DE1942991B2 - Zur verwendung in baustoffen geeignete mineralfasern mit einem wesentlichen anteil an kristallphase - Google Patents

Description

beschrieben. Die wicluigsien derartigen I iiL-raiurstellen sind die folgenden: .1.W. G re ig. Am. Soi, 5. Scr. 13, 41 (1027I, I. M. Lea und T.W. Parker. Trans. Roy. S₁K-. (London) Scr. A 234 A (731) Ui (1034),

M. A. S w a y ζ e, Am. Soi 244 15, IS und 19 (1946). R.W. Nurse und H. G. Midgley J. Iron Steel Inst. (London) 174 124 (1953). ~

Ls ist festzustellen, daß die ertindungsgemäßen Mineralfasern nicht 100ⁿ/₀ig glasartig sind. Trotzdem i.önnen stabile Fasern erhallen werden.

Zur Herstellung der Fasern aus den angegebenen ■ )\idsehmelzmassen wird, wie bereits erwähnt, der .,hgezogene Schmelzflußsirom der Einwirkung eines Komprimierten Gasstromes, z. B. Luft, der mit einer .IUr Bewirkung der Faserbildung ausreichenden Geschwindigkeit und Durchsatzleistung angewandt wird, ausgesetzt.

Ir. der Regel werden bei der Herstellung der Fasern ff ic besten Ergebnisse dann erhalten, wenn e\i Schmelzbad, dessen Temperatur mindestens 200 C über der theoretischen, durch die angegebenen Phasendiagramme angezeigten Schmelztemperatur liegt, der Einwirkung des Kompressionsstromes ausgesetzt wird. Es zeigte sich, daß in vorteilhafter Weise ein Schmelzbad mit einer so hoch wie möglich liegenden Temperatur \erwendbar ist.

Als geeignet haben sich ferner auch andere Fließströme erwiesen, z. B. Wasserstrom von hoher Geschwindigkeit, wobei Fasern erhalten werden, die eine gröbere Struktur aufweisen als diejenigen, die unter analogen Bedingungen unter Verwendung eines Druckiuftstromes herstellbar sind.

Die praktische Durchführung der Faserbildung kann in verschiedener Weise erfolgen, was einesteils von den Bedingungen, unter denen dasSchmelzgemisch abfließt, und dessen Eigenschaften und anderenteils \on den Bedingungen, unter denen der Gasstrom angewandt wird, abhängt. Ferner kann auch die angestrebte Qualität der Fasern da\on abhängen, welchem Verwendungszweck dieselben zugeführt werden sollen.

Der Fachmann kann ohne Schwierigkeiten an Hand der im folgenden angegebenen allgemeinen Richtlinien und insbesondere der aus den Beispielen zu entnehmenden Angaben in jedem Einzelfall die geeigneten Bedingungen zur Herstellung von Fasern mit den besten Eigenschaften und der besten Eignung für einen bestimmten Verwendungszweck auswählen. Die wesentlichen Faktoren zur Beeinflussung der Fascrbiklung sind für eine bestimmte Menge an Oxidsehmclzmassc die Steuerung der Menge und der Geschwindigkeit des verwendeten Gasstromes. Die Steuerung dieser beiden Größen erlaubt die praktische Einflußnahme auf die Form und die Menge der erzeugten Fasern. Es besteht in jedem Falle eine Schwelle der Geschwindigkeit und der Menge des Gasstromes, ab welcher die Faserbildung erfolgt. So teilt z. B, der Druckluftstrom zunächst den Schmelzmassenabfluß. mit dem er sich im Kontakt befindet, auseinander, bevor er ihn in uer Richtung des Gasstromes verstreckt und auf diese Weise die Erzeugung von Fasern bewirkt. Besitzt der Kompressionsgasstrom nur eine schwache hydrodynamische Druckwirkung, so teilt sieh die Oxidschiv.elzmassc allerdings in eine sehr große Anzahl kleiner kugelförmiger Gebilde oder Kügelehcn. die hohl sein können und deren Durchmp«rr /. B. zwischen 0.1 und 5 mm variieren kann.

