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Dokumentenidentifikation DE10145537B4 05.02.2004
Titel Sanitärartikel aus einer dichtbrennenden oder porösbrennenden keramischen Masse
Anmelder DURAVIT AG, 78132 Hornberg, DE
Erfinder Gendronneau, Damien, 78132 Hornberg, DE;
Sonntag, Pedro, 78132 Hornberg, DE;
Stammel, Thomas, 78132 Hornberg, DE
Vertreter Matschkur Lindner Blaumeier Patent- und Rechtsanwälte, 90402 Nürnberg
DE-Anmeldedatum 14.09.2001
DE-Aktenzeichen 10145537
Offenlegungstag 10.04.2003
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 05.02.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 05.02.2004
IPC-Hauptklasse C04B 33/24
IPC-Nebenklasse C04B 35/18   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Sanitärartikel aus einer dichtbrennenden keramischen Masse sowie einen Sanitärartikel aus einer porösbrennenden keramischen Masse.

Sanitärartikel werden im Allgemeinen entweder aus dichtbrennendem keramischen Material, sogenanntem Vitreous-China (= porzellanartige Masse) mit einem Wasseraufnahmevermögen von < 0,5 % oder aus einer porösbrennenden keramischen Masse mit einem Wasseraufnahmevermögen von > 0,5 % gebrannt. Dabei werden die dichtbrennenden Vitreous-China-Massen für Klosetts und kleinere Artikel, die porösbrennenden Massen aufgrund ihrer niedrigeren Brenndeformation und Schwindung für größere maßhaltige Artikel eingesetzt.

Eine allgemeine Einteilung von keramischen Werkstoffen findet sich in Römpp, Lexikon der Chemie, Band 10, 10. Auflage, Seite 2113 bis 2114, Georg Thieme Verlag, Stuttgart, 1997.

Die Druckschrift EP 0 189 260 B1 offenbart eine Porzellanmasse mit hoher Festigkeit und ein entsprechendes Herstellungsverfahren. In Abhängigkeit von dem beabsichtigten Einsatzzweck kann die Zusammensetzung der Porzellanmasse geändert werden, um einen Werkstoff mit speziellen Eigenschaften zu erhalten.

In der DE 44 42 409 A1 wird eine Korundporzellanmasse vorgeschlagen, die aus einer ersten, verschiedene Bestandteile enthaltenden Komponente und einer zweiten, Porzellanscherben enthaltenden Komponente besteht. Die Beimischung von Porzellanscherben ist jedoch aus technischen Gründen nicht zweckmäßig, wenn aus der Porzellanmasse ein Sanitärartikel gefertigt werden soll.

Ein Sanitärartikel aus Vitreous-China weist in der Regel einen SiO2-Gehalt von ca. 67,7 Masse% und einen Al2O3-Gehalt von ca. 26,4 Masse% sowie eine Anzahl weiterer typischer Oxide (v.a. K2O) mit relativ geringen Gehalten auf. Nach dem Brand besitzt ein oben genannte Gehalte aufweisender Sanitärartikel eine Biegebruchfestigkeit von ca. 55 N/mm2. Im Vergleich dazu weist ein Sanitärartikel aus einer porösbrennenden Masse einen SiO2-Gehalt von ca. 68,3 Masse% und einen Al2O3-Gehalt von ca. 26,9 Masse% sowie eine Anzahl weiterer typischer Oxide (v.a. CaO) mit relativ geringen Gehalten auf. Er zeigte eine Biegebruchfestigkeit von ca. 30 N/mm2.

Nachteilig ist in jedem Fall die relativ geringe Festigkeit der gebrannten Massen und damit der Gegenstände, was sich in der geringen Biegebruchfestigkeit äußert und insbesondere hinsichtlich des Produktdesigns Nachteile bringt, da es kaum möglich ist, relativ fein bemessene Querschnitte und Scherbenstärken bei derartigen Gebrauchsgegenständen zu realisieren.

Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, einen Sanitärartikel anzugeben, der sowohl bei einer Herstellung aus einer dichtbrennenden als auch einer porösbrennenden keramischen Masse gegenüber bekannten Sanitärartikeln deutlich hinsichtlich der Festigkeit verbessert ist.

Zur Lösung dieses Problems ist ein Sanitärartikel aus einer dichtbrennenden keramischen Masse mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgesehen. Neben den genannten Oxiden sind ferner die typischen Oxide in geringen Gehalten vorhanden, die den nicht näher spezifizierten Rest bilden.

