Die Erfindung betrifft das Konditionieren von natürlich vorkommenden Schichtsilikaten, insbesondere in Form von illitischen Rohstoffen mit einem Illitanteil von mehr als 70% und ausgeprägten Feinanteilen.

Schichtsilikate haben eine Partikelfeinheit im Bereich <2 μm (dieser Wert ist für die Kornfeinheit von Tonmineralen charakteristisch), wobei die tatsächlichen Partikelfeinheiten abhängig von der Ausprägung der Partikel in deutlichere Feinbereiche bis zur Nanoscaligkeit reichen können.

Bei Schichtsilikaten mit technisch interessanten Plättchenstrukturen wird allgemein zwischen Zweischicht- (Kaolinit) und Dreischicht-Silikaten (Smectit, Illit) unterschieden. Insbesondere die Dreischicht-Silikate bieten ausgeprägte Partikelfeinheiten. Dabei werden allgemein die Typen der Smectitgruppe technisch und kommerziell genutzt. Für diese Gruppe existieren relativ hohe Lagerstättenvorkommen mit ausreichender Reinheit und mit gut ausgebildeter Feinheit. Die typische Quellfähigkeit dieser speziellen Silikatstruktur wird für die Desagglomeration, d.h. die Trennung der einzelnen Teilchen voneinander, mit Hilfe chemischer Verfahren genutzt.

Die Illitgruppe umfasst im wesentlichen die technisch und kommerziell genutzten Typen des Muskovit und Glimmer. Deren gesteinsartige Ausprägung erfordert einen regelrechten Zerkleinerungsprozess, zumal sie nicht die plastische Charakterstik tonmineralischer Materialien wie Kaolinit und Smectit besitzen.

Eine Herstellung nanoscaliger Partikel ist aufgrund der geringeren Ausprägung (bedingt durch den Verwitterungsprozess bei der Entstehung) zwar theoretisch möglich, praktisch jedoch unter kommerziellen und industriellen Gesichtspunkten in Hinblick auf den verfahrenstechnischen Aufwand zur Herstellung ausreichend großer Produktionsmengen und des hohen Grades chemischer Beeinflussung eher nicht umsetzbar. Die Nanoscaligkeit beschränkt sich zudem auf die Dicke der Plättchen, während die Fläche mi-kroskopisch bleibt. Muskovit und Glimmer werden bei mineralogischer Betrachtung makroskopisch eingeordnet. Muskovit und Glimmer der Illitgruppe sind in der Regel direkte Verwitterungsprodukte des Ausgangsgesteins. Im Gegensatz hierzu werden die eigentlichen Tone in Sekundärlagerstätten umgelagert. Bei dieser Umlagerung bilden sich durch mechanische, hydrothermale und chemische Prozesse erst die feinen Tonsedimente heraus, die die Voraussetzung für nanoscalige Partikel bilden.

Entsprechend der vorliegenden Partikelfeinheit dieser Tone sind die Dreischicht- Minerale, wie Smectit und Illit deutlich feiner als die Zweischicht-Minerale, z.B. Kaolinit. Die Praxis konzentriert sich hinsichtlich nanoscaliger Tonminerale somit auf smectitische Rohstoffe, da diese in mengenmäßig verwertbaren Lagerstätten mit ausreichenden Reinheitsgraden vorliegen. Entsprechend fein ausgebildeter Illit mit höheren Reinheitsgraden kommt hingegen praktisch nicht oder nur in sehr eingeschränktem Umfang vor. Die allgemeine Literatur zu Tonmineralen konzentriert sich somit hinsichtlich der industriellen Nutzung, insbesondere im hochtechnischen Bereich und bezüglich nanoscaliger Produkte, auf smectitisches Material.

