzeugt. Die in den Fig. 13, 14 und 15 dargestellte Einrichtung erzeugt die genannten Effekte, so dass Pigmente, Füllstoffe oder Agglomerationsmittel in verschiedenen Grössen und Verhältnissen Länge: Dicke durch eine entsprechende Bestimmung der Veränderlichen erzeugt werden können, z. B. durch Erhöhen der Geschwindigkeit des gasförmigen oder flüssigen Mittels, durch Vermehrung der Düsen usw.
C. Zubereitung einer Suspension
Die aktive Flächen aufweisenden Glimmerpartikeln werden in dem Mittel, in dem sie hergestellt wurden, oder in einem anderen Schutzmittel suspendiert oder suspendiert gehalten. Es können verschiedene Kombinationen von gasförmigen oder flüssigen Mitteln vorgesehen werden, je nach den Erfordernissen der späteren Verwendung. Es können fortlaufend Zwischenprodukte erzeugt werden, und die Suspension kann den Anforderungen der nächsten Verfahrensstufe entsprechend konzentriert werden. Die Aufrechterhaltung einer Suspension dieser Partikeln wird vorzugsweise von der Strömung des genannten Mittels und nur durch me chanische Mittel bewirkt; wobei es jedoch in einigen Fällen von Nutzen sein kann, zusätzlich die Wirkung eines elektri schen Feldes auszunutzen (Fig. 15).
Die Suspension der Partikeln mit der geeigneten Kon zentration kann dann in einer Agglomerationsstufe fortlau fend oder intermittierend zugesetzt werden, oder die Suspen sion wird in einer weiteren Fertigstellungsstufe direkt zuge setzt, wie später noch beschrieben wird.
D. Die Agglomerationsstufe des Verfahrens
In der nächsten Verfahrensstufe erfolgt eine orientierte
Agglomeration der Partikeln aus der genannten Suspension (in einem Gas oder einer Flüssigkeit) in einem Schutzmittel, wobei durch Agglomeration dieser Suspension Produkte ver schiedener Art direkt erzeugt werden, oder es wird zuerst ein Glimmerpapier hergestellt.
Das agglomerierte Produkt kann dann in der Verfahrensstufe E weiterverarbeitet werden, oder es werden zwei Verfahrensstufen zusammengefasst.
E. Die letzte Verarbeitung
Wie aus der Fig. 1 zu ersehen ist, können in dieser Ver fahrensstufe aus dem in der Verfahrensstufe D erzeugten Agglomerat Produkte hergestellt werden, und ferner kann eine weitere Umwandlung der in der Verfahrensstufe B erzeugten Füllstoffe, Pigmente und Agglomerationsmittel z. B.
durch Vermischen oder Überziehen mit anderen Materialien erfolgen.
Die in den Fig. 13 und 14 dargestellte Aufspaltungseinrichtung weist eine axial symmetrische Aufspaltungskammer auf, die vorzugsweise eine senkrechte Achse und die Form eines umgekehrten Kegelstumpfes 100 besitzt, in welcher Kammer der Glimmer in Umlauf gesetzt und nochmals in einem gasförmigen Mittel in Umlauf gesetzt wird, wobei das Rohmaterial in Partikeln oder Flocken mit der gewünschten Grösse aufgespalten wird. Die Betriebstemperatur liegt vorzugsweise über der Temperatur, bei der aus dem Glimmer gebundenes Wasser freigesetzt wird, und die im allgemeinen ungefähr 800" C beträgt.
Die Betriebsbedingungen sind normalerweise derart, dass das eingelassene Mittel und der eingetragene Glimmer das thermische Gleichgewicht nicht erreichen, wobei das eingelassene Gas eine wesentlich höhere Temperatur aufweist als die Temperatur, auf die der Glimmer erhitzt werden soll. Die Einrichtung kann jedoch auch bei Temperaturen betrieben werden, die unter derjenigen Temperatur liegen, bei der aus dem Glimmer Wasser freigesetzt wird, wobei der Betrieb auch sogar bei der Umgebungstemperatur oder mit einer Kühlung durchgeführt werden kann.
Das kegelstumpfförmige Gefäss 100 ist mit einem Deckel 101 versehen, an dessen Mitte ein Trichter 102 befestigt ist, durch den und durch ein Rohr 103 das Rohmaterial in die Einrichtung eingefüllt werden kann. In diesem Rohr sind vorhangartige Verschlüsse 104 und 105 angeordnet. Am unteren Teil der Kammer sind Verteiler vorgesehen, von denen der Verteiler 106 am Umfang und der Verteiler 107 im wesentlichen auf der Achse des Gefässes angeordnet ist.
Beide Verteiler sind am Umfang in Abständen mit den Düsen 108 und 109 versehen, von denen jede Düse eine senkrecht angeordnete und langgestreckte Austrittsöffnung aufweist.
Diese Öffnungen oder Schlitze sind in gleichen Abständen am Umfang eines jeden Verteilers angeordnet, wobei in einer kleinen Einheit nur eine einzelne Öffnung vorgesehen wird, während in grossen Einheiten zwanzig und mehr Öffnungen vorgesehen werden können.
Die Öffnungen sind so angeordnet, dass das gasförmige Mittel laminare oder ebene Strömungen 110 und 111 bildet, wie in der Fig. 14 dargestellt. An der Wandung des Gefässes 100 sind Vorrichtungen 112 angebracht, die Schall- oder Ultraschallschwingungen erzeugen. Im oberen Teil der Reaktionskammer ist ein Auslass 113 für das ordnungsgemäss zerkleinerte Produkt angeordnet. Die Zuführung und Verteilung des Strömungsmittels ist bei 114 schematisch dargestellt.
In den Trichter 102 werden beständig verhältnismässig grobe Stücke aus gereinigtem Glimmer eingefüllt. Solange die Stücke genügend klein sind, um die Zuführungsvorrichtung durchlaufen zu können, können die Stücke jede Form aufweisen. Die Stücke durchwandern die Vorhängverschlüsse 104 und 105, die vorzugsweise von demselben Strömungsmittel gebildet werden, das für die Hauptaufspaltung verwendet wird. Diese Strömungsmittelvorhänge sollen die Umgebungsluft ausschliessen und können zugleich zum Vorerhitzen des einströmenden Glimmers benutzt werden und bewirken zuweilen anfangs ein gewisses Anschwellen des Glimmers.