Die Meßwerte der Menge und der Geschwindigkeit des Gasstromes, die den Schwellenwirt der Fiiserbildung bilden, hängen offensichtlich \on der Menge des Schmelzmussenabllusses, dessen physiko-chemischer Natur, dessen Theologischen Eigenschaften, dessen Temperatur u. dgl. ab. Wird demnach von dem in Frage kommenden Grenzwert ausgegangen und anschließend die Geschwindigkeit des Gasstromes erhöht, so wird dadurch die Form der erhaltenen ίο Fasern beeinflußt. Die Länge der Fasern erhöht sich, und deren Durchmesser vermindert sich im selben Maße, in dem die Geschwindigkeit des Gasstromes steigt. Hohe Geschwindigkeiten des Gasstromes erlauben demnach die Erzeugung von langen und feinen Fasern, die besonders zur Verwendung als Verstärkungsmaterial geeignet sind.

Die relative Anordnung des Kompressionsgasstromes zur Ausflußrichtung der Oxidschmelzmasse beeinflußt ebenfalls die Faserb'Mung. Gemäß einer klassischen Anordnung wird der Luftstrom mit großer Geschwindigkeit in orthogonaler Richtung auf die Fließrichtungsachse des Schmelzmassenausflusses gerichtet. Der Luftstrom und der Oxidschmelzmassenstrom können gegebenenfalls in einem Punkte zusammenlaufen, d. h. konkurrieren. Handelt es sich um konkurrierende Ströme, so muß die Ausströmungsenergie des Gases höher liegen als diejenige des zu Fasern zu verformenden Oxidschmelzmassenstromes. Falls im Falle von zusammenlaufenden Achsen der beiden Ströme die Energie des Druckluftstromes nicht genügend hoch ist, wird die Oxidschmelzmasse zu Granalien und nicht zu Faser verformt. Mit demselben Luftverbrauch können jedoch Fasern erzeugt werden, wenn die beiden Ströme in senkrecht aufeinander stehenden Richtungen in der Weise aufeinandergerichtet werden, daß der Luftstrom mit d'iin Oxidschmelzmassenstrom tangential in Kontakt kommt. Auf diese Weise sind Mineralfasern nach der Erfindung herstellbar.

In umgekehrter Weise kann durch die dem Luftstrom verliehenen Eigenschaften auch der zur kompletten Faserbildung erforderliche Verbrauch an Oxidschmelzmasse variiert werden. Die folgenden Angaben ermöglichen dem Fachmann die Herstellung der Fasern nach der Erfindung. Für einen mit 1 Liter pro Minute fließenden Oxidschmelzmassenstrom wird ein sehr rasch fließender Druckluftstrom verwendet, d. h. ein Druckluftstrom, der die Düse mit einem so hoch wie möglich gelegenen Druck '-erläßt, wobei sich ein Luftstrom als /.weckmäßig erwiesen hat. der eine 8-mm-Düse unter einem Druck von 6 Bar verläßt. Hierfür hat sich ein Kompressor mit einer Kapazität von 10 m³ als geeignet erwiesen. Bei diesen Angaben handelt es sich offensichtlich um in der Praxis brauchbare Werte, die keineswegs kritisch sind.

Man kann die in Form von Fasern gebildeten Verfahrcnsprodukte in einem abgeschlossenen Gefäß, in dem mit Hilfe eines an der Eintrittsstelle der Fasern gegenüberliegenden Gefäßwand angeordneten Ventilators Hn leichter Unterdruck erzeugt werden kann, isolieren. Die Fasern sammeln sich am Boden des Gefäßes.

Die Mineralfasern nach der Erfindung weisen einen für den vorgesehenen Anwendungsfall günstigen, sehr hohen Elastizitätsmodul sowie ein vorteilhaftes Verhältnis von mechanischer Widerstandsfähigkeit zum Elastizitätsmodul auf. das höher liegt als in

vergleichbaren, in form son irgendwelchen polykristallinen Stoffen vorliegenden Materialien. So können /. Ii. Mineralfasern nach der Erfindung Zi'gfcstigkeitshruchwerte in der Größenordnung von 200 bis 3(H) kg mm- bei einem mittleren Faserdurchniesscr \on 5 Mikron aufweisen.

Die Mineralfasern nach der Erfindung sind ferner zur Herstellung \on stark porösen Erzeugnissen verwendbar, die im Hinblick auf die Kohäsion der erhaltenen Baumaterialien die bestimmten bekannten, für denselben Verwendungszweck eingesetzten Materialien, z. B. sogenannten "Schaunv-Betonen. anhaftenden Nachteile nicht besitzen.

