Stephan Schmidt Gruppe. tssicherung von tonmineralhaltigen Suspensionen

Transkript

1

2 Stephan Schmidt Gruppe Analysenmethoden für f r tonmineralhaltige Rohstoffe Einsatz moderner rheologischer Messmethoden zur Bewertung und Qualitätssicherung tssicherung von tonmineralhaltigen Suspensionen Dipl. Ing. Othmar Latief 3. Höhr Grenzhäuser Keramik Symposium September 2007 Rohstoffe Additive Pulver - Analytik

3 Gliederung 1. Rheologie keramischer Suspensionen 2. Die Messsysteme in keramischen Laboren 3. Unterschiede der Messysteme 4. Einsatz moderner Rheometer 5. Viskositätsmessung tsmessung und Viskoelastische Prüfung 6. Beispiele aus dem Zentrallabor der Stephan Schmidt KG 7. Zusammenfassung und Ausblick

4 Einsatzgebiete keramischer Rohstoffe Baukeramik Fliesen Sanitär Steinzeugrohre Feuerfestprodukte Zierkeramik Florisol Tongranulate für Erden und Substrate Secursol und Compactonit Produkte für Spezialtiefbau und Umwelttechnik Concresol Betonzusatzstoffe Capsil Füllstoffe und Spezialmahltone

5 Rheologie Die Rheologie ist die Wissenschaft, die sich mit dem Verformungs- und Fließverhalten von Materie beschäftigt. Die Rheologie umfasst daher Teilgebiete der Elastizitätstheorie, der Plastizitätstheorie und der Strömungslehre (Nicht-Newtonsche Flüssigkeiten). Sie beschäftigt sich sowohl mit kontinuumsmechanischen Problemen als auch mit der Herleitung der dafür benötigten Materialgesetze aus der Mikro- bzw. Nanostruktur verschiedener Klassen kondensierter Materie (z.b. makromolekulare Systeme, Suspensionen). Als typisches interdisziplinäres Fach steht die Rheologie in Kontakt mit der Physik, der Physikalischen Chemie und den Werkstoffwissenschaften.

6 Rheologie Die Unterteilung der Rheologie in ideale (vollständig elastische) Festkörper basiert auf Robert Hookes ( True theory of elasticity, 1678) und in ideale Flüssigkeiten auf Isaac Newtons ( Principia, 1687). Diese Vorstellung idealer Körper/Flüssigkeiten galt bis ins 19. Jahrhundert. Mit nähren Untersuchungen erkannte man das nicht alle Materialien dieser Vorstellungen entsprachen. Die Viskoelastizität war entdeckt worden. Die meisten realen Stoffe/Materialien sind nicht von idealem Verhalten und heute die häufigsten untersuchten. Idealer (Hookscher Festkörper) τ = G *γ τ = Schubspannung [Pa=N/m²] γ = Deformation [-] G = Schubmodul [N/m²] Viskosität (Newtonsche Flüssigkeit) η = τ γ η = (Scherr-) Viskosität [Pa*s] γ(punkt) = Scherrate [1/s] τ = Schubmodul [N/m²]

7 Rheologie Einteilung der Stoffe in rheologische Verhaltensklassen

8 Die Messsysteme in keramischen Laboren Häufigste Messsysteme in (tonmineralogischen) Laboren Auslaufviskosimeter Torsionsviskosimeter Ford Cup Lehmann Becher Gallenkamp Einpunktmessverfahren / vergleichende Messungen

9 Die Messsysteme in keramischen Laboren Probenvorbereitung zur Messung der Auslaufzeit (Viskositätsäquivalent) Wichtigste Parameter Feststoffgehalt Anmachwasser (Leitfähigkeit) Rührzeit und Rührgeschwindigkeit Umgebungstemperatur Bediener Fehlerquellen Kalibrierung Auslaufviskosimeter Feuchtigkeit Ausgangsmaterial Anmachwasser (Leitfähigkeit) Personenabhängige Fehler

10 Einsatz moderner Rheometer Bestimmung physikalischer Größen Zeitabhängige Viskosität Rheologische Eigenschaften Anpassung an Prozessbedingungen (z.b. Schwingsieb, Druckguss etc ) Reproduzierbarkeit der Messergebnisse Malvern/Bohlin Gemini 200 HR Nano

11 Bohlin Gemini 200 HR Nano Induktivmotor ohne Permanentmagnet Luftlager für Messystemaufnahme Induktiver Messaufnehmer Temperatureinheit (Peltier) Normalkraftmesszelle Prüfungen im Zentrallabor Standardprüfung der Verflüssigung Bestimmung der Fließgrenze Viskositätsbestimmung Viskoelastischer Bereich Zeitabhängige Viskositätsbestimmung