Zum Stand der Technik wird auf DE 100 61 232 A1 verwiesen, die ein Verfahren zur Gewinnung und Aufbereitung von Laist für medizinische Anwendungen, insbesondere zur Behandlung von Hautkrankheiten betrifft. Hierbei handelt es sich um die spezielle Nutzung eines bestimmten Mineralstoffgemisches, das tonmineralische Anteile enthält, die illitischer Ausprägung sein können, wobei die tonmineralischen Komponenten zufällig Illit sind, jedoch nicht in konzentrierter Form. Entscheidend ist hierbei eine tonige Komponente, die als plastische Matrix dient und die nicht desagglomeriert sein muss. Der Laist stellt ein absolut hydrogenes Mineralgemisch mit einer Vielzahl von Komponenten dar, wobei Ton als begriffsbestimmtes Material bis mehr als 60% Sand haben kann. Es handelt sich hier um einen völlig anderen Rohstoff mit grundsätzlich anderen Eigenschaften und Zielrichtungen für den Einsatz, dessen Salzanteile mit einem Schichtsilikat nichts gemeinsam haben. Des weiteren liegt ein gravierender Unterschied in der Verfahrenstechnik mit Nassaufbereitung. Der Zustand des aufbereiteten Produkts als Paste stellt einen weiteren grundsätzlichen Unterschied zu einem Nanopulver dar.

DE 29 50 248 C2 betrifft die Herstellung von mehrkomponentigen Massen mit dem Ziel einer Homogenisierung mehrerer Komponenten zu einer einsatzfähigen Masse. Diese Zielsetzung ist mit der nach vorliegender Erfindung nicht vergleichbar, da im Falle der Erfindung mit einer einzigen, möglichst reinen Komponente gearbeitet wird, die hochfein in ihre Primärbestandteile zerlegt werden soll. Das Produkt nach diesem bekannten Vorschlag wird stark befeuchtet, damit eine spezielle Verarbeitungstechnik angewendet werden kann. Diese Verarbeitungstechnik benutzt bekannte Maschinen und Einrichtungen wie z.B. Prallmühle und Sichter. Die Mahlfeinheit wird dabei mit 90 μm angegeben und der Mahlvorgang läuft im Sinne eines Zerkleinerungsvorganges ab.

US 2002/45010 A1 betrifft eine spezielle, konzentriert auf ein synthetisches Material ausgerichtete Anwendung, speziell die Beschichtung von Oberflächen. Das Grundmaterial hat nur sehr weitläufig Beziehung zu Illit. Die Materialbasis ist Hectorit als tonmineralisches Material und die Beschreibung weist auf die Verfügbarkeit von nanofähigen Materialien hin, so dass damit logischerweise auch Illit erwähnt wird, der in der Praxis keine entsprechende Anwendung findet. Das Material Hectorit ist einer anderen Gruppe, nämlich der Gruppe der Smectite, zuzuordnen. Hierbei handelt es sich um ein synthetisch hergestelltes Material, das auch vom Chemismus her speziell auf den Austausch von Mg gegen Li ausgerichtet ist, also keinen Bezug zu einem rein natürlichen Material hat. Die EP 1 394 197 Al betrifft hochviskose, für den Extrusions-Blasformprozess geeignete Formmassen auf Basis von thermoplastischen Polymeren aus der Gruppe bestehend aus Polyamiden, Polyestern, Polyetherestem, Polyesteramiden oder deren Gemischen und nanosskaligen Füllstoffen, d.h. Füllstoffen mit einer mittleren Teilchengröße im Bereich von < 1 μm. Die zu lösende Aufgabe besteht darin, hochviskose Formmassen auf Basis von thermoplastischen Polymeren zur Verfügung zu stellen, die leicht herstellbar sind, sich für den Extrusionsblasformprozess eignen und zusätzlich bei Temperaturenvon 150 - 200° C noch eine genügende Festigkeit besitzen. Diese Aufgabe wird durch hochviskose Formmassen auf Basis von thermoplastischen Polymeren gelöst, welche (a) nanoskalige Füllstoffe in einer Menge von 0,5 - 15 Gewichtsprozent sowie (b) faserförmige Füllmaterialien in Mengen von 5 - 30 Gewichtsprozent enthalten. Die Füllstoffpartikel haben dabei Dimensionen im Nanometerbereich, d.h. mit einer mittleren Teilchengröße von < 1 μm (unbehandelte Füllstoffe). Als nanoskalige Füllstoffe zur Herstellung der Nanokomposite eignen sich solche Stoffe, die in jeder beliebigen Stufe der Herstellung zugegeben werden können und dabei im Nanometerbereich fein verteilbar sind. Diese nanoskaligen Füllstoffe oberflächenbehandelt sein, aber auch unbehandelte Füllstoffe sein. Die Füllstoffe sind bevorzugt Mineralien, die bereits eine Schichtstruktur aufweisen, wie Schichtsilikate, Doppelhydroxide oder auch Graphit. Die hierbei Verwendung findenden nanoskaligen Füllstoffe sind aus der Gruppe der Oxide, Oxidhydrate von Metallen oder Halbmetallen ausgewählt, insbesondere aus der Gruppe der Oxide oder Oxidhydrate eines Elementes ausgewählt aus der Gruppe aus Bor, Aluminium, Kalzium, Gallium, Indium, Silizium, Germanium, Zinn, Titan, Zirkonium, Zink, Yttrium oder Eisen. Des weiteren sind die nanoskaligen Füllstoffe entweder Siliziumdioxid oder Siliziumdioxid-Hydrate. In der Polyamidformmasse liegende nanoskaligen Füllstoffe in einer Ausführungsform als ein gleichmäßig dispergiertes schichtförmiges Material vor. Als bevorzugte Mineralien mit Schichtstruktur sind Schichtsilikate, Doppel hydroxide, wie Hydrotalcit oder Graphit angegeben, ebenso Nanofüllstoffe auf Basis von Silikonen, Silicia oder Silsesquioxanen.

