DE1942991C3 - Zur Verwendung in Baustoffen geeignete Mineralfasern mit einem wesentlichen Anteil an Kn stallphase - Google Patents
Zur Verwendung in Baustoffen geeignete Mineralfasern mit einem wesentlichen Anteil an Kn stallphaseInfo
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Description
Caoa Vl bis 48 Dieses Fasermaterial ist für den vorgesehenen Ver-
Fe Q 0 ris 3 wendungszweck deshalb bestens geeignet, weil es sich
Alkaiioxide O bis 8 dabei um das Anhydrid vort Tobemorit handelt, dem
Hydrationsprodukt von Zementen. Gerade die erfin-
2. Mineralfasern nach Anspruch 1, gekenn- 30 dungsgemäße Zusammensetzung der Mineralfasern
zeichnet durch die folgende, in Gewichtsprozent ;dS .einer Vielzahl möglicher und verschiedentl.ch
angegebene Zusammensetzung: bereits bekannter Zusammensetzungen verleiht den
65 5 Baustoffen, die unter ihrer Verwendung hergestellt
SiO2 52 bzw. verarbeitet werden, zeitlich stabile Kennwerte,
Al2O3 8 as da sie — im Gegensatz zu den üblicherweise einge-
CaO 35 setzten Glasfasern — gerade von Ca(OH)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
Zusammensetzung aufweisen; so ist _. B. in den bekannten
Produkten der SiO.,-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%). Auch im Verhältnis von SiO2/Ca0
geeignete Mineralfasern mit einem wesentlichen Anteil unterscheiden sich die bekannten von oer. anmeldungs-
an Kristallphase, die aus einer Oxidschmelze mit einem gemäßen Massen: während dieses Verhältnis in den
SiO2-, Al2O3-, CaO- und Fe2O3-Gehait und einem bekannten Produkten kleiner als 1 ist, ist es gemäß
möglichen Zusatz von Nebenkomponenten hergestellt der L-rfindung größer als 1.
wurden. 40 Die französische Patentschrift 902 563 gibt Massen
Es sind bereits verschiedene Typen von künstlichen so 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% betragen),
werden das Verstrecken aus Glasschmelzbädern über Darüber hinaus beträgt dort der Al2O3-Gehalt 10 bis
Zieheisen aus Platin oder Wolfram, die Auskristalli- 45 30%.
sation in Nadelform aus Schmelzmassen, die Aus- Auch die aus der USA.-Patentschrift 2 116 303
fällung aus kolloidalen Lösungen, die pyrolytisch^ bekannten Mineralfasern unterscheiden sich grund-
Ablagerung sowie die plötzliche Abkühlung einer zur legena von den Mineralfasern nach der Erfindung
Bildung von Gläsern befähigten Flüssigkeit. Mineral- So zeigen z. B. die dort aufgeführten Analysenergeb-
fasern 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-Gehalt wesentlich niedriger liegt
schrift 752 553. Hier, wie auch gemäß der USA.- als bei den erfindungsgemäßen Mineralfasern. Unter-
Patentschrift 2 020 403, werden die Mineralfasern schiede bestehen auch insofern, als dort der Gehalt an
durch Abkühlung von geschmolzenen Mineraloxid- 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 Al2O3 (15 bis 18%)
eignet sind, besser jedenfalls als die bisher benutzten und einen wesentlich geringeren Gehalt an CaO
Fasermaterialien. Es ist nämlich zu beachten, daß bei (8 bis 18%) 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
Substanz die bisher als Verstärkung, beispielsweise
von Fteton, eingesetzten Fasern angreift. Damit ver- CaO A'2°3 Fe2O3 SiO2,
bunden ist eine Qualitätsänderung des Baustoffes, zumindest für bestimmte Gebiete der Zusammen-
Setzung, beschrieben. Die wichtigsten derartigen
Literaturstellen sind die folgenden:
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R.W. Nurse und H. G. Midgley j. !ron
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Es ist festzustellen, daß die erfindungsgemäßen Mineralfasern nicht 100°/0ig glasartig sind. Trotzdem
können stabile Fasern erhalten werden.