12 Charakterisierung einer Tonkomponente für f r Sanitärtonmischungen Rohstoffanalysen Eingrenzung geeigneter Spezialtone Rheologisches Verhalten Spezialtonkomponente Versatzherstellung Versuchsmatrix

13 Rohstoffanalysen am Beispiel von Sanitärtonqualit rtonqualitätenten Zielgröß öße Al2O3 >32,5% quellfähige Tone 80 M.% Fraktion < 2µm KGV Chemische Analyse* Korngrößenanalyse* Weitere Analysen an ausgewählten Grubentonen Bestimmung der spezifischen Oberfläche Einfluss auf die Suspensionsrheologie Einfluss auf den Verflüssigungsgrad Einfluss auf den Entwässerungsvorgang *Zentrallabor SSKG

14 Verflüssigung Stephan Schmidt Gruppe Formular Version a Verflüssigung- und Viskositätsbestimmung Gemini 200 HR Nano Datum: Prüfer: DS Litergewicht Benötigte Probenmenge Materialbezeichnung: SP-6 Prüflos: Charge: definiertes Litergewicht: Probenmenge: 1600,00 Feststoffgehalt: 975,00 g H 2 O: 625,00 Feststoffgehalt: 60,94% H 2 O: 39,06% 750,00 Feststoffgehalt: 457,03 g H 2 O: 292,97 VF Zugabe Lfd.Nr. Glas leer Glas voll Maße Suspension FG Suspension Zugabe VF Viskosität Zugabe VF Zugabe VF bezogen auf Feststoff [g] [g] [g] [g] [%] [Pa*s] in µl [%] 0 0,00 0,0000 0, , , ,381 76,885 46,85 0,2000 0,652 93,70 1, , ,685 69,658 42,45 0,5000 0, ,24 1, , ,739 69,197 42,17 0,8000 0, ,34 2, , ,22 67,215 40,96 1,2000 0, ,51 2, , ,781 67,744 41,28 1,5000 0, ,22 2, , ,253 56,81 34,62 1,8000 0, ,13 3, , ,31 67,991 41,43 2,1000 0, ,07 3, , ,858 57,113 34,80 2,4000 0, ,28 3, , ,353 48,362 29,47 2,7000 0, ,71 4, , ,891 54,476 33,20 3,0000 0, ,89 4,313

15 Verflüssigung Viskosität bei konstanter Scherrate (100 s-1 ) Massenträgheitsmoment daher fallender Verlauf 10 sec Ruhephase nach Vorbehandlung Steigender Verflüssigergehalt Mittelwerte ergeben bekannte VF Kurve

16 Verflüssigung Bestimmung des optimalen Verflüssigergehalts Verflüssigung Viskosität [Pa*s] 0,900 0,800 0,700 0,600 0,500 0,400 0,300 0,200 0,100 0,000 optimaler Punkt ph steigt Oberflächenladung Gel-Bildung? Zetapotential 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 Zugabe Verflüssiger in Gew.% bezogen auf Einwaage Feststoff

17 Verflüssigung Einfluss der Rührzeiten auf die Viskosität 0.4 Einfluss der Rührzeit Viskosität [Pas] Rührzeit (Ultraturax 3000U/min)

18 Mischungskalkulation einer Sanitärtonmischung Rohstoffanalyse bildet Basis + Rheologische Charakterisierung Keramische Daten Rheologisches Verhalten Einfluss Trockenbiegefestigkeit Wasseraufnahme thermische Festigkeit Fliesseigenschaft Sedimenation HKM Stabilität über Einsatzzeit Steuergröße Mineralogie / CA Rheokurven

19 Rheologie der Einzeltone Typ 1 Viskosität [Pa*s] Mischungsverhältnis Tone Typ 1 und Typ 2 ist ausschlaggebend für den Viskositätsverlauf. Typ 2 1 Typ 1 Spez. Oberfläche nach BET ~ 25m 2 /g Typ 2 Spez. Oberfläche nach BET ~ 50m 2 /g Messpunkte Ton A Ton B Ton C Ton D Ton E

20 Rheologie F&E SanLine HiST 1000 Viskosität [Pa*s] Stabile Viskosität während der Scherbenbildung 1 Niedrige Viskosität beim Pumpvorgang Einflussgrößen*: KGV Spez. Oberfläche BET * Funk und Dinger 1997 Berechnung Messpunkte IPS = InterParticle Spacing Porosität Partikel Schüttung PCI = ParticleCrowding Index