Aus dieser Patentschrift entnimmt der Fachmann, dass grundsätzlich alle Schichtsilikate in Frage kommen, aber verfahrenstechnisch nur synthetische bzw. synthetisierte Materialien und die quellfähigen Smectite eingesetzt werden bzw. entsprechend nanoscalig hergestellt werden. Dabei wird deutlich auf die Notwendigkeit chemischer Zusätze zum Erreichen einer Exfolierung im späteren Verarbeitungsprozess hingewiesen. Hieraus ergibt sich die grundlegende Abgrenzung gegenüber vorliegender Erfindung hinsichtlich Ausgangsmaterial, Verfahrenstechnik und Eigenschaften.

Weiter wird in dieserPatentschrift wiederholt die Nanoscaligkeit in einem Größenbereich von durchschnittlich < 1 μm angegeben. Das Material nach der Erfindung wird mit überdurchschnittlich <300 nm (0,3 μm) bzw. mit D50 < 150 nm (0,15 μm) spezifiziert. D.h. das erfindungsgemäße Material hebt sich bezüglich der Nanoscaligkeit vom Stand der Technik bezüglich natürlicher mineralischer Schichtsilikate um beinahe eine ganze Zehnerpotenz ab.

Für den Anmelder und Erfinder vorliegender Anmeldung ergab sich aufgrund entsprechender Vorarbeiten, dass ein gesuchtes mineralisches Material mit Schichtstruktur im wesentlichen folgende Vorgaben und Eigenschaften erfüllen musste: a) die Eignung zur Herstellung eines Nanoproduktes, b) die Erzielung eines Endproduktes auf der Basis eines natürlichen Rohstoffes, c) die Eigenschaft eines Schichtsilikats mit dreischichtigem Aufbau, das vorrangig keine oder allenfalls eine geringe Quellfähigkeit besitzt, d) eine vollständige Desagglomerierbarkeit bei der Produktherstellung, e) die Verarbeitbarkeit und Konditionierung ohne thermische Vorbehandlung, f) die Verarbeitung ohne den Einsatz von chemischen oder synthetischen Prozessen.

