DE1966255C3

DE1966255C3 - Zur Verwendung in Baustoffen geeignete Mineralfasern mit einem wesentlichen Anteil an Kristallphase. Ausscheidung aus: 1942991

Info

Publication number: DE1966255C3
Application number: DE19691966255
Authority: DE
Inventors: Andre Charles Jean Marie Daney De New Barn Longsield Kent Marcillac
Original assignee: Lafarge Ciments SA
Current assignee: LafargeHolcim Ciments SA
Priority date: 1968-09-02
Filing date: 1969-08-23
Publication date: 1974-11-07
Also published as: GB1273205A; FR1583121A; DE1942991A1; DE1942991B2; NL6913378A; DE1966255B2; DE1942991C3; GB1277180A; DE1966255A1

Description

2. Mineralfasern nach Anspruch 1, gekenn- ao Dieses Fasermaterial ist für den vorgegebenen Verzeichnet durch die folgende, in Gewichtsprozent wendungszweck deshalb bestens geeignet, weil derangegebene Zusammensetzung: artige Tonerdeschmelzzementfasern beständig gegen

Portlandzement, Mörtel oder Gips sind. Im Gegen-

SiO₂ 4 satz zu den üblicherweise eingesetzten Glasfasern

Al₂O₃ 38 as werden diese Fasern, die gegenüber den genannten

CaO 38 Baustoffen überraschend stabil sind, gerade von

Fe₂O₃ 18 Ca(OH)₂ nicht angegriffen.

verschiedene andere Oxide .. 2 Aus »Silikattechnik« 12, 1961, S. 517 bis 521, sind

Schlacken bekannt, deren Hauptkomponenten zwar

30 im wesentlichen denjenigen der erfindungsgemäßen

Materialien entsprechen, bei denen es sich aber nicht

um Tonerdeschmelzzementfasern der erfindungsgemäßen Art handelt, die trotz des unterschiedlichen Abbindemechanismus von Portland- und Tonerde-35 schmelzzementen gegen die genannten Baustoffe, wie

Die Erfindung betrifft zur Verwendung in Baustof- Portlandzement, überraschend verträglich sind,
fen, in Portlandzement, Schmelzzement, Gips, Mörtel In der französischen Patentschrift 902 563 sind geeignete Mineralfasern mit einem wesentlichen An- Massen so allgemeiner Zusammensetzung angegeben, teil an Kristallphase, die aus einer Oxidschmelze mit daß kaum noch von einem bestimmten Typ gesproeinem SiO₂-, Al₂O₈-, CaO- und Fe₂O_s-Gehalt und 40 chen werden kann (so kann zum Beispiel der CaO-einem möglichen Zusatz von Nebenkomponenten her- Gehalt 1 bis 45% betragen). Der Al₂O₃-Gehalt begestellt wurden, trägt dort 10 bis 30%, während dieser Gehalt erfin-Es sind bereits verschiedene Typen von künstlichen dungsgemäß bei 32 bis 50 Gewichtsprozent, vorzugs-Mineralfasern sowie Verfahren zu deren Herstellung weise bei 30 Gewichtsprozent, liegt,
bekannt. Als bekannte Verfahren können zum Bei- 45 Auch die aus der USA.-Patentschrift 2 116 303 bespiel genannt werden das Verstrecken aus Glas- kannten Mineralfasern unterscheiden sich grundleschmelzbädern über Zieheisen aus Platin oder Wolf- gend von den erfindungsgemäßen Mineralfasern. So ram, die Auskristallisation in Nadelform aus Schmelz- zeigen die dort aufgeführten Analysen zum Beispiel, massen, die Ausfällung aus kolloidalen Lösungen, die die für die bekannten Mineralfasern typisch sein solpyrolytische Ablagerung sowie die plötzliche Abküh- 50 len, daß der CiQ-Gehalt wesentlich niedriger liegt als lung einer zur Bildung von Gläsern befähigten Flüs- bei den erfineungsgemäßen Mineralfasern. Untersigkeit. Mineralfasern der Gattung, zu der auch der schiede bestehen auch insofern, als dort der Gehalt Gegenstand der Erfindung gehört, beschreibt die an Siliziumdioxid 8- bis 1Ofach größer ist als der deutsche Patentschrift 752 553. Hier wie auch gemäß jenige von Aluminiumoxid.