Die Mineralfasern nach der Erfindung sind auch mit Tonerdenschmelzzementen verträglich. So sind z. B. fascrhaltige Betone herstellbar, deren Gehalt an Bindemittel 0 bis 30 Gewichtsprozent betragen kann. Hs zeigte sich, daß für bestimmte Verwendungszwecke das hydraulische Bindemittel ersetzt werden kann durch ein chemisch-mineralisches oder organisches Bindemittel. Derartige Faserbetone können zur Herstellung von gegenüber Wärme und Schall isolierenden Füllungen oder für Betone mit hoher Zugfestigkeit verwendet werden, wenn die Fasern in der Beanspruchungsrichtung angeordnet werden.

Die Zeichnung dient zur Veranschaulichung der Erfindung, wobei darstellt

F i g. 1 einen schematischen Aufriß einer Vorrichtung zur Herstellung von Mineralfasern nach der Erfindung und

F i g. 2 eine Draufsicht der in F i g. 1 dargestellten Vorrichtung.

Die in den F i g. 1 und 2 im Schema dargestellte Vorrichtung besteht aus einem üblichen bekannten Rückstrahlofen 1, in dem sich das aufgeschmolzene Oxidgemisch 2 befindet. Das Oxidgemisch ergießt sich in eine zylindrische Rinne 3. die um etwa 30" geneigt ist. Am unteren Ende der Rinne 3 bildet die Oxidschmelzmasse 2 einen vertikal herabströmenden Strom 6. Ferner ist ein Rohr 4. das in eine Düse 5 endet, mit einem Drucklufterzeuger verbunden.

Der in F i g. 2 im Schema dargestellte Druckluftstrom 7 verläßt die Düse 5 in einer auf die Strömungsrichtung des Oxidschmelzmassenausflusses 6 senkrecht stehenden Richtung. Außerdem gelangt der Luftstrom7 tangential in Kontakt mit dem Oxidschmelzmassenstrom 6, Die Fasern 8 werden durch Mitreißen des Stromes 6 durch den Luftstrom 7 sowie durch anschließende plötzliche Abkühlung der Oxidschmelzmasse gebildet. Gemäß einer in der Zeichnung nicht gezeigten Ausführungsform können die gebildeten Fasern 8 auf eine Filtrationsoberfiäche geführt werden, so daß der Oxidmassenstrom während der Faserbildung ungefähr in der Zone 9 angesaugt wird.

Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung näher erläutern. Die Durchführung der Beispiele erfolgte mit Hilfe der angegebenen Vorrichtung sowie mit Oxidschmelzmassen der angesehenen Zusammensetzung.

Beispiel 1

Im Schmelzofen 1 wurde ein homogenes Gemisch der folgenden, in Gewichtsprozent angegebenen Zusammensetzung aufgeschmolzen:

SiO,	Al	Ai	Fe	A,	CaO	MgO	Alkal	ioxklc
52			0		35	0.5	4	.0

Die gebildete Schmelzmasse ergoß sich bei einer Temperatur von 1500 bis 1555 C in die Abflußrinne 3. Der Durchmesser des Stromes 6 betrug einige Quadratzentimeter. Die Geschwindigkeit des Schmelzmassenstromes 6 betrug etwa I bis 3 in Sek. Die Druckluft wurde von einem beweglichen Kompressor geliefert, der einen Behälter von 0.150 nv¹ unter einem konstanten Druck von 7 kg cm'² hielt. Die zylindrische Rohrzuführunp 4 wies einen Durchmesser von 20 mm auf.

und die Düse 5 hatte einen Querschnitt von 20· 2.5 mm. Der Luftdurchfluß durch die Düse 5 betrug 3 Nm³ Min. Die mittlere Geschwindigkeit des Luftstromes betrug etwa 60 in Sek.

Die Menge der erhaltenen Mineralfasern konnte dadurch noch erhöht werden, daß ein erhöhter Luftdurchsatz, angewandt wurde. Die mittlere Länge von Wollastonitfasern hängt von der Temperatur des Schmelzmassenstromes ab. Wurde diese Temperatur seh«" nahe oberhalb des Schmelzpunktes gehalten, so

as wurden Fasern mit einer Länge von z. B. 2 bis 10 cm bei einem Durchmesser von 30 ;j.m erhalten. Demgegenüber wurden bei höheren Temperaturen Fasern von etwa 1 bis 3 cm Länge und 8 μιτι Durchmesser erhalten.