Bei der Suche nach und Versuchen mit geeigenten Schichtsilikaten in Hinblick auf Nanoscaligkeit sind Anmelder und Erfinder auf eine Lagerstätte mit ungewöhnlich reinem und extrem fein ausgebildetem Illit (nachstehend als „Illit der ausgeählten Art" bezeichnet) gestoßen, der die vorstehend genannten Zielsetzungen bzw. Eigenschaften des gesuchten Materials in hohem Maße besitzt und die Möglichkeit bietet, das Material durch Verarbeitungs- und Konditionierschritte gemäß der Erfindung direkt in ein Nanopowder umzuformen. Die Rohstoffcharakteristik dieses als geeignet gefundenen Materials ist maßgeblich bestimmt durch einen Schichtsilikatanteil, der eine extrem feine Ausprägung in Richtung < 300 nm, einen vollständig ausgeprägten Illitanteil von > 70% und das nahezu vollständige Fehlen von groben Hartstoffen zeigt. Diese Konditionierung erfolgt gemäß der Erfindung auf rein mechanischem Wege, trocken und ohne thermische Vorbehandlung, ohne Mahlung im Sinne von Zerstörung kristalliner Strukturen, ökonomisch im industriellen Umfang und mit bestehender, speziell ausgewählter Technologie. Dabei konnte erreicht werden, dass mit dem Illit der ausgeprägten Art ohne Trocknung und ohne Zerkleinerung ein riese I fähiges, feinpulveriges Produkt unter Beibehaltung der vollen Plastizität durch Vermeidung von Kristal I wasserverlust und Zerstörung der Plättchenstruktur, entgegen allen Erwartungen und bisherigen Erkenntnissen, unter Einsatz konventioneller Technik die für ein Nanoprodukt erforderliche Produktfeinheit erzielt wurde. Im Gegensatz hierzu ist das Erreichen entsprechender Feinheiten in den Nanobereich < 300 nm bisher nur durch Nassverfahren oder intensive Mahlung (im Sinne von Zerstörung kristalliner Strukturen (wie z.B. Glimmer) und unter Einsatz erheblicher Mengen chemischer Zusätze möglich. Dies bedingt einen besonders hohen technischen und wirtschaftlichen Aufwand für eine industrielle Produktion. Da bei herkömmlichen, vergleichbaren Verfahren der Einsatz von Chemikalien praktisch nicht vermeidbar ist, ist die zielorientierte Anpassung der Teilchen für den weiteren Verarbeitungsvorgang beim Kunden beschränkt und aus ökologischen Gesichtspunkten negativ.

Illit zeichnet sich durch seine besondere Partikelfeinheit bis in den kolloidalen Bereich als für die Produktzielsetzung nach der Erfindung besonders geeignetes Rohmaterial aus. Da Illit in der Regel jedoch nicht vollständig zum kolloidalen Schichtsilikat ausgeprägt ist und üblicherweise auch keine hohe Reinheit besitzt, ist die Zielsetzung so bisher nicht aufgestellt und auch nicht umgesetzt worden.

Bekannte Nanoscale-Clays basieren in der Regel auf smectitischem Material, wie z.B. Montmorillonit und Bentonit. Ein derartiges Material wird unter thermischer Vorbehandlung aufbereitet, was die Elastizität der Plättchenstrukturen durch Kristal I wasserverluste zur Folge hat. Dies ist insbesondere für einen sensiblen Einsatz im Bereich der technischen Keramik, aber auch für die Quellfähigkeit von Nachteil. Dabei wird keine bzw. keine vollständige Desagglomeration erreicht, sondern unter Zuhilfenahme wesentlicher chemischer Zusätze und unter Ausnutzung der Quellfähigkeit ein „Exfolieren" im Prozess des Anwenders erforderlich, d.h., dass der Einsatzerfolg auf Seiten des Kunden liegt und spezielle Verfahrenstechniken und zusätzliche Energie benötigt werden.