der USA.-Patentschrift 2 020 403 werden die Mine- 55 Die USA.-Patentschrift 2 300 930 betrifft ein Ver-

ralfasern durch Abkühlung von geschmolzenen Mine- fahren zur Herstellung von Mineralfasern aus Aschen

raloxidfäden mit Hilfe eines Druckluftstromes herge- mit einer von der erfindungsgemäßen abweichenden

stellt. Zusammensetzung. Die bekannten Produkte weisen

Man muß unterstellen, daß die so hergestellten einen wesentlich höheren Gehalt an SiO₂ (39 bis

bekannten Mineralfasern einen gewissen Anteil an 60 46 %), einen wesentlich geringeren Gehalt an Al₂O₃

kristalliner Phase neben glasiger Phase enthalten. (15 bis 18 %), und einen wesentlich geringeren Ge-

Aufgabe der Erfindung ist es, Mineralfasern der halt an CaO (8 bis 18 %) auf.

eingangs genannten Gattung zu schaffen, die für den In der Literatur werden weitere typische Massen

vorgesehenen Verwendungszweck ganz besonders ge- des angegebenen quaternären Diagramms CaO —

eignet sind, besser jedenfalls als die bisher benutzten 6₅ Al₂O₁, — Fe₂O₉ — SiO₂, zumindest für bestimmte

dem ^rmj^r^nalien· ^Es ist nämlich zu beachten, daß bei Gebiete der Zusammensetzung, beschrieben. Die

eraAbbinden der Baustoffe Wasser und Kalk frei- wichtigsten derartigen Literaturstellen sind die fol-

b tzt ^werden können, von denen mindestens eine genden:

3 4

J. W. G r e i g, Am. Soi, 5. Ser. 13,41 (1927) nen und deren Durchmesser zum Beispiel zwischen

F. M. L e a und T. W. P a r k e r, Trans. Roy, Soc. 0,1 und 5 mm variieren kann.

(London) Ser. A. 234 A (731) 16 (1934) Die Meßwerte der Menge und der Geschwindigkeit

M. A. Swayze, Am. Soi, 244 15, 18 und 19 (1946) des Gasstromes, die dea Schwellenwert der Faserbil-

P. W. N u r s e und H. G. M i d g 1 e y J. Iron Steel 5 dung bilden, hängen offensichtlich von der Menge des

Inst. (London) 174 124 (1953). Schmelzmassenabflusses, dessen physiko-cbermscher

Natur, dessen rheologischen Eigenschaften, dessen

Es ist festzustellen, daß die erfindungsgemäßen Mi- Temperatur u. dg!, ab. Wird demnach von dem m neralfasern nicht 100⁰/oig glasartig sind, sondern Frage kommenden Grenzwert ausgegangen und aneineu wesentlichen Anteil an kristalliner Phase ent- 10 schließend die Geschwindigkeit des Gasstromes erhalten. Trotzdem können stabile Fasern erhalten höht, so wird dadurch die Form der erhaltenen Fawerden. sern beeinflußt. Die Länge der Fasern erhöht sich Zur Hersteilung der Fasern aus den angegebenen und deren Durchmesser vermindert sich im selben Oxidschmelzmassen wird, wie bereits erwähnt, der Maße, in dem die Geschwindigkeit des Gasstromes abgezogene Schmelzflußstrom der Einwirkung eines 15 steigt. Hohe Geschwindigkeiten des Gasstromes erkomprimierxen Gasstromes, z. B. Luft, der mit einer lauben demnach die Erzeugung von langen und feizur Bewirkung der Faserbildung ausreichenden Ge- nen' Fasern, die besonders zur Verwendung als Verschwindigkeit und Durchsatzleistng angewandt wird, Stärkungsmaterial geeignet sind,
ausgesetzt. Die relative Anordnung des Kompressionsgasstro-In der Regel werden bei der Herstellung der Fa- ao mes zur Ausflußrichtung der Oxidschmelzmasse besere die besten Ergebnisse dann erhalten, wenn ein einflußt ebenfalls die Faserbildung. Gemäß einer klas-Schmelzbad, dessen Temperatur mindestens 200⁰C sischen Anordnung wird der Luftstrom mit großer über der theoretischen, durch die angegebenen Pha- Geschwindigkeit in orthogonaler Richtung auf die sendiagramme angezeigten Schmelztemperatur liegt, Fließrichtungsachse des Schmelzmassenausflusses geder Einwirkung des Kompressionsstromes ausgesetzt as richtet. Der Luftstrom und der Oxidschmelzmassenwird. Es zeigte sich, daß in vorteilhafter Weise ein strom können gegebenenfalls in einem Punkt zusam-Schmelzbad mit einer so hoch wie möglich liegenden menlaufen, d. h. konkurrieren. Handelt es sich um Temperatur verwendbar ist. konkurrierende Ströme, so muß die Ausströmungs-Ais geeignet haben sich ferner auch andere Flies- energie des Gases höher liegen als diejenige des zu ströme erwiesen, z. B. Wasserstrom von hoher Ge- 30 Fasern zu verformenden Oxidschmelzmassenstromes, schwindigkeit, wobei Fasern erhalten werden, die Falls im Fall von zusammenlaufenden Achsen der eine gröbere Struktur aufweisen als diejenigen, die beiden Ströme die Energie des Druckluftstromes nicht unter analogen Bedingungen unter Verwendung eines genügend hoch ist, wird die Oxidschmelzmasse zu Druckluftstromes herstellbar sind. Granalien und nicht zu Fasern verformt. Mit demsel-DIo praktische Durchführung der Faserbildung 35 ben Luftverbrauch können jedoch Fasern erzeugt kann in verschiedener Weise erfolgen, was einesteils werden, wenn die beiden Ströme in senkrecht aufvon den Bedingungen, unter denen das Schmelzge- einanderstehenden Richtungen in der Weise aufeinmisch abfließt, und dessen Eigenschaften, und ande- andergerichtet werden, daß der Luftstrom mit dem renteils von den Bedingungen, unter denen der Gas- Oxidschmelzinassenstrom tangential in Kontakt strom angewandt wird, abhängt. Ferner kann auch 40 kommt. Auf diese Weise sind Mineralfasern nach der die angestrebte Qualität der Fasern davon abhängen, Erfindung herstellbar.