Der auf diese Weise von der Umgebungsluft befreite Glimmer fällt aufgrund der Eigenschwere in den Hauptteil der Reaktionskammer unter Unterstützung durch den Druck des Strömungsmittels, das die genannten Verschlussvorhänge bildet, sowie durch die Saugwirkung des aus den Verteilern 106 und 107 ausströmenden Strömungsmittels. In der Reaktionskammer wird der Glimmer durch die Einwirkung der hochgeschwinden, laminaren und vorzugsweise flachen Strömungen des Strömungsmittels aufgespalten, das z. B. aus den Öffnungen mit einer Geschwindigkeit von 5 bis 200 m/sec ausströmt. Wie bereits in Verbindung mit der Fig. 6 beschrieben, schreitet die Aufspaltung von der Aussenseite der Glimmerpartikeln nach innen zu fort.
Die aufgespaltenen Glimmerpartikeln werden von der tangential und spiralig verlaufenden Bewegung des Strömungsmittels nach oben getragen; jedoch kehren die Partikeln, die noch nicht genügend zerkleinert worden sind, durch den Mittelteil der Kammer in die aktive Aufspaltungszone zurück. Je nach den Erfordernissen können auch Vorrichtungen eingesetzt werden, die Schall- und Ultraschallschwingungen im Bereich von 20 kHz bis 10 MHz erzeugen, um die Wirksamkeit des Aufspaltens zu erhöhen. Die Partikeln, die die erforderlichen Abmessungen erreicht haben, steigen rasch zur Sammelzone 113 an und werden aus dieser rasch entfernt. Je nach den weiteren Erfordernissen kann das Produkt bei der Abführung aus der Aufspaltungskammer noch weiterhin der Grösse nach sortiert werden.
Die Partikeln können z. B. im gasförmigen Mittel elektrostatisch in einem elektrischen Feld sortiert werden. Zu diesem Zweck werden die einzelnen Partikeln durch Induktion polarisiert, wonach die resultierenden Dipole unter der Einwirkung eines nicht homogenen elektrischen Feldes sich in diesem Feld in Richtung der zunehmenden Feldstärke bewegen.
Die für diesen Zweck geeignete Vorrichtung kann aus zwei einander mit Abstand gegenüberstehenden Elektroden bestehen, zwischen denen ein starkes elektrisches Feld erzeugt wird. Zwischen diesen Elektroden werden geeigneterweise mehrere Kammern vorgesehen, die der Reihe nach Partikeln mit immer kleiner werdenden Abmessungen auffangen. Die erste Elektrode dient dann zum Abfangen des gesamten Glimmerproduktes, wenn dieses aus dem Auslass
113 (Fig. 13) herausfällt; jedoch werden die Partikeln dann von der anderen Sammeleketrode angezogen. Bei dem Flug von der ersten Elektrode zur Sammelelektrode unterliegen die Glimmerpartikeln der Einwirkung der Schwerkraft, und da beide Elektroden ziemlich weit von einander entfernt sind, so erreichen nicht alle Partikeln die Sammelelektrode.
Die schwersten Partikeln sammeln sich in der zur ersten Elektrode am nächsten gelegenen Kammer, die weniger schweren Partikeln sammeln sich in der nächstfolgenden Kammer, und die leichtesten Partikeln sammeln sich in der zur Sammelelektrode am nächsten gelegenen Kammer. Um zu vermeiden, dass die Partikeln an der Sammelelektrode festgehalten werden, wird vorzugsweise vor der Sammelelektrode eine isolierende Wandung oder Abschirmung angeordnet, die die Partikeln ablenkt.
Beispiel 1
Gereinigte Muskovitabfall-Stücke werden in den in der Fig. 13 dargestellten Trichter 102 eingefüllt und von hieraus allmählich in die Reaktionskammer 100 eingetragen. In dieser Kammer werden die Stücke vorwiegend von der Aussenseite aus zu elementaren Strukturflocken in dem inerten Argongas aufgespalten, das durch die Düsen 108 und 109 mit einer Geschwindigkeit von 10 m/sec und mit einer Temperatur von 1100 C eingelassen wird. Hierbei werden die Partikeln fortlaufend ausgeschieden, wenn sie (innerhalb von Sekunden) eine spezifische Oberfläche von ungefähr 10 m2/g erreichen.
Die gewonnenen Partikeln werden dann in destilliertes Wasser geschüttet und dabei abgekühlt, wonach die im Wasser suspendierten Partikeln in einem elektrischen Feld elektrostatisch in drei Fraktionen sortiert werden, die sich voneinander durch verschiedene durchschnittliche Partikelgrössen oder durch verschieden grosse Oberflächen von einander unterscheiden, wie bereits ausgeführt. Auf diese Weise können Fraktionen mit einer durchschnittlichen spezifischen Oberfläche von ungefähr 10 m2/g, 15 m2/g und ungefähr 20 m2/g erhalten werden.
Die Fraktion 1, die aus Glimmerpartikeln mit einer durchschnittlichen spezifischen Oberfläche von ungefähr 20 m2/g besteht, kann dann als eine l %ige wässerige Suspension in eine Behandlungskammer eingetragen werden, in der die Partikeln durch Elektrophorese auf ein sich bewegendes Band abgesetzt werden, das als die eine der beiden auf Abstand stehenden Elektroden dient, an die zum Erzeugen eines elektrischen Feldes eine Spannung von ungefähr 200 bis
1000 Volt angelegt wird. Auf diese Weise kann ein Blatt oder eine Folie mit einer gleichmässigen Dicke von ungefähr 5 Mikron hergestellt werden. Die resultierende feuchte Folie kann dann zusammen mit dem Band weiterhin gepresst und -getrocknet werden, wonach die trockene Folie vom Band entfernt wird.
Die Fraktion 2, die aus einer wässerigen Suspension mit einem Gehalt von 0,5 Gew. % Glimmerflocken, die eine spezifische Oberfläche von 15 m2/g aufweisen, kann in der gleichen Weise wie die Fraktion 1 oder auf eine andere geeignete Weise behandelt werden.