Für das Aufbereitungs-, Konditionierungs- und Produktionsverfahren nach der Erfindung ist eine Desagglomeration der zusammengeballten Schichtsilikatteilchen von entscheidender Bedeutung, wobei sowohl in chemischer als in mineralogischer Hinsicht die ursprüngliche Zusammensetzung des Materials erhalten bleiben muss, vorrangig das Verfahren trocken durchgeführt wird, wobei grundsätzlich ein Nassverfahren nicht ausgeschlossen werden soll, die Schichtsilikatteilchen nicht zerkleinert werden (im Sinne einer Zerstörung), durch die Desagglomeration der Seh ichtsi I ikatkristal I ite kein wesentlicher Einfluss auf Form und Struktur des Materials genommen wird, chemische und thermische Behandlungen unterbleiben und kein Zugeben oder Abführen von Stoffen zu und von dem Material erfolgt.

Das Ausgangsprodukt des illitischen Rohstoffes der ausgewählten Art wird in einer Desagglomerationseinrichtung mechanisch „vorgebrochen" (unter Beibehaltung seiner mineralischen Struktur) aufgegeben. Zur Durchführung der Desagglomeration werden die Grobagglomerate stark beschleunigt und mit großen Luftmassen verwirbelt. Die Agglomerate werden beim Zusammentreffen untereinander und beim Auftreffen auf Prallflächen unter Prallwirkung so weit voneinander gelöst, dass im wesentlichen Pri märkristal I ite vorliegen, wobei durch Konditionieren das Produkt desagglomeriert und die überwiegende Menge an Primärteilchen etwa < 300 nm beträgt. Bei einer nachgeschalteten Feinsichtung werden die desagglomerierten Schichtsilikatteilchen als das gewünschte Produkt abgezogen, damit eine Beschädigung dieser Kristallite vermieden wird. Die nicht vollständig desagglomerierten Teilchen werden als Grobgut wieder in den Desagglomerationsprozess zurückgeführt. Anschließend wird durch das gezielte Ausbringen des Feinproduktes der Desagglomerationsgrad erhöht. Dies lässt sich durch verschiedenartige Einbauten in den Desagglomerationsaggregaten optimieren, um eine höhere Verweildauer oder eine höhere Prallwirkung zu erzielen.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mit Hilfe herkömmlicher Maschinen, z.B. Walzenbrecher, das Ausgangsmaterial vorgebrochen. Zur Feinsichtung werden Hochleistungswindsichter mit speziellen, an dieses Material angepassten Sichterrädern eingesetzt. Für den Desagglomerationsprozess werden Aufbereitungsmaschinen verwendet, die eine Prallwirkung auf die Agglomerate ausüben. Derartige Aufbereitungsmaschinen können Prallmühlen, Luftstrahlmühlen, Stiftmühlen oder Kugelmühlen sein. Es hat sich jedoch der Einsatz spezieller Planscheibenmühlen, z.B. Tonaufschlussmühlen nach dem System Eirich, mit gezahnten Mahlbahnen in bezug auf Leistung und Ergebnis als besonders vorteilhaft herausgestellt. Die Vielzahl der Zwischenräume zwischen der Mahl bah nriffelung bilden dabei feine Kammern zur Verwirbelung bei den vorherrschenden hohen Drehzahlen und ergeben - bezogen auf das spezielle Aufgabegut - eine hohe Prallwirkung. Die Prallwirkung und die Verweildauer lassen sich durch unterschiedliche mechanische Einbauten weiter verbessern.

Die hierbei erzielten Ergebnisse in bezug auf die Produktfeinheit haben die Zielsetzung, den Nanobereich zu erreichen, erfüllt. Entgegen allen Erwartungen und bisherigen Erkenntnissen war dies mit für die Fachwelt höchst überraschenden Ergebnissen praktisch mit konventioneller Technik erreichbar.

Mit Hilfe von Gegenstrahlmühlen wurden entgegen den Erwartungen Feinheiten bis zu < 150 nm erreicht. Dabei wird zur entsprechenden Feinausbeute üblicherweise im Kreislauf über Sichter gefahren. Das Ergebnis war eine praktisch rückstandsfreie Ausbeute. Die Analytik über Elektronenmikroskop zeigte eine gute und ungestörte Plättchenstruktur und bestätigt die Nanaoscaligkeit. Die Produktionsmengen pro Zeiteinheit waren dabei jedoch beschränkt und kostenintensiv.