Zur Herstellung der Fasern aus den angegebenen Oxidschmelzmassen wird, wie becits erwähnt, der
abgezogene SchmelzflußstiOm der Einwirkung eines komprimierten Gasstromes, z. B. Luft, der mit einer
zur Bewirkung der Faserbildurig ausreichenden Geschwindigkeit und Durchsatzleiütung angewandt wird,
ausgesetzt.
In der Regel werden bei der Herstellung der Fasern die besten Ergebnisse dann erhalten, wenn em 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 Tempt:-
Ti-AUT verwendbar ist.
Als geeignet haben sich ferner auch andere Fließsuöme
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 Druckluftstromes 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
von den Bedingungen, unter denen der Gasstrom angewandt wird, abhängt. Ferner kann auch die angestrebte
Qualität der Fasern davon abhängen, welchem Verwendungszweck dieselben zugeführt werden
sollen.
Der Fachmann kann ohne Schwierigkeiten an Hcnd 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 oesten Eigenscnaften und der besten Eignung
für einen bestimmten Verwendungszweck auswählen.
Die wesentlichen Faktoren zur Beeinflussung der Faserbildung sind für eine bestimmte Menge an
Oxidschmelzmasse 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 der Richtung des Gasstromes verstreckt
und auf diese Weic<. die Erzeugung von Fasern bewirkt. Besitzt der Kompressionsgasstrom nur eine
schwache hydrodynamische Druckwirkung, so teilt sich die Oxidschmwzmasse allerdings in eine sehr
große Anzahl kleiner kugelförmiger Gebilde oder Kügelchen, die hohl sein können und deren Durchmesser
z. B. zwischen 0,1 und 5 mm variieren kann.
Die Meßwerte der Menge und der Geschwindigkeit des Gasstromes, die den Schwellenwert der Faserbildung
bilden, hängen offensichtlich von der Menge des Schmelzmassenabflusses, dessen physiko-chemischer
Natur, dessen rheoiogischen Eigenschaften, dessen
Temperatur u. dgl. ab. Wird demnach von dem in Frage kommenden Grenzwert ausgegangen und
anschließend die Geschwind.gkeit des Gasstromes
erhöht, so wird dadurch die Form der erhaltenen ίο Fasern beeinflußt. Die Lange 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 Faseruiidung. Gemäß einer klassischen Anordnung wird der Luftstrom mit großer
Geschwindigkeit in orthogonaler Richtung auf die Fließnchtungsachse
des Schmelzmassenausflus is gerichtet. Her 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
3= 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 dem OddschmeU-massenstrom
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
veiläßt, wobei sich ein Luftstrom als zweckmäßig 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 Verfahrensprodukte in einem abgeschlossenen Gefäß,
in dem mit Hilfe eines an der Eintrittsstelle der Fasern gegenüberliegenden Gefäßwand angeordneten
Ventilators ein 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 von irgendwelchen polykristallinen Stoffen vorliegenden Materialien. So
können z. B. Mineralfasern nach der Erfindung Zugfestigkeitsbruchwerte in der Größenordnung von
200 bis 300 kg/mm2 bei einem mittleren Faserdurchmesscr
von 5 Mikron aufweisen.
Die Mineralfasern nach der Erfindung sind ferner zur Herstellung von stark porösen Erzeugnissen verwendbar,
die im Hinblick auf die Kohäsion der erhaltenen Baumaterialien die bestimmten bekannten, für
denselben Verwendungszweck eingesetzten Materialien, z. B. sogenannten »Schäume-Betonen, anhaftenden
Nachteile nicht besitzen.
Die Mineralfasern nach der Erfindung sind auch mit Toncrdenschmelzzementen verträglich. So sind
z. B. faserhaltige Betone herstellbar, deren Gehalt an Bindemittel 0 bis 30 Gewichtsprozent betragen kann.
