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Verfahren zur Herstelluna eines porösen, qlaskeramischen Materials
Die Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Herstellung eines porösen, glaskeramischen
Materials. Es ist bereits bekannt, poröses Glas oder sog. Schaumglas herzustellen.
Derartiges Glas wird dadurch hergestellt, dass Glas zerbrochen und zu Pulver gemahlen
wird, dem dann ein Schaumbildner oder ein Blähmittel, wie Kohle oder eine Kohlenverbindung,
zugesetzt wird, das innerhalb des Temperaturbereichs, in welchem das Glas erweicht
(etwa 600-10000C), Gas abgibt. Das aus Glaspulver und Blähmittel bestehende Gemisch
wird dann auf diesen Temperaturbereich erhitzt, wobei das Glaspulver erweicht und
durch Abgabe von Gas vom Blähmittel ein poröses Material erhalten wird. Das fertige,
gekühlte Schaumglas wird beispielsweise als Isolierstoff benutzt. Infolge seiner
verhältnismässig schlechten Festigkeit eignet es sich jedoch nicht zur Verwendung
als tragendes Material, beispielsweise in Wandkonstruktionen.
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Ferner ist es bekannt, glaskeramisches Material herzustellen.
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Ein glaskeramisches Material ist ein Material, das durch gereaelte
Kristallisation von Glas hergestellt worden ist. Dies erfolgt üblicherweise derart,
dass man einer geeigneten Grundstoffmischung eine Komponente zusetzt, die als Keimbildner
wirkt. Das Gemenge wird geschmolzen und das Glas geformt. Daraufhin erfolgt eine
Wärmebehandlung, wobei man zunächst die Temperatur auf einen Wert steigert, wo in
der Masse Kristallisationskeime gebildet werden, und dann erhitzt man auf die Temperatur,
bei welcher das Kristallwachstum der Kristalle am grössten ist. Die Wärmebehandlung
erfolgt also stufenweise gemäss einem aenau festgelegten Erhitzungsschema.
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Die erhaltenen Erzeugnisse können variierende Eigenschaften aufweisen,
zeichnen sich jedoch im allgemeinen durch hohe Festigkeit und gute Beständigkeit
gegen Wärmeschock aus.
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Das erfindungsgemässe Herstellungsverfahren ergibt ein Material,
das die Vorteile von Schaumglas und glaskeramischem Material in sich vereinigt,
jedoch nicht die damit verbundenen Nachteile aufweist. Man erhält somit durch ein
Verfahren, das sich in Einfachkeit mit der Herstellung von Schaumglas vergleichen
lAsst, ein poröses Material, das sehr gute Isoliereigenschaften besitzt und ausserdem
dimensionsbestndig ist, weshalb es sich
zur Verwendung in isolierenden
und tragenden Konstruktionen, wie Wänden od.dgl., eignet. Die hierdurch erzielten
Vorteile sind sehr bedeutend, da es möglich ist, Wandkonstruktionen direkt und ausschliesslich
unter Verwendung des porösen, glaskeramischen Materials gemäss der Erfindung zu-errchten,
anstatt dass man wie bisher zuerst ein stützendes Lattenwerk bauen muss, das dann
isoliert wird. Das Material eignet sich auch als Ballastmaterial.
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Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung von porösem, glaskeramischem
Material zeichnet sich dadurch aus, dass ein feinverteiltes Glasmaterial entweder
mit lithiumhaltigein, als Blähmittel wirkendem Stoff allein oder in Kombination
mit einem anderen, als Blähmittel wirkenden Stoff vermischt wird, wonach das Gemisch
während einer Zeit von vorzugsweise 1-5 h zwecks 0 Blähung und Kristallisation auf
etwa 1000 c erhitzt wird, wonach das Material wieder auf Zimmertemperatur gebracht
wird.
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Erfindungsgemäss wird bevorzugt, als Glasmaterial herkömmliches Glas
zu gebrauchen, wie Flaschen- oder Fensterglas oder glasig erstarrende, anorganische
Schmelzen, wie Schlacken oder mineralbasierte Schmelzen. In dieser Weise kann ein
billiger Rohstoff, der bisher im wesentlichen als wertlos angesehen wurde in wirtschaftlicher
Weise für das Zustande,bringen eines brauchbaren und hochwertigen Erzeugnisses ausgenutzt
werden.
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Gemäss einer Ausführungsform der Erfindung bevorzugt man, als lithiumhaltigen
Stoff Li2CO3 zu benutzen, welches gleichzeitig als Blähmittel wirkt. Die Verwendung
eines Stoffes, der sowohl als lithiumhaltiger Stoff als auch als Blähmittel wirkt,
bedeutet eine Vereinfachung des Prozesses.
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Gemäss einer weiteren AusfUhrungsform der Erfindung bevorzugt man,
ausser dem lithiumhaltigen Stoff ein oder mehrere Blähmittel, wie Mg2CO3, CaCO3,
Kaolin, Kohle oder Natriumsulfat zu gebrauchen.
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Das erfindungsgemässe Verfahren gründet sich darauf, dass ein anorganisches
Glasmaterial, wie herkömmliches Glas oder glasig er starrende Schlacken oder Mineral
schmelzen, in feinverteiltem Zustand entweder mit einem lithiumhaltigen Stoff allein
(beispielsweise Lithiumsalze wie Lithiumcarbonat oder Lithiumnitrat oder lithiumhaltige
Minerale, wl3 Spodumen LiAlSi2O) oder in Kombination mit anderen Zugaben (beispielsweise
Mg2CO3, CaCO3,
Kaolin, Kohle, Natriumsulfat) vermischt werden. Das
Gemisch wird erhitzt, und durch Diffusion von Lithiumionen über die Flächen der
Poren des geschäumten Glases nimmt die Kristallisationsneigung des Materials zu,
die Kristallisationstemperatur wird reduziert, und die Kristallisationsgeschwindigkeit
nimmt zu. Eine besondere Zugabe von Keimbildnern ist nicht erforderlich.