Ebenso wird das Problem gelöst durch einen Sanitärartikel aus einer porösbrennenden keramischen Masse mit den Merkmalen des Anspruchs 2. Neben den genannten Oxiden sind ferner die typischen Oxide in geringen Gehalten vorhanden, die den nicht näher spezifizierten Rest bilden.

Erfindungsgemäß wird sowohl hinsichtlich der dichtbrennenden als auch der porösbrennenden Masse vorgeschlagen, den SiO2-Gehalt im Vergleich zum bekannten Stand der Technik deutlich zu verringern und gleichzeitig den Al2O3-Gehalt deutlich zu erhöhen. Durch die Verringerung des SiO2-Gehalts sinkt der Restquarzanteil im Scherben, was dazu führt, dass die Gefügespannungen, die durch den Restquarz in Form von Zugspannungen in den Scherben eingebracht werden, stark vermindert werden und infolgedessen die Rissauslösung bzw. Rissausbreitung erschwert wird. Gleichzeitig tritt eine deutliche Festigkeitssteigerung aufgrund des erhöhten Al2O-Gehaltes, der im Scherben als Grund oder als Mullit vorliegt ein.

Zur weiteren Festigkeitssteigerung ist es bei einem Sanitärartikel aus einer dichtbrennenden Masse zweckmäßig, TiO2 mit einem Anteil von 0,5 – 2 Masse% vorzusehen. Auch eine Hinzufügung von Li2O als sehr starkes Flussmittel mit einem Gehalt von 0,1 – 2,0 Masse% ist zweckmäßig.

Ferner können neben den beiden Schmelzphasenbildnern (Flussmitteln) Na2O und K2O auch CaO zu ≤ 4 Masse% und MgO zu ≤ 4 Masse% als weitere Schmelzbildner vorgesehen sein. Daneben kann die Masse auch Fe2O3 zu ≤ 4 Masse%. enthalten. Fe2O3 bildet als FeO ein starkes Flussmittel über 1200°C. Es verändert die Scherbenstärke ins Dunkle und wirkt als Mineralisator.

Auch bei einem Sanitärartikel aus einer porösbrennenden Masse ist es vorteilhaft, TiO2 zur Festigkeitssteigerung in einem Gehalt von 0,5 – 2 Masse% vorzusehen. Auch Li2O als starkes Flussmittel kann in einem Gehalt von < 2 Masse% enthalten sein. Schließlich kann die Masse ferner ZrO2 und/oder Fe2O3 zu je < = 4 Masse% enthalten. ZrO2 ist ein Keimbildner und Kristallisator, es färbt als Zr SiO4 weiß.

Nachfolgend werden mehrere Beispiele erfindungsgemäßer Massen und die jeweiligen Biegebruchfestigkeiten angegeben. 1. Sanitärartikel aus einer dichtbrennenden Masse: Beispiel 1: Massekomponenten Gehalt in Masse% SiO2 46,76 Al2O3 48,79
CaO 0,10 MgO 0,10 Na2O 0,96 K2O 1,42 Fe2O3 0,61 TiO2 0,94 Li2O 0,32

Masseeigenschaften nach dem Brand:

Wasseraufnahme: < 0,5 %

Schwindung: 10 – 12 %

Biegebruchfestigkeit: 124,0 N/mm2

Kugelschlagfestigkeit: 70 cm Fallhöhe

Ersichtlich kann die Biegebruchfestigkeit mit dem erfindungsgemäßen Ansatz auf mehr als das Doppelte im Vergleich zu bekannten Sanitärartikeln erhöht werden, was auf die erfindungsgemäß vorgeschlagene deutliche Verringerung des SiO2-Gehalts und die entsprechende Erhöhung des Al2O3-Gehalts sowie die Zugabe insbesondere des festigkeitssteigernden TiO2 zurückgeführt werden kann. Bei diesem Beispiel enthält die Masse sogar mehr Al2O3 als SiO2.

Ein weiterer durch die erfindungsgemäße Masse deutlich verbesserter Parameter des Sanitärartikels ist die Kugelschlagfestigkeit. Während dieser Festigkeitswert bei bekannten Artikeln des Standes der Technik ca. 35 cm Fallhöhe beträgt, hält der erfindungsgemäße Artikel einem aus 70 cm herabfallenden Kugel noch Stand. D.h. die Festigkeit konnte verdoppelt werden. Dieser Wert ist u.a. deshalb interessant, da im täglichen Gebrauch eines Sanitärartikels sehr oft Gegenstände aus größerer Höhe auf den Artikel fallen und es dabei nicht zu Beschädigungen kommen darf.