Die die Fraktion 3 bildende wässerige Suspension kann in der gleichen Weise behandelt werden, wie die anderen Fraktionen oder in einer anderen Weise. Die Fraktion 3 kann z. B. durch Sieben, Auspressen des Wassers und Trocknen kondensiert werden, wobei lose zusammenhängende Blöcke mit einem Durchmesser von 500 mm und einer Höhe von 100 mm erzeugt werden. Das resultierende Produkt kann als Füllstoff für Kunstharze oder dergleichen verwendet werden.
Beispiel 2
In den Trichter der in der Fig. 13 dargestellten Einrichtung werden fortlaufend gereinigte Partikeln von Muskovitabfall eingefüllt, aus dem die Partikeln in die Aufspaltungskammer eingetragen werden. In der Kammer werden die Partikeln fortlaufend in dünne Flocken in einem inerten Strömungsmittel, wie Argon, aufgespalten, das durch die Düsen in die Kammer mit einer Geschwindigkeit von 12 m/sec und mit einer Temperatur von 1030 C eingelassen wird.
In diesem Falle werden die Partikeln beständig ausgeschieden, wenn sie eine spezifische Oberfläche von 30 m2/g erreichen. Wie in der Fig. 16 dargestellt, können die Partikeln dann in der Kammer 280 auf eine Temperatur unterhalb von 500"C abgekühlt und in einem elektrischen Feld mit 15% eines anorganischen pulverförmigen Bindemittels vermischt oder überzogen werden, z. B. mit Boraxglas, das durch einen Trichter 281 eingefüllt wird. Das Gemisch wird dann zwischen den Elektroden 282 und 283 agglomeriert, wobei ein Glimmerpapierbogen mit einer Breite von 1,05 m und mit einer Dicke von 0,5 mm erzeugt wird. Dieses Produkt 284 kann dann z. B. bei einer Temperatur von 520 C gepresst und zu Bogen mit den Abmessungen 1,05 x 1,05 m zurechtgeschnitten werden.
Beispiel 3
Glimmerpartikeln mit einer spezifischen Oberfläche von 30 m2/g, die nach dem Verfahren des Beispiels 2 erzeugt worden sind. werden mit fein gemahlener Bleiglasfritte gründlich vermischt, die einen Erweichungspunkt von ungefähr 4500 C aufweist. Während des Vermischens wird Wasser zu abgesetzt, wobei 100 Teile Glimmer, 250 Teile Fritte und 200 Teile Wasser verwendet werden. Die hierbei erzeugte Paste wird in eine plattenartige Form mit den Abmessungen 520 x 520 x 60 mm eingefüllt und bei einem Druck von 5 kg/cm2 kaltgepresst.
Die gepresste Platte wird danach erhitzt und in einer Form mit den gleichen Abmessungen bei einer Temperatur von 520 C getrocknet und unter Druck auf eine Temperatur von 4000 C abgekühlt, d. h. auf eine unter dem Erweichungspunkt der Fritte liegende Temperatur wonach die gepresste Platte allmählich auf Raumtemperatur abgekühlt wird. Die resultierenden Platten werden dann an den beiden Hauptflächen bis auf eine Dicke von 40 mm zurückgeschliffen und auf ein Format von 500 x 500 mm zurechtgeschnitten. Diese Platten sind bei Radiosendern als Konstruktions- und Isoliermaterial von Nutzen. Diese Platten weisen bei erhöhten Temperaturen einen wesentlich grösseren Widerstand auf und sind weit weniger spröde als die bisher bekannten ähnlichen Materialien.
Trotz des hohen Anteils des Glases in der Zusammensetzung können die Platten ohne besondere Schwierigkeiten durchbohrt oder auf andere Weise mechanisch bearbeitet werden, da die ultradünnen Glimmerpartikeln das Glas in der Zusammensetzung in viel feinere Lagen oder Schichten aufteilen als dasselbe Gewicht gröberer Partikeln, die bisher verwendet wurden.
Beispiel 4
Glimmerplatten, die nach dem Verfahren des Beispiels 2 hergestellt worden sind und eine spezifische Oberfläche von 30 m2/g aufweisen. werden lose in den Raum zwischen zwei Metallwandungen eines elektrischen Ofens eingesetzt, die einen Abstand von 20 mm von einander aufweisen. Die resultierende Schicht bildet trotz der Dicke von nur 20 mm eine ausgezeichnete thermisch und akustische Isolation.
Beispiel 5
Muskovitstücke werden beständig in die in der Fig. 15 dargestellte Einrichtung eingetragen, in der sie in sehr dünne Partikeln aufgespalten werden, die sofort und beständig durch den Umlauf des gasförmigen Mittels ausgeschieden werden.
Das Mittel besteht im vorliegenden Falle aus Argongas, das aus Düsen in den unteren Teil der Kammer 194 mit einer Geschwindigkeit von 120 m/sec eingelassen wird. Dieses Gas wird mit einer Temperatur von 1150 C eingelassen, wobei die Temperatur des Glimmers in der Behandlungskammer auf ungefähr 8900 C erhöht wird.
Im vorliegenden Falle wird eine hochgradige Aufspaltung durch die gleichzeitige Wirkung der hochgeschwinden Gasströmung und der hohen Temperatur erzielt, die eine Dehydratisierung und ein Quellen des Glimmers bewirkt. Das Aufspalten kann weiterhin dadurch gefördert werden, dass nicht dargestellte Ultraschallerzeuger verwendet werden, die an der Kammer angebracht sind und Schwingungen mit einer Frequenz von ungefähr 800 kHz erzeugen.
Feine Partikeln, deren spezifische Oberfläche grösser als 30 m2/g ist und bis zu 1000 m2/g oder mehr beträgt, werden aus der Einrichtung durch das nach unten führende Rohr 196 mit Hilfe eines zwischen den Elektroden 191 und 192 erzeugten elektrischen Feldes entfernt. Wird eine wässerige Suspension der Glimmerpartikeln benötigt. so kann in den unteren Teil des Rohres 196 Wasser eingespritzt werden. Die erzeugten Partikeln können dann mit Hilfe an sich bekannter Mittel in mehrere, Partikeln verschiedener Grösse umfassende Fraktionen klassifiziert werden.