B e i s ρ i e 1 2

Zur Herstellung von Fasern vom Wollastonit-Typ wurde zunächst ein Gemisch der folgenden Zusammensetzung hergestellt (Angaben in Gewichtsprozent).

siliziumhaltiger Kies mit einem Gehalt an 73% SiO₂. 4.7" „ AI₂O, und 10% CaO. dessen Körnigkeit zwischen 50 und 70 mm lag. und
Naturkalk mit einem Gehalt an 55,9% CaO.

dessen Körnigkeit zwischen 50 und 60 mm lag. 40

Das erhaltene Gemisch wurde kontinuierlich einem für diesen Zweck in der einschlägigen Industrie üblicherweise verwendeten Rückstrahlofen zugeführt, worauf es bei 1520 C aufgeschmolzen und beim Verlassen des Ofens in der angegebenen Weise unter Verformung verfestigt wurde.

Die erhaltenen Produkte wurden durch Röi.tgenbeugungsdiagramme analysiert. Die erhaltenen Ergebnisse zeigten, daß sie zu 60° _n in Form einer Glasphase und zu 40% in Form einer kristallinen Phase als Pseudo-WoIlastonit vorlagen.

Die chemische Analyse der erhaltenen Formkörper ergab die folgende Zusammensetzung:

SiO-, 52.0%

CaO 40.6ⁿ _n

ALO, 3.25%

FeX)₃ 1-40%,

verschiedene Komponenten

(Na₂O. MgO) 2.20%

I '
0

Gesamt 100.00%

SiO.,

Verhältnis

CaO

= 1.28

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1 2 die gegebenenfalls erst nach langer Zeil zum Tragen Patentansprüche: kommt, so daß die Anwendung mit einer gewissen Unsicherheit behaftet ist. Es besteht also ein Bedürfnis

1. Zur Verwendung in Baustoffen, wie Portland- für ein Fadenmaterial, das weder signifikant wasserzement, Schmelzzement, Gips, Mörtel, geeignete 5 löslich ist noch von Kalk angegriffen wird.
Mineralfasern mit einem wesentlichen Anteil an Die angegebene Aufgabe wird gemäß der Erfindung Kristallphase, die aus einer Oxidschmelze mit einem gelöst, durch die dem »Wollastonit«- oder Ci'lcium-SiO.,-, AL₁O₃-, CaO- und Fe.,O_a-Gehalt und einem ortho-silikattyp zuzuordnende Zusammensetzung:
möglichen Zusatz von Nebenkomponenten herge- Gewichtsprozent stellt wurden, gekennzeichnet durch io ^q ;p ^j₅ ^q

die dem »Wollastonit"- oder Calcium-ortho-silikat- AlO O bis 8

typ zuzuordnende Zusammensetzung: £_a~Q 30 bis 48

Gewichtsprozent Fe.,O_;) O bis 3

SiO. 52 bis 60 Alkalioxide O bis 8

Al.,0., O bis 8 ^l5 ^. _ -,·,... ι \,

Qäo 30 bis 48 Dieses Fasermatenal ist fur den vorgesehenen Ver-

p_e Q Q I₃J₃ j wendungszweck deshalb bestens geeignet, weil es sich

α η._γ ' · j. λ u:_o ο dabei um das Anhydrid von Tobemorit handelt, dem

AiKaiioxioe υ dis ο „_T . ■ ,, ^ #-■ j j· c

Hydrationsprodukt von Zementen. Gerade die ernn-

2. Mineralfasern nach Anspruch 1, gekenn- ²⁰ dungsgemäße Zusammensetzung der Mineralfasern zeichnet durch die folgende, in Gewichtsprozent ™^s .einer V.elzahl möglicher und verschiedentlich angegebene Zusammensetzung: bereits bekannter Zusammensetzungen verle.ht den

^b Baustoffen, die unter ihrer Verwendung hergestellt

SiO., 52 bzw. verarbeitet werden, zeitlich stabile Kennwerte,

Al₂O₃ 8 25 da sie — im Gegensatz zu den üblicherweise einge-

CaO 35 setzten Glasfasern — gerade von Ca(OW)₂ nicht ange-

Fe₂O₃ 0,5 griffen werden.