21 Bestimmung der Viskosität t in Abhängigkeit der Zeit. Rheologisches Verhalten einer Sanitärtonmischung im Zeitraum von 144h sofort Nach 24h/48h/72h und 144h Delaminierung der Tonplättchen Volumenzunahme (Tonfraktion) in Suspension

22 Rheologie im Masseversatz Kontrollmessung in einem Standardversatz Daten aus verschiedenen Produktionen Abweichung auf ein Minimum reduziert Anpassung Standardversatz an Kundenversatz

23 Rheologie im Masseversatz Austausch funktionaler Einzeltone auf Basis der rheologischen Beurteilung Gleichbleibende Eigenschaften der Sanitärtonmischungen Originalrezept Alternativrezept bei gleichen rheologischen Eigenschaften

24 Qualitätsmerkmale tsmerkmale einer Rheokurve Auswertung Rheokurve Sanitärtone Datum: Bearbeiter: OL Material: Prüflos: Viskosität Viskosität Viskosität bei 100s -1 [Pas] bei 0.01s -1 [Pas] bei 0.01s -1 [Pas] Zeitintervall t 0 - t 1 t 2 - t 3 t 2 - t Einteilung in Zeitintervalle t 0 bis t4 Viskosität über Zeit Sprungversuch 100s -1 auf 0,01s Viskosität [Pas] Zeit [s] t 0 t 1 t 2 t 3 t 4

25 Vergleich SanLine HiST HT und Mahlung Einfluss der Korngrößenverteilung auf die Rheologie SanLine HiST HT SanLine HiST gemahlen Kornfraktion <2µm 85% Vermahlung verbessert Aufschluss Oberflächenaktivität

26 Bestimmung der Viskosität t in Abhängigkeit der Zeit. SanLine HiST Mahlung sofort Nach 24h/48h und 72h

27 Vermahlung Kornfraktion < 2µm Kornfraktion 10µm 6µm SanLine HiST gemahlen Vergleich Korngrößenanalyse Durchgang [%] % 2% , SanLine HiST Korngröße [µm]

28 Bestimmung der Fliessgrenze Messbereich muss ausreichend groß sein Messgenauigkeit von entscheidender Bedeutung Wiederholungskurve

29 Rheologie einer Tonmischung für f r den Einsatz in Mineralprodukten Stabilisierung eines Foliengussprozesses Zeit Stabilität über Restprozesszeit Hohe Viskosität nach Auslauf auf Band Pumpfähige Suspension niedrige Viskosität

30 Rheologie einer Tonmischung für f r den Einsatz in Mineralprodukten Konstante Lieferqualität durch Kontrolle mittels Bohlin Gemini 200 HR Nano Auslaufviskosimeter kann nur Einpunktmessungen ermitteln Steuerung des rheologischen Verlaufs mittels Einzeltonmessungen regelbar

31 Rheologie einer Tonmischung für f r den Einsatz in Mineralprodukten Oszillationsmessung Bestimmung des Phasenwinkels δ Phasenwinkel δ nahe 0 Phasenwinkel δ nahe 0 Festkörpereigenschaft (elastisch) Fluideigenschaften (viskos)

32 Rheologie einer Tonmischung für f r den Einsatz in Mineralprodukten Darstellungsdiagramm Phasenwinkel vs. Schubspannug Phasenwinkel δ nahe 0 Phasenwinkel δ nahe 0 Festkörpereigenschaft (elastisch) Fluideigenschaften (viskos) Fluidverhalten elastischer Bereich

33 Rheologie einer Zement und Ton/Zementsuspension Stabilisierung einer Zementsuspension (CEM I 42,5R) Pumpfähig und schnelle Ansteifung in Ruhe (Injektionssuspension) 20 % Tonzugabe 10% Tonzugabe 5% Tonzugabe Zementsuspension 1. Hydratationsphase

34 Kundenspezifische Entwicklungen und Optimierungen Ziele weitere Entwicklungen auf Basis neuer Charakterisierungsmöglichkeiten Einflussgrößen KGV Spez. Oberfläche Chemie Processing Rheologische Eigenschaften Rheologie Technologische Eigenschaften Kundenwunsch Reproduzierbarkeit Produktionsanforderung

35 Zusammenfassung Stabile Suspensionen Automatisierte Prozess (Druckgussfertigung) Zeitabhängige Änderungen der Suspensionsviskosität müssen erfasst werden. Fehlerminimierung bei der Messwerterfassung Reproduzierbarkeit der Messwerte Funktionalität der (Ton-)rohstoffe ermöglichen neue Einsatzgebiete außerhalb der klassischen Keramik Stabilisierung von Schlichten Festkörperrheologie (keramische Rohlinge) Plastizitätsbestimmung toniger Rohstoffe

36 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

37