Die beschriebenen und nach dem erfindungsgemässen Verfahren erzeugten Glimmerpartikeln weisen wesentlich bessere mechanische, elektrische und andere physikalische Eigenschaften auf als die bisher zur Verfügung stehenden ähnlichen Glimmerprodukte. so dass sich für die besseren Partikeln neue Verwendungsmöglichkeiten ergeben. Die aus dem neuen Material. d. h. aus den ultrafeinen Glimmerflokken hergestellten Produkte weisen erhebliche Vorzüge auf.
Da die neuen Glimmerfiocken ausserordentlich dünn sind, so können mit diesen selbsttragende und zusammenhängende Glimmerfolien, Beläge und Laminate mit einer Dicke von nur einigen Mikron hergestellt werden.
Die wichtigsten Bauteile der Einrichtung nach der Erfindung weisen eine grosse Kapazität und verhältnismässig kleine Abmessungen auf, so dass bei einer gegebenen Anlage eine zehnmal so grosse Ausbeute erhalten werden kann als bisher möglich. Überdies ist das Aufspaltungsverfahren nach der Erfindung insofern ausserordentlich vorteilhaft, als zugleich verschiedene Glimmersorten, wie Muskovit und Phlogopit. verwendet werden können, und ferner kann Glimmer mit sehr unterschiedlicher Partikelgrösse verwendet werden, von welchem Material im wesentlichen 100so in die gewünschten Produkte umgewandelt werden können.
Ferner werden noch wichtige Vorteile dadurch erzielt, dass gewisse Merkmale der Erfindung bei der Durchführung des Verfahrens Abwandlungsmöglichkeiten zulassen, so dass Aufsp altungseinrichtungen in verschiedenen Ausführungen parallel oder nacheinander je nach der Art des gewünschten Produktes verwendet werden können. Die Einrichtung nach der Erfindung weist eine grosse Produktionskapazität pro Flächeneinheit auf.
Bei Fehlen besonderer Hinweise beziehen sich alle Angaben über Prozentsätze und Anteile der Materialien auf das Gewicht. An den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen können von Sachkundigen im Rahmen des Erfindungsgedankens Änderungen. Abwandlungen und Ersetzungen vorgenommen werden. Die Erfindung selbst wird daher nur durch die beiliegenden Ansprüche abgegrenzt.
PATENTANSPRUCH 1
Verfahren zum Aufspalten eines hydratisierten kristallinen und blättrigen Minerals in feine Partikeln, dadurch gekennzeichnet, dass Stücke des Minerals auf eine Temperatur erhitzt werden, die unzureichend ist, um das Hydratisierungswasser freizusetzen, dass im unteren Teil einer sich nach oben erstreckenden und einen im wesentlichen kreisrunden Querschnitt aufweisenden Aufspaltungszone ein gasförmiges Mittel in Form einer Vielzahl von wirbelnden, nicht radialen, konvergierenden, flachen Strömungen mit hoher Geschwindigkeit in Umlauf gesetzt wird, und dass die Stücke des Minerals im genannten unteren Teil der Einwirkung der wirbelnden Gasströmungen ausgesetzt wird, bis die Mineralstücke in grössere Partikeln sowie in verhältnismässig feine Partikeln mit einem gewünschten Feinheitsgrad aufgespalten sind, wobei die feineren Partikeln aus der Aufspaltungszone entweichen,
während die grösseren Partikeln in der Aufspaltungszone zurückbleiben und weiter aufgespalten werden.
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A method and apparatus for breaking down a hydrated crystalline and foliated mineral
The invention relates to a method for breaking down a hydrated crystalline and leafy mineral into fine particles, as well as a device for carrying out this method.
Natural and synthetic mica crystals can be broken down into relatively small flakes. The industry is increasingly demanding larger and thinner flakes with larger surfaces. For this reason, there has been a keen interest in the art to develop better methods and devices by which the mica can be broken down into even thinner flakes which, with or without a binder, are combined into coherent sheets or sheets of large surface area. The previously known methods for manufacturing products with a large surface area of mica particles with a thickness of, for. B. 0.01 to 0.03 mm have proven to be very troublesome, so that only relatively little mica was used, and furthermore the products were not sufficiently uniform and also expensive.
Furthermore, these products did not show any surface adhesive forces.
Process for producing sheets or sheets with a large surface area from mica particles with a thickness of the order of magnitude of less than 0.01 mm, e.g. B. about 0.002 to 0.008 mm have been known for more than fifty years. The poor physical, and particularly mechanical, properties of the products have prevented them from gaining commercial importance. Newer methods, e.g. For example, the processes described in US Pat. Nos. 2,405,576 (Heyman) and 2,549,880 (Bardet) have acquired a certain commercial importance, particularly because the mechanical properties of the products made by these processes were better than those of the older ones Process manufactured products. Although these methods are now more than twenty years old, they have not found any further use.
These newer processes could only partially replace the older processes with which particles with a thickness of more than 0.01 mm could be produced, the products produced by the newer processes still much to be desired with regard to the mechanical and dielectric properties leave behind. Furthermore, the treatment is difficult, the raw material is not fully used, and the running cost is high.
Even if mica particles are used as pigments or fillers, even thinner particles are required which have the largest possible surface area per unit weight. In this case, the further requirement is often made that the particles should not exceed a certain largest dimension, and furthermore the particle size should be within a fairly narrow size range. On the other hand, especially for particles with a small diameter of 1 micron or less, it has been impossible in the art to produce large quantities of particles whose size is in a certain narrow size range. The previously known mica particles only had weak surface adhesive forces.
The invention aims to produce fine solid particles, such as thin mica flakes, with a large surface area and with new and better properties which make these particles particularly valuable as agglomeration agents or pigments and for the production of aggregated or agglomerated products.
The present method and devices allow the oriented cleavage of a brittle crystalline solid, such as mica, in the main crystallization plane and secondly in a further crystallization plane, while the cleavage in other planes is limited, thereby enabling the production and optional recovery of particles or flakes which have the desired large specific surface and a geometrically elongated shape and predominantly a thickness of a few tenths or even thousandths of a micron or less.