Es 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 Luftstrom? 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 sine Filtrationsoberfläche 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 angegebenen Zusammensetzung.
Im Schmelzofen 1 wurde ein homogenes Gemisch der folgenden, in Gewichtsprozent angegebenen
Zusammensetzung aufgeschmolzen:
SiO2 | Al2O3 | Fe2O5 | CaO | MgO | Alkalioxidc |
52 | 8 | 0,5 | 35 | 0,5 | 4,0 |
Die gebildete Schmelzmasse ergoß sich bei einer
Temperatur von 1500 bis 155541C in die Abflußrinne 3.
Der Durchmesser des Stromes 6 betrug einige Quadratzentimeter. Die Geschwindigkeit des Schmelzmassenstromes
6 betrug etwa 1 bis 3 m/Sek. Die Druckluft wurde von einem beweglichen Kompressor geliefert,
der einen Behälter von 0,150 m3 unter einem konstanten Druck von 7 kg/cm8 hielt. Die zylindrische Rohrzuführung
4 wies einen Durchmesser von 20 mm auf, und die Düse 5 hatte einen Querschnitt von 20 · 2,5 mm.
Der Luftdurchfluß durch die DüseSbetrug 3 Nm3/Min.
Die mittlere Geschwindigkeit des Luftstromes betrug etwa 60 m/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 sehr nahe oberhalb des Schmelzpunktes gehalten, so
wurden Fasern mit einer Länge von z. B. 2 bis 10 cm bei einem Durchmesser von 30 μπι erhalten. Demgegenüber
wurden bei höheren Temperaturen Fasern von etwa 1 bis 3 cm Länge und 8 μπι Durchmesser
erhalten.
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% Al2O3 und 10% CaO, dessen Körnigkeit
zwischen 50 und 70 mm lag, und
Naturkalk mit einem Gehalt an 55,9% CaO,
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 Röntgenbeugungsdiagramme
analysiert. Die erhaltenen Ergebnisse zeigten, daß sie zu 60% in Form einer Glasphase
und zu 40% in Form einer kristallinen Phase als Pseudo-Wollastonit vorlagen.
Die chemische Analyse der erhaltenen Formkörper ergab die folgende Zusammensetzung:
SiO2 52,0%
CaO 40,6%
Al2O3 3,25%
Fe2O3 1,40%
verschiedene Komponenten
(Na2O, MgO) ;... 2,20%
Verlust beim Erhitzen 0,55%
Gesamt .100,00%
SiO2
Verhältnis
CaO
= 1,28
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
1. Zur Verwendung in Baustoffen, wie Portland- für ein Fasennaterial. 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 eelöst, durch die dem «WoHastonit«- oder Calci-.m-SiO2-, Al2O3-, CaO- und Fe,O3-Gehalt und einem ortho-silikattyp zuzuordnende Zusammensetzung:
möglichen Zusatz von Nebenkomponenten herge- Gewichtsprozent stellt wurden, gekennzeichnet durch io gjQ 52 bis 60
Mineralfasern mit einem wesentlichen Anteil an Die angegebene Aufgabe wird gemäß der Erfindung Kristallphase, die aus einer Oxidschmelze mit einem eelöst, durch die dem «WoHastonit«- oder Calci-.m-SiO2-, Al2O3-, CaO- und Fe,O3-Gehalt und einem ortho-silikattyp zuzuordnende Zusammensetzung:
möglichen Zusatz von Nebenkomponenten herge- Gewichtsprozent stellt wurden, gekennzeichnet durch io gjQ 52 bis 60
die dem »WoHastonit«- oder Calcium-ortho-silikat- AI O O bis 8
typ zuzuordnende Zusammensetzung: "-«Ο3 30 bis 48
Gewichtsprozent Fe.,O3 O bis 3
SiO2 52 bis 60 Alkalioxide O bis 8
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