welchem Verwendungszweck dieselben zugeführt In umgekehrter Weise kann durch die dem Luftwerden sollen. strom verliehenen Eigenschaften auch der zur kom-Der Fachmann kann ohne Schwierigkeiten an Hand pletten Faserbildung erforderliche Verbrauch an der im folgenden angegebenen allgemeinen Rieht- 45 Oxidschmelzmasse variiert werden. Die folgenden linien und insbesondere der aus den Beispielen zu Angaben ermöglichen dem Fachmann die Herstellung entnehmenden Angaben in jedem Einzelfall die ge- der Fasern nach der Erfindung. Für einen mit 1 Liter eigneten Bedingungen zur Herstellung von Fasern mit pro Minute fließenden Oxidschmelzmassenstrom wird den besten Eigenschaften und der besten Eignung für ein sehr rasch fließender Druckluftstrom verwendet, einen bestimmten Verwendungszweck auswählen. 5° d. h. ein Druckluftstrom, der die Düse mit einem so Die wesentlichen Faktoren zur Beeinflussung der hoch wie möglich gelegenen Druck verläßt, wobei Faserbildung sind für eine bestimmte Menge an Oxid- sich ein Luftstrom als zweckmäßig erwiesen hat, der schmelzmasse die Steuerung der Menge und der Ge- eine 8-mm-Düse unter einem Druck von 6 Bar verschwindigkeit des verwendeten Gasstromes. Die läßt. Hierfür hat sich ein Kompressor mit einer Kapa-Steuerung dieser beiden Größen erlaubt die prak- 55 zität von 10 m^s als geeignet erwiesen. Bei diesen Antische Einflußnahme auf die Form und die Menge der gaben handelt es sich offensichtlich um in der Praxis erzeugten Fasern. Es besteht in iedem Fall eine brauchbare Werte, die keineswegs kritisch sind.
Schwelle der Geschwindigkeit und der Menge des Man kann die in Form von Fasern gebildeten Ver-Gasstromes, ab welcher die Faserbildung erfolgt. So fahrensprodukte in einem abgeschlossenen Gefäß, in teilt zum Beispiel der Druckluftstrom zunächst den 60 dem mit Hilfe eines an der Eintrittsstelle der Fasern Schmelzmassenabfluß, mit dem er sich im Kontakt gegenüberliegenden Gefäßwand angeordneten Ventibefindet, auseinander, bevor er ihn in der Richtung lators ein leichter Unterdruck erzeugt werden kann, des Gasstromes verslreckt und auf diese Weise die isolieren. Die Fasern sammeln" sich am Boden des Erzeugung von Fasern bewirkt. Besitzt der Kompres- Gefäßes.

sionsgasstrom nur eine schwache hydrodynamische 65 Die Mineralfasern nach der Erfindung weisen einen Druckwirkung, so teilt sich die Oxidschmelzmasse für den vorgesehenen Anwendungsfall günstigen, sehr allerdings in eine sehr große Anzahl kleiner kugel- hohen Elastizitätsmodul sowie ein vorteilhaftes Verförmiger Gebilde oder Kügelchen, die hohl sein kön- hältnis von mechanischer Widerstandsfähigkeit/Ela-