It provides for the production and maintenance of a suspension with fine mica flakes, which are later converted either into an agglomerate or into free-floating particles and can be used as a pigment or the like; this enables the manufacture of an improved mica paper or similar structure either from fine mica flakes alone or from a mixture of such flakes with other conventionally used auxiliary materials such as binders, fillers, etc., and in particular the manufacture of mica papers less than 20 microns thick .
These purposes are achieved in the process according to the invention in that pieces of the mineral are heated to a temperature which is insufficient to release the water of hydration, that in the lower part of an upwardly extending and essentially circular cross-section having a decomposition zone a gaseous agent in the form a variety of swirling, not radial.
converging, shallow currents is set in circulation at high speed, and that the pieces of the mineral in said lower part of the action of the swirling gas currents is exposed until the mineral pieces are split into larger particles as well as into relatively fine particles with a desired degree of fineness, the finer particles escape from the splitting zone, while the larger particles remain in the splitting zone and are split further.
The device according to the invention for carrying out this method is then characterized by a housing with a circular cross-section, which has a splitting chamber in the lower part and a slurry chamber in the part located above this, by a plurality of nozzles with essentially perpendicular elongated openings which are inserted into of the decomposition chamber are arranged around the periphery thereof and from which swirling, non-radial, converging shallow flows of a gaseous agent emerge directed substantially inwardly into the decomposition chamber, through means which supply the gaseous agent to the nozzles, through means for introducing the pieces of the mineral into the decomposition chamber, and through means for discharging the fine particles from the upper part of the slurry chamber.
The invention will now be described in detail by means of examples. In the accompanying drawings, the
Fig. 1 shows a representation of a process that begins with the preparation of a raw material quantity (A), followed by a splitting stage (B), then the production of a suspension (C) from the particles and a shaping stage (E) for the end product or without a separate one
Agglomeration stage (D),
Fig. 2 is a graphic representation of the amount of water (in
Percentages on the y-axis) that is lost from a typical amount of mica by heating to ever higher temperatures (in degrees Celsius, x-axis) until a constant anhydride weight is reached,
Fig.
3 is a graph of the increase in the volume of the mica (in percent, y-axis) with respect to the time (in seconds, x-axis) during which it is heated from 18 C to 885 "C, i.e. the effect of the
Heating to the degree of swelling achieved,
4 shows a graphical representation of the relationship between the tensile strength (in kg / mm2, y-axis) and the thickness of the mica (in microns, x-axis) after the mica between two complementary surfaces with a Z-shaped profile a load of
10 kg / cm2 has been bent,
Fig. 5 is a vertical section through the device which is used to bend the mica (Fig. 4),
Fig.
6A, 6B, 6C each show a representation of a piece of mica that is split into thin flakes or scales along the x and y axes under the simultaneous action of heat and a high-speed flow of a gaseous agent,
7 shows a microscopic image of a group of mica particles which were obtained using the older Bardet method and which have an irregular shape and very different sizes,
FIG. 8 shows a greatly enlarged vertical section through a typical particle according to FIG. 7,
9 shows a microscopic illustration of a group of typical mica particles produced by the method according to the invention, which are predominantly rectangular in shape and whose size is within a relatively narrow range.
10 shows a greatly enlarged vertical section through a mica flake produced by the method according to the invention with essentially flat outer sides free of irregularities,
11 shows a vertical section through a deposit of relatively thick and inflexible mica particles on a solid base, which are produced according to the older methods, with cavities being present between some particles and between these and the base,
12 shows a vertical section through a dense deposit of thin, flat and flexible particles which are produced according to the method according to the invention and which cling closely to the surface of a solid base, which is comparable to the base shown in FIG.
13 shows a vertical section through a device according to the invention for splitting materials such as mica, which device is preferably used together with a hot gaseous suspension medium,
14 is a plan view of the device according to FIG. 13, seen from the line 14-14;
15 shows a vertical section through another embodiment of the device according to FIG. 13, in which a less complicated nozzle system is used and in which the product is drawn off downwards with the aid of an electrostatic separator,
Fig. 16 is a schematic representation of an arrangement in which a suspension of mica particles in a gaseous agent, for.
B. a suspension produced with the devices according to FIGS. 13 or 15 with or without the addition of a binder evenly downward between two
Electrodes flows through it, to which a high voltage
AC voltage is applied, which suspension is electrostatically deposited in a deep part located on a moving conveyor belt, which is arranged between two other electrodes.
The method described below deals with the breaking down of relatively easily fissile materials into fine particles. In particular, minerals such as mica are broken down into small, thin flakes or flakes, which have active surfaces and an unusually evenly high ratio of surface: thickness, and which mainly fall within a relatively narrow size range. Products can be produced from these particles by agglomeration, e.g. B. paper, surface enbeläge, documents of capacitors, structural units, cardboard, tapes, plates, tubes, cylinders and other products in any desired shape or with a certain profile, the individual elongated particles in a given plane oriented predominantly parallel to each other are.
The device according to the invention is preferably intended to be used for splitting mica, but is just as effective for splitting other materials, especially those materials which release molecularly bound water or water of crystallization when heated.
The mentioned materials can be used in various ways. For example, the fine particles or the unoriented and easily redispersible agglomerates of such particles can be used as pigments and fillers for paints and other coating agents, for resinous plastics, for elastomeric compositions, as well as adsorbents or carriers for other materials, etc. In the form of oriented agglomerates, the particles are useful as insulators or coatings in electrical equipment, or as construction materials, etc.
Mica forms a group of silicates which are characterized by their strong ability to be cleaved along the main crystalline plane, but much less easily in the crystal plane essentially perpendicular to the first-mentioned plane, while cleavage in another plane is much more difficult to carry out is. Such a mineral therefore has, crystallographically, a plate-like structure which is very flexible, elastic and strong, and which can be divided into very thin flakes or scales. Mica can be found in various crystal sizes, although large crystals are rare, and in various chemical compositions as muscovite, phlogopite, biotite, etc.