Alkalioxide 4 Aus »Silikattechnik« 12 (1961), S. 517 bis 521,

MgO 0,5 sind Schlacken bekannt, deren Hauptkomponenten

30 zwar denjenigen der erfindungsgemäßen Massen ent-

sprechen, jedoch eine völlig andere quantitative

Zusammensetzuni. ..ufweisen; so ist z. B. in den bekannten Produkten der SiO.₂-Gehalt vergleichsweise niedrig

Die Erfindung betrifft zur Verwendung in Baustoffen, (etwa 40%) und der Al.,O₃-Gehalt vergleichsweise hoch

wie Portlandzement. Schmelzzement, Gips, Mörtel, 35 (etwa 10 bis 13°,'_o). Auch im Verhältnis von SiO₂/CaO

geeignete Mineralfasern mit einem wesentlichen Anteil unterscheiden sich die bekannten v.'P den anmeldungs-

an Kristallphase. die aus einer O.xidschmelze mit einem gemäßen Massen: während dieses Verhältnis in den

SiO₂-. Al₂O₃-. CaO- und Fe₂O₃-Ge)IaIt und einem bekannten Produkten kleiner als 1 ist. ist es gemäß

möglichen Zusatz von Nebenkomponenten hergestellt der Erfindung größer als 1.

wurden. 40 Die französische Patentschrift gibt Massen so

Es sind bereits verschiedene Typen von künstlichen allgemeiner Zusammensetzung an, daß kaum noch

Mineralfasern sowie Verfahren zu deren Herstellung von einem bestimmten Typ gesprochen werden kann

bekannt. Als bekannte Verfahren können z. B. genannt (so kann z. B. der CaO-Gehalt 1 bis 45°_;o betragen),

werden das Verstrecken aus Glasschmelzbädern über Darüber hinaus beträgt dort der Al₂O₃-Gchalt 10 bis

Zichcisen aus Platin oder Wolfram, die Auskristalli- 45 30°/₀.

sation in Nadelform aus Schmelzmassen, die Aus- Auch die aus der USA .-Patentschrift 2 116 303 fällung aus kolloidalen Lösungen, die pyrolytische bekannten Mineralfasern unterscheiden sich grund-Ablagcrung sowie die plötzliche Abkühlung einer zur lebend von den Mineralfasern nach dev Erfindung. Bildung von Gläsern befähigten Flüssigkeit. Mineral- So zeigen z. B. die dort aufgeführten Analysenergebfascrn der Gattung, zu der auch der Gegenstand der 50 nisse, die für die bekannten Mineralfasern typisch sein Erfindung gehört, beschreibt die deutsche Patent- sollen, daß der CaO-Gchalt wcsentlicn niedriger liegt schrift 752 553. Hier, wie auch gemäß der USA.- als bei den erfindungsgemäßen Mineralfasern. UnterPatentschrift 2 020 403. werden die Mineralfasern schiede bestehen auch insofern, als dort der Gehalt an durch Abkühlung von geschmolzenen Mincraloxid- Siliziumdioxid 8- bis lOfach größer ist als derjenige fäden mit Hilfe eines Druckluftstromes hergestellt. 55 von Aluminiumoxid.

Man muß unterstellen, daß die so hergestellten Die USA.-Patentschrift 2 300 930 betrifft ein Verbekannten Mineralfasern einen gewissen Anteil an fahren zur Herstellung von Mineralfasern aus Aschen kristalliner Phase neben glasiger Phase enthalten. mit einer von der erfindungsgemäßen abweichenden Aufgabe der Erfindung ist es, Mineralfasern der Zusammensetzung. Die bekannten Produkte weisen eingangs genannten Gattung zu schaffen, die für den 60 einen geringeren Gehalt an SiO₂ (39 bis 46°/„), einen vorgesehenen Verwendungszweck ganz besonders ge wesentlich höheren Gehalt an AI₂O₃ (15 bis 18°/_O) eignet sind, besser jedenfalls als die bisher benutzten und einen wesentlich geringeren Gplialt an CaO Fasermaterialien. Es ist nämlich zu beachten, daß bei (8 bis 18°/₀) auf.

dem Abbinden der Baustoffe Wasser und Kalk frei- In der Literatur werden weitere typische Massen gesetzt werden können, von denen mindestens eine 65 des angegebenen quaternären Diagramms

Substanz die bisher als Verstärkung, beispielsweise . _p „.

von Beton, eingesetzten Fasern angreift. Damit ver- LaU — AI₂U₃-he_au₃ —SiU₂.

feinden ist eine Qualitätsänderung des Baustoffes, zumindest für bestimmte Gebiete der Zusammen-