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stizitätsmodul auf, das höher liegt als in vergleichbaren, in Form von irgendwelchen polykristallinen Stollen vorliegenden Materialien. So können zum Beispiel Mineralfasern nach der Erfindung Zugfestigkeitsbruchwerte in der Größenordnung von 200 bis 300 kg/mm² bei einem mittleren Faserdurchmesser 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 naturgemäß auch mit Tonerdeschmelzzementen verträglich. So sind zum Beispiel 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 chemischmineralisches 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 Fig. 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. Femer 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 7 tangential in Kontakt mit dem Oxidschmelzmassenstrom 6. Die Fasern 8 werden durch Mitreißen des Stromes 6 durch den Lufstrom 7 sowie durch anschließende plötzliche Abkühlung der Oxidschmelzmasse gebildet. Gemäß einer in der Zeichnung nicht gezeigten Ausführungsform können die gebildeten Fasern 8 auf eine 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.
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Beispiel 1

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

SiO₂	Al₂O.,	CaO	TiO₂	FeO	Fe₂O,
5,40	38,50	38	2,10	3,90	11,75

Die gebildete Schmelzmasse ergoß sich bei tuner Temperatur von 1500 bis 1555° C in die Abflußrinne 3. Der Durchmesser des Stromes 6 betrug einige

ao 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/cm² 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 Düse 5 betrug 3 NnvVMin. Die mittlere Geschwindigkeit des Luftstromes betrug etwa 60 m/Sek.

Es wurden Fasern mit einer mittleren Länge von 0,5 bis 0,2 cm und einem scheinbaren mittleren Durchmesser von 4 μτη erhalten. Die erhaltenen Fasern waren in destilliertem Wasser leicht löslich. Sobald die Sättigung jedoch erreicht ist, halten sich die Fasern in einer Flasche 2 Monate lang unverändert.

Zur Bestimmung der Rekristallisationstemperatur

wurden die Fasern erneut erhitzt. Nach 30 Minuten langem Erhitzen bei 800⁰C war keine Umwandlung feststellbar. Eine merkliche Umkristallisation erfolgte nach 30 Minuten langem Erhitzen bei 900⁰C.

Beispiel 2

Nach dem im Beispiel 1 beschriebenen Verfahren wurde ein Kalk und Bauxit enthaltendes Gemisch der folgenden Zusammensetzung aufgeschmolzen:

SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	verschiedene andere Komponenten
So 4	38	18	38	2

Es wurden Mineralfasern erhalten, die besonders vorteilhaft als Verstärkungsmaterial geeignet waren. Die erhaltenen Fasern wiesen eine sehr hohe Wasserbeständigkeit auf und zeigten nach einwöchiger Lagerung im Wasser nur eine Gewichtszunahme von 4«/_nn.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

ι 2 Substanz die bisher als Verstärkung, beispielsweise Patentansprüche: von Beton, eingesetzten Fasern angreift Damit ver bunden ist eine Qualitätsänderung des Baustoffes, die

1. Zur Verwendung in Baustoffen, wie Port- gegebenenfalls erst nach langer Zeit zum Tragen landzement, Schmelzzement, Gips, Mörtel, geeig- 5 kommt, so daß die Anwendung mit einer gewissen nete Mineralfasern mit einem wesentlichen Anteil Unsicherheit behaftet ist. Es besteht also ein Bedürfan Kristallphase, die aus einer Oxidschmelze mit nis für ein Fasermaterhtl, das weder signifikant waseinem SiO₂-, Al₂O₃-, CaO- und Fe₂O_a-Gehalt und serlöslich ist, noch von Kalk angegriffen wird,
einem möglichen Zusatz von Nebenkomponenten Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch

hergestellt wurden, gekennzeichnet durch jq die dem Tonerdeschmelzzementtyp zuzuordnende Zudie dem Tonerdeschmelzzementtyp zuzuordnende sammensetzung:

Zusammensetzung:

Gewichtsprozent
Gewichtsprozent _{bis 12}

r>w^S™ 'S Al₂O₃ 32bis50

?^2blh5.9 CaO 32bis50

₃££_o _32bis50

CaO 32bis50 _{FO 0}bis25

FeO ObislO _FO ³ _0bil0

₂,_FeO ³ _0bisl0

FeO O bis 10