Because of its excellent dielectric and mechanical properties, chemical stability and strength at high temperatures, mica is used for various industrial purposes, with the best mica being mainly used as an insulating material in the electrical industry. However, the properties and usability of mica are very different and depend not only on the main type, but even for a given variety, the properties depend on the exact chemical composition. The chemical composition of natural mica is very different and sometimes even in a single crystal.
Nevertheless, the exact chemical composition determines the thermal resistance of individual mica crystals, and if the critical dehydration temperature of a given piece of mica (generally more than 500 C) is exceeded, the mica is dehydrated, swells and disintegrates depending on the temperature and the duration of the heating . Some types of synthetic mica have similar characteristics.
The term pigment refers to finely divided solids that are used as additives for paints, liquid coating compositions, glazes and the like, while the term fillers refers to finely divided solids that are used as additives for molding resins, powders, pastes, elastomeric mixtures, Graphite compositions, insulating compositions, papers and as layers of free floating solids for thermal or acoustic
Isolators are used. The term agglomerating agent refers to fine mica particles with active areas or adsortive capacities, which the mica merpartikel as a carrier for active substances, e.g. B.
Insecticides or herbicides, make suitable or also as constituents of filter media, or as carriers for pigments or other dyes or for materials such as silver or titanium dioxide powder or the like for the production of semiconductors. It can be seen from FIGS. 9 and 10 that the mica particles produced by the method according to the invention have the required geometrical shape, i. H. a small thickness and a relatively large and flat one
Surface area, with the particle size within a narrow range. Depending on the requirements, the flakes according to the invention can be produced with a much larger specific surface than was previously possible; H. with a surface area of more than 7 m2 / g, e.g. B. from more than 7 up to 700 or even 2500 m2 / g for certain types of mica.
The largest dimensions of the mica flakes or particles can be predetermined depending on the requirements and the desired specific surface area and can be 1 or more millimeters, tenths or hundredths of a millimeter or, for special purposes, one or more microns, tenths, hundredths or even thousandths of a micron , particularly within a predetermined narrow size range which is within a total of about 30 millimeters up to 2 millimicrons. For example, the product shown in FIGS. 9 and 10 can, if desired, consist predominantly of particles having a large length: thickness ratio, which can be in the order of magnitude of 1000: 1 up to 5,000,000/1.
With the pigments, fillers and agglomerating agents produced according to the invention, new areas of use can be opened up, since in particular the particles represent a new type in the physical sense.
For example, the finely divided particles behave, when they are dispersed in a suitable medium, like colloids with a surprising ability to adsorb particles of other materials on the surfaces and to cling to variously designed substrates without breaking.
With reference to FIG. 1, the method according to the invention is first described in summary form.
A. Preparation of the raw material
All types of mica, natural or synthetic mica, can be used for the method according to the invention. The raw mica is cleaned in the conventional manner in order to remove organic matter, dirt and foreign minerals, whereby a material with a purity of at least 90% should result. The invention has u. a.
the important advantage that mixtures of mica crystals can be treated at the same time, which have a different chemical composition and whose particles are of different sizes.
B. Splitting
The method for the selective and oriented splitting of the mica according to the invention is shown in FIGS. 6A,
6B and 6C. The effects of sudden and local temperature changes are shown in Fig. 6B with arrows c, while in Figs. 6B and 6C the effects of high-speed and high-frequency gas flows are shown with arrows a and b. These effects lead to a splitting of the mica mainly in two directions, primarily in the plane of the lowest cohesion (main plane) and also in the plane with the next lower cohesion, which we sentlichen perpendicular to the first-mentioned plane. The effects acting in other directions are not very pronounced and are suppressed by the elasticity of the mica.
As a result, the mica is predominantly split in the two main crystal planes, while a break in another plane is relatively insignificant.
According to the inventive method, the continuously fed mica pieces (FIG. 6A) are exposed to the necessary mechanical splitting forces or mechanical and thermal forces in one or more splitting chambers that are arranged one after the other or parallel to one another. The forces act at temperatures of about 100 "C up to about 13500 C on the large pieces of mica material, depending on the size of the pieces in a period of a fraction of a second to a few minutes, in a preferably inert gaseous medium.
These forces cause a splitting of the mica mainly in the direction of the two mentioned levels through pulsating, vibrating and accelerating or decelerating currents of the medium, which swirl in a certain oriented way and a splitting of the mica particles mainly and progressively from the surface of the particles inwards effect, as shown in FIGS. 6B and 6C, until the original mica pieces are split up to the desired extent. With some types of mica and according to the intended use, the process can be carried out in a single chamber, while in other cases the splitting can be carried out in several identical or different splitting chambers, e.g.
B. first at ambient temperature in a liquid medium and then in a gaseous medium at an elevated temperature at which the mineral loses bound water. This method can of course be modified, e.g. B. the mica pieces are preheated or thermally pretreated before they are entered into the splitting chamber and preferably treated in an inert gas or a protective gas such as argon or hydrogen.
The resulting flaky or broken down products, the active, i.e. H. Adsorbent surfaces obtained when their size is reduced to the predetermined dimensions are immediately and continuously deposited and treated in the next process step. In some cases binders or other substances can be added, e.g. B. organic or inorganic fibers, flakes and the like to evenly distribute the mica flakes in the finished product.
The final size can be determined by the maximum permissible dimension or diameter or, even better, by the random size range, e.g. 10 to 30 microns or 0.1 to 1 micron. The splitting process is therefore suitable for splitting in all levels of cleavage. To produce the desired small particles, the process depends on the effects of high speed, e.g. B. 100 meters per second or more, the splitting agent, which can be supplemented by the action of high-frequency waves (20 kHz or more) and by an acceleration and deceleration of the particles.
The effectiveness of the method can be further increased in that the splitting agent is intermittently admitted into the reaction chamber and therefore generates pulsations. The device shown in FIGS. 13, 14 and 15 produces the effects mentioned, so that pigments, fillers or agglomeration agents in different sizes and length: thickness ratios can be produced by appropriate determination of the variables, e.g. B. by increasing the speed of the gaseous or liquid agent, by increasing the number of nozzles, etc.