Ein weiteres Beispiel, mit dem ebenfalls entsprechende Werte hinsichtlich der Biegebruchfestigkeit und der Kugelschlagfestigkeit wie oben genannt erreicht werden, ist das folgende Beispiel 2: Massekomponenten Gehalt in Masse% SiO2 49,48 Al2O3 45,16 CaO 0,07 MgO 0,09 Na2O 1,68 K2O 1,94 Fe2O3 0,64
TiO2 0,94 Biegebruchfestigkeit: 120 N/mm2 Kugelschlagfestigkeit: 70 cm Fallhöhe
2. Sanitärartikel aus einer porösbrennenden Masse Beispiel 1: Massekomponenten Gehalt in Masse% SiO2 59,88 Al2O3 35,33 CaO 2,52 MgO 0,19 Na2O 0,12 K2O 0,86 ZrO2 0,02 Fe2O3 0,55 TiO2 0,53

Masseeigenschaften nach dem Brand:

Wasseraufnahme > 5

Schwindung: 7

Biegebruchfestigkeit: 61 N/mm2

Kugelschlagfestigkeit: 75 cm Fallhöhe

Auch bei der porösbrennenden Masse kann eine Verdoppelung der Biegebruchfestigkeit durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Variierung der relevanten Gehalte erreicht werden. Dies gilt auch betreffend die Kugelschlagfestigkeit, die hier sogar 75 cm Fallhöhe im Vergleich zu ca. 35 cm Fallhöhe im Stand der Technik beträgt.

Auch mit dem nachfolglich genannten Beispiel kann eine sehr hohe Biegebruchfestigkeit und Kugelschlagfestigkeit erreicht werden: Beispiel 2: Massekomponenten Gehalt in Masse% SiO2 59,56 Al2O3 35,14 CaO 2,51 MgO 0,19 Na2O 0,12 K2O 0,86 ZrO2 0,02 Fe2O3 0,55 TiO2 1,05 Biegebruchfestigkeit: 60 N/mm2 Kugelschlagfestigkeit: 75 cm Fallhöhe.

Die erfindungsgemäße Brenntemperatur der dichtbrennenden und der porösbrennenden Massen liegt zwischen 1150 – 1300 °C. Wie beschrieben kann durch die erfindungsgemäße Variierung der relevanten Gehalte eine eklatante Erhöhung der Festigkeit des gebrannten Sanitärartikels erreicht werden. Daneben kann aber durch Senken der Brenntemperatur die Schwindung um bis zu 2 % verringert und gleichzeitig die Deformation im Brand annähernd halbiert werden, wobei zwar die Festigkeit im Vergleich zum Brennen bei den üblichen, oben genannten Brenntemperaturen wiederum sinkt, jedoch nicht unter die Festigkeit der bisher bekannten Sanitärartikel.

Zweckmäßigerweise werden die Versätze der entwickelten Massen wie bisher im Schlickergussverfahren in porösen Gipsformen oder Kunststoffformen, mit oder ohne anliegendem Schlickerdruck verarbeitet, was trotz der deutlichen Änderung hinsichtlich der Zusammensetzung der jeweiligen Versätze zur Herstellung der jeweiligen Massen nach wie vor möglich ist.

Besonders zweckmäßig ist es bei der Herstellung des Versatzes, eine möglichst feine Kornverteilung zu erreichen. Der Siebrückstand > 45 &mgr;m sollte < = 10 %, vorzugsweise < = 6 % sein, d.h. die verwendeten Oxide sollten möglichst fein gemahlen sein.

Durch die erfindungsgemäß erreichbare eklatante Festigkeitssteigerung ist es möglich, wesentlich feiner bemessene Querschnitte und Scherbenstärken zu realisieren als dies mit bisher bekannten Massen bzw. bei bisher bekannten Sanitärartikeln der Fall war, ohne Gefahr zu laufen, dass diese den üblichen Anforderungen im Gebrauch nicht Stand halten bzw. bei gleichbleibenden Querschnitten und Scherbenstärken eine erhöhte Sicherheit gegen Vandalismus zu erreichen.

Es ist für den Fachmann offensichtlich, dass die angegebenen Massekomponenten innerhalb der angegebenen Bereiche beliebig variiert werden können. Die angegebenen Beispiele sind nicht beschränkend.

Die Prüfvorrichtung zur Durchführung der Messungen zur Biegebruchfestigkeit besteht aus zwei fest stehenden Auflagern, auf die die Probekörper gelegt