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Wenn der lithiumhaltige Stoff allein in der Mischung vorliegt, wirkt
er gleichzeitig als Blähmittel, während er in Kombination mit anderen Zugaben das
gesamte oder einen Teil des Blähmittels ausmachen kann. Die Kristallisation des
Materials wird bereits bei Beginn des Blähprozesses eingeleitet, und das Material
wird vollständig oder teilweise kristallisiert, falls die Temperatur während einer
gewissen Zeit bei oder huber der Blähungstemperatur gehalten wird. Vor allem sei-betont,
dass beim erfindunassemässen Verfahren ein einfaches Erhitzen genügt, um ein glaskeramisches
Material zustandezubringen, und im Gegensatz zu herkömmlichen, glaskeramischen Materialien
ist es also nicht notwendig, das Erhitzen stufenweise oder gemäss einem komplizierten
Erhitzungsschema auszuführen.
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Bei der Wärmebehandlung des erfindungsgemässen Verfahrens wird während
einer Zeit von etwa 1-5 h auf etwa 10000C erhitzt.
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In gewissen Fällen können jedoch längere Wärmebehandlungszeiten (10-12
h) nötig sein.
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Als Grundstoff für das erfindungsgemässe Verfahren wird ein Glas
mit geeigneten Viskositätseigenschaften und einer solchen Zusammensetzung benutzt,
dass man bei Diffusion von Lithiumionen zweckdienliche Kristallisationseigenschaften
erhält, beispielsweise feinverteiltes Verpackungs- oder Fensterglas.
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Die Erfindung ist nun im folgenden anhand einiger Ausführungsbeispiele
näher erläutert.
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BEISPIE 1 Aus herkömmlichem Glas (grünem Flaschenglas) der folgenden
Zusammensetzung in Gewichtsprozent SiO2 72,5 A1203 1,9 MgO ' 0,2 CaO 9,8
Na2O
+ K20 15,3 Cr203 0,1 Fe203 0,3 wurde ein Glaspulver einer Korngrösse von weniger
als 0,13 mm hergestellt. Zu 50 Gewichtsteilen des so erhaltenen Glaspulvers wurde
1 Gewichtsteil Li2CO3 gesetzt und sorgfältig eingemischt.
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Dann wurde das Gemisch mit Wasser befeuchtet, so dass eine -hinreichend
zusammenhängende Masse erhalten wurde, die dann in einer Form zu einer Scheibe gepresst
wurde. Die Scheibe wurde dann während 3 h in einem Ofen zwecks Schäumung und Kristallisation
des Glasmaterials wärmebehandelt. Die Ofentemperatur war 0 beim Einbringen des Glasmaterials
etwa 200 C (Ausqangstemperatur), und während der Wärmebehandlung wurde diese Temperatur
auf eine 0 Endtemperatur von etwa 850 C gesteigert. Nach beendeter Wärmebehandlung
erhielt man eine poröse Scheibe aus glaskeramischem Material hoher Festigkeit und
vorziiglicher Isolierfähigkeit.
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BEISPIEL 2 Aus herkömmlichem Glas (Fensterglas) der folgenden Zusammensetzung
in Gewichtsprozent SiO2 72,3 A1203 1,3 MgO 3,8 CaO 7,9 Na2O + K20 14,3 So3 0,3 wurde
ein Glaspulver einer Korngrösse von weniger als 0,13 mm hergestellt. Zu 50 Gewichtsteilen
des Glaspulvers wurde 1 Gewichtsteil Li2CO3 und 1 Gewichtsteil MgCO3 gesetzt und
sorgfältig eingemischt. Wie in Beispiel 1, wurde das Gemisch dann mit Wasser befeuchtet
und gepresst. Die gepresste Scheibe wurde dann wie in Beispiel 1 wärmebehandelt,
nur betruq die Wärmebeh.andlungszeit diesmal 2 h und die Ausgangstemperatur bzw.
Endtemperatur 4GOOC und 8700C. Wie in Beispiel 1, wurde eine poröse Scheibe mit
sehr guten Festigkeitseigenschaften und hoher Isolierfähigkeit erhalten.
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BEISPIEL 3 Als Ausgangsmaterial wurde in diesem Beispiel ein Glasmaterial
benutzt, das durch Schmelzen eines Gemisches aus Feldspat und Kalk hergestellt war,
wobei die Kalkmenge bis zu 8 Gewichtsprozent des Gemisches betrug.
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Aus diesem Glasmaterial wurde ein Glaspulver mit einer Korngrösse
von weniger als 0,13 mm geschaffen. Zu 50 Gewichtsteilen des Glaspulvers wurde 1
Gewichtsteil Li2CO3 gesetzt und sorgfältig eingemischt. Dann wurde das Gemisch wie
in Beispiel 1 mit Wasser befeuchtet und gepresst. Das gepresste Material wurde dann
während 3,5 h einer Wärmebehandlung unterzogen, wobei die Ausgangstemperatur 2000C
und die Endtemperatur 9500C betrug. Auch in diesem Falle wurde ein poröses Material
mit sehr guten Festigkeits- und Isoliereigenschaften erhalten, wobei vor allem die
Druckfestigkeit sehr gut war.
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Die gemäss den obengenannten Beispielen hergestellten Materialien
wurden kristallographisch untersucht, und in sämtlichen Fällen konnte festgestellt
werden, dass das Material hauptsächlich aus kristallisiertem Material bestand.