C. Preparation of a suspension
The mica particles having active areas are kept suspended or suspended in the agent in which they were manufactured or in another protective agent. Various combinations of gaseous or liquid agents can be provided, depending on the requirements of the subsequent use. Intermediate products can continuously be produced and the suspension can be concentrated according to the requirements of the next process stage. Maintaining a suspension of these particles is preferably effected by the flow of said agent and only by mechanical means; however, in some cases it can be useful to additionally use the effect of an electrical field (FIG. 15).
The suspension of the particles with the appropriate concentration can then be added continuously or intermittently in an agglomeration stage, or the suspension is added directly in a further completion stage, as will be described later.
D. The agglomeration stage of the process
In the next procedural stage, there is an oriented
Agglomeration of the particles from said suspension (in a gas or a liquid) in a protective agent, products of various types being produced directly by agglomeration of this suspension, or mica paper is first produced.
The agglomerated product can then be further processed in process stage E, or two process stages are combined.
E. The final processing
As can be seen from FIG. 1, products can be produced in this process stage from the agglomerate produced in process stage D, and further conversion of the fillers, pigments and agglomerating agents produced in process stage B, for. B.
by mixing or coating with other materials.
The splitting device shown in FIGS. 13 and 14 has an axially symmetrical splitting chamber, which preferably has a vertical axis and the shape of an inverted truncated cone 100, in which chamber the mica is put into circulation and again put into circulation in a gaseous medium, whereby the raw material is broken down into particles or flakes of the desired size. The operating temperature is preferably above the temperature at which bound water is released from the mica, and which is generally about 800.degree.
The operating conditions are normally such that the admitted agent and the introduced mica do not reach thermal equilibrium, the admitted gas having a temperature which is significantly higher than the temperature to which the mica is to be heated. However, the device can also be operated at temperatures which are below the temperature at which water is released from the mica, and the operation can even be carried out at ambient temperature or with cooling.
The frustoconical vessel 100 is provided with a lid 101, at the center of which a funnel 102 is attached, through which and through a pipe 103 the raw material can be poured into the device. Curtain-like closures 104 and 105 are arranged in this tube. Distributors are provided on the lower part of the chamber, of which the distributor 106 is arranged on the circumference and the distributor 107 is arranged essentially on the axis of the vessel.
Both distributors are provided with nozzles 108 and 109 at intervals on the circumference, each nozzle having a vertically arranged and elongated outlet opening.
These openings or slots are equally spaced around the circumference of each manifold, with only a single opening being provided in a small unit, while twenty or more openings can be provided in large units.
The openings are arranged so that the gaseous medium forms laminar or plane flows 110 and 111, as shown in FIG. 14. Devices 112 that generate sonic or ultrasonic vibrations are attached to the wall of the vessel 100. In the upper part of the reaction chamber there is an outlet 113 for the properly comminuted product. The supply and distribution of the fluid is shown schematically at 114.
Relatively coarse pieces of purified mica are constantly filled into the funnel 102. As long as the pieces are small enough to pass through the feeder, the pieces can be of any shape. The pieces pass through the curtain seals 104 and 105, which are preferably formed by the same fluid that is used for the main split. These fluid curtains are intended to exclude the ambient air and at the same time can be used to preheat the inflowing mica and sometimes cause the mica to swell to a certain extent at the beginning.
The mica freed from the ambient air in this way falls due to its inherent gravity into the main part of the reaction chamber with the support of the pressure of the flow medium which forms the aforementioned closure curtains and the suction effect of the flow medium flowing out of the distributors 106 and 107. In the reaction chamber, the mica is split up by the action of the high-speed, laminar and preferably shallow flows of the fluid, which z. B. flows out of the openings at a speed of 5 to 200 m / sec. As already described in connection with FIG. 6, the splitting proceeds from the outside of the mica particles towards the inside.
The split mica particles are carried upward by the tangential and spiral movement of the fluid; however, the particles that have not yet been sufficiently broken up will return to the active breakdown zone through the central part of the chamber. Depending on the requirements, devices can also be used which generate sound and ultrasonic vibrations in the range from 20 kHz to 10 MHz in order to increase the effectiveness of the splitting. The particles, which have reached the required dimensions, rise rapidly to the collection zone 113 and are quickly removed therefrom. Depending on the further requirements, the product can still be sorted according to size when it is discharged from the splitting chamber.
The particles can e.g. B. be sorted electrostatically in an electric field in the gaseous medium. For this purpose, the individual particles are polarized by induction, after which the resulting dipoles move under the influence of a non-homogeneous electrical field in this field in the direction of the increasing field strength.
The device suitable for this purpose can consist of two electrodes which are situated opposite one another at a distance and between which a strong electric field is generated. A plurality of chambers are suitably provided between these electrodes, which in turn collect particles with increasingly smaller dimensions. The first electrode then serves to intercept all of the mica product when it leaves the outlet
113 (Fig. 13) falls out; however, the particles will then be attracted to the other collecting electrode. During the flight from the first electrode to the collecting electrode, the mica particles are subject to the action of gravity, and since both electrodes are quite far apart, not all of the particles reach the collecting electrode.
The heaviest particles collect in the chamber closest to the first electrode, the less heavy particles collect in the next following chamber, and the lightest particles collect in the chamber closest to the collecting electrode. In order to prevent the particles from being held on to the collecting electrode, an insulating wall or shield, which deflects the particles, is preferably arranged in front of the collecting electrode.
example 1
Purified muscovite waste pieces are poured into the funnel 102 shown in FIG. 13 and gradually introduced into the reaction chamber 100 from there. In this chamber, the pieces are mainly split from the outside into elementary structural flakes in the inert argon gas, which is let in through the nozzles 108 and 109 at a speed of 10 m / sec and at a temperature of 1100 ° C. The particles are continuously excreted when they reach a specific surface area of around 10 m2 / g (within seconds).
The particles obtained are then poured into distilled water and cooled in the process, after which the particles suspended in the water are electrostatically sorted in an electric field into three fractions, which differ from each other by different average particle sizes or by differently sized surfaces, as already explained. In this way, fractions with an average specific surface area of approximately 10 m2 / g, 15 m2 / g and approximately 20 m2 / g can be obtained.