Aufgrund von gezielt durchgeführten Entwicklungsversuchen hat sich ergeben, dass auf mechanischem Weg mit wesentlich leistungsfähigeren Maschinen, die ebenfalls nach dem Prallprinzip eingesetzt werden können, hohe Konzentrationen entsprechend feiner Partikel zu erreichen sind und die gröberen Teilchen weitestgehend Restagglomerate darstellen. überraschenderweise funktioniert das Prallprinzip ausgezeichnet und mit den höchsten Feinpartikelkonzentrationen in der Planscheibenmühle. Hier desagglomerieren die stabilen, leistenförmigen Agglomerate des speziellen Illits der ausgewählten Art besonders gut. Die gerollten Formen der Smectite bringen hierbei nicht die Voraussetzungen mit. In Anlehnung an die Verfahrensweise der Gegenstrahlmühle mit den entsprechenden technischen Erfahrungen bei Einsatz des speziellen Illits der ausgewählten Art ergab sich die Möglichkeit der Absichtung der Feinstanteile und ein Wiedereinführen der Restagglomerate in den Kreislauf. Die hohen Feinanteile ermöglichen dabei eine praktisch umsetzbare Produktion.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und unter Verwendung des Illits der ausgewählten Art lässt sich ein absolutes Nanopowder als direktes Produkt herstellen. Ein solches, auf völlig unübliche Weise hergestelltes, Nanopowder auf der Grundlage des Illits der ausgewählten Art ist bereits im Produktzustand entsprechend nanoscalig des-agglomeriert, so dass es besonders gut und mit hohen Anteilen z.B. in Polymersystemen dispergiert werden kann. Die praktischen Erfahrungen zeigen dabei, dass der Verfahrensaufwand deutlich geringer ist und erheblich bessere Eigenschaftswerte (im Vergleich zu Nanoclays) erzielt werden. Zusätzlich ist es möglich, auf belastende Chemie zu verzichten und die Oberflächenaktivität der Illitpartikel systemrelevant zu nutzen.

Demgegenüber wird bei den Nanoclays die typische Quellfähigkeit der Smectite benutzt, um sie chemisch aufzuweiten und ein Exfolieren im Prozess des weiter verarbeitenden Kunden vorzunehmen. Damit haben die nicht quellfähigen Illite der ausgewählten Art jedoch den Vorteil, dass sie keine entsprechende Volumenänderungen bei entsprechenden Spannungen erfahren, was insbsondere in der Keramik ein entscheidender Vorteil ist.

Das nach der Erfindung hergestellte Produkt zeichnet sich dadurch aus, dass es ein rein mineralisches, natürliches, fein konditioniertes Schichtsilikat darstellt, einen dreischichtigen Kristallaufbau hat, im wesentlichen nicht quellfähig ist, als Hauptkomponente das Mineral Illit mit einem Anteil von mehr als 70% enthält, wobei die Restanteile ausgeprägte Feinanteile sind, einen festen pulverfömigen Aggregatzustand und einen Partikeldurchmesser von < 300 nm hat und in bezug auf lonenaustausch und Ladung reaktionsfähig ist. Des weiteren hat dieses mit der Erfindung erzielte Material für den Einsatz in der Praxis wesentliche immanente Eigenschaften der Schutt- und Rieselfähigkeit ohne Staubentwickung, weitgehend fehlende Reagglomerationsneigung und fehlende hygroskopische Neigung, hohe Benetzungsfähigkeit, ist somit homogenisierfähig und gefahrlos betriebstauglich.

Nachstehend wird ein Beispiel für eine durchschnittliche chemische Zusammensetzung des erfindungsgemässen Illits der ausgewählten Art gegeben, wobei die Anteile in Gewichsprozent angegeben sind:

SiO2 46,00

Fe2Os 7,00 CaO 6,00

MgO 3,00 Na2O 0,15 TiO2 0,80 P2Os 0,30 GV 11 ,00

Die Strukturformel dieser Zusammensetzung lautet: (K, HaO) (AI, Mg, Fe)2(Si, Al)4OiO [(OH)2(H2O)]