Fraction 1, which consists of mica particles with an average specific surface area of approximately 20 m2 / g, can then be introduced as a 1% aqueous suspension into a treatment chamber, in which the particles are deposited by electrophoresis on a moving belt that serves as one of the two spaced electrodes to which a voltage of approximately 200 to
1000 volts is applied. In this way, a sheet or foil with a uniform thickness of about 5 microns can be produced. The resulting wet film can then be further pressed and dried together with the tape, after which the dry film is removed from the tape.
Fraction 2, which is obtained from an aqueous suspension containing 0.5% by weight of mica flakes and having a specific surface area of 15 m 2 / g, can be treated in the same way as fraction 1 or in another suitable manner.
The aqueous suspension forming fraction 3 can be treated in the same way as the other fractions or in a different manner. Fraction 3 can, for. B. condensed by sieving, squeezing out the water and drying, loosely connected blocks are produced with a diameter of 500 mm and a height of 100 mm. The resulting product can be used as a filler for synthetic resins or the like.
Example 2
In the funnel of the device shown in FIG. 13, cleaned particles of muscovite waste are continuously filled, from which the particles are introduced into the splitting chamber. In the chamber, the particles are continuously broken down into thin flakes in an inert fluid such as argon, which is admitted through the nozzles into the chamber at a speed of 12 m / sec and at a temperature of 1030 ° C.
In this case, the particles are constantly excreted when they reach a specific surface area of 30 m2 / g. As shown in FIG. 16, the particles can then be cooled in the chamber 280 to a temperature below 500 "C and mixed or coated in an electric field with 15% of an inorganic powdery binder, for example borax glass, the through a funnel 281. The mixture is then agglomerated between the electrodes 282 and 283, producing a sheet of mica paper 1.05 m wide and 0.5 mm thick pressed at a temperature of 520 C and cut into sheets with the dimensions 1.05 x 1.05 m.
Example 3
Mica particles with a specific surface area of 30 m 2 / g, which were produced according to the method of Example 2. are thoroughly mixed with finely ground lead glass frit, which has a softening point of approximately 4500 C. During the mixing, water is added using 100 parts of mica, 250 parts of frit and 200 parts of water. The paste produced in this way is poured into a plate-like mold with the dimensions 520 x 520 x 60 mm and cold-pressed at a pressure of 5 kg / cm2.
The pressed plate is then heated and dried in a mold of the same dimensions at a temperature of 520 C and cooled under pressure to a temperature of 4000 C, i.e. H. to a temperature below the softening point of the frit, after which the pressed plate is gradually cooled to room temperature. The resulting panels are then ground back to a thickness of 40 mm on the two main surfaces and cut to a size of 500 x 500 mm. These panels are useful as construction and insulating materials in radio transmitters. At elevated temperatures, these plates have a significantly greater resistance and are far less brittle than the similar materials known to date.
Despite the high proportion of glass in the composition, the panels can be drilled through or otherwise mechanically processed without any particular difficulty, since the ultra-thin mica particles break up the glass in the composition into much finer layers or layers than the same weight of coarser particles that have previously been used .
Example 4
Mica sheets which have been produced according to the method of Example 2 and have a specific surface area of 30 m 2 / g. are loosely inserted into the space between two metal walls of an electric furnace that are 20 mm apart. Despite its thickness of only 20 mm, the resulting layer provides excellent thermal and acoustic insulation.
Example 5
Muscovite pieces are continuously entered into the device shown in FIG. 15, in which they are split up into very thin particles which are immediately and continuously excreted by the circulation of the gaseous agent.
In the present case, the agent consists of argon gas, which is introduced from nozzles into the lower part of the chamber 194 at a speed of 120 m / sec. This gas is admitted at a temperature of 1150 ° C., the temperature of the mica in the treatment chamber being increased to approximately 8900 ° C.
In the present case, a high degree of decomposition is achieved by the simultaneous action of the high-speed gas flow and the high temperature, which causes dehydration and swelling of the mica. The splitting can furthermore be promoted in that ultrasonic generators (not shown) are used which are attached to the chamber and generate vibrations with a frequency of approximately 800 kHz.
Fine particles, the specific surface of which is greater than 30 m2 / g and up to 1000 m2 / g or more, are removed from the device through the downwardly leading pipe 196 with the aid of an electric field generated between the electrodes 191 and 192. An aqueous suspension of the mica particles is required. this allows water to be injected into the lower part of the tube 196. The particles produced can then be classified into several fractions comprising particles of different sizes with the aid of means known per se.
The mica particles described and produced by the process according to the invention have significantly better mechanical, electrical and other physical properties than the similar mica products available so far. so that there are new uses for the better particles. The ones from the new material. d. H. Products made from the ultrafine mica flakes have significant advantages.
Since the new mica flecks are extremely thin, self-supporting and coherent mica foils, coverings and laminates with a thickness of only a few microns can be produced with them.
The most important components of the device according to the invention have a large capacity and relatively small dimensions, so that with a given system a yield ten times as large as previously possible can be obtained. In addition, the splitting process according to the invention is extremely advantageous in that it also uses different types of mica, such as muscovite and phlogopite. can be used, and furthermore mica can be used with very different particle sizes, from which material essentially 100 can be converted into the desired products.
In addition, important advantages are achieved in that certain features of the invention allow modification possibilities when carrying out the method, so that splitting devices in different designs can be used in parallel or one after the other depending on the type of product desired. The device according to the invention has a large production capacity per unit area.
In the absence of special information, all information on percentages and proportions of the materials are based on weight. Experts can make changes to the exemplary embodiments described above within the scope of the inventive concept. Modifications and replacements are made. The invention itself is therefore only delimited by the appended claims.
PATENT CLAIM 1
A method for breaking down a hydrated crystalline and flaky mineral into fine particles, characterized in that pieces of the mineral are heated to a temperature which is insufficient to release the water of hydration, that in the lower part of an upwardly extending and a substantially circular cross-section having a decomposition zone, a gaseous agent in the form of a plurality of swirling, non-radial, converging, shallow currents is set in circulation at high speed, and that the pieces of mineral in said lower part of the action of the swirling gas flows is exposed until the mineral pieces in larger ones Particles as well as relatively fine particles are split up to a desired degree of fineness, the finer particles escaping from the splitting zone,
while the larger particles remain in the splitting zone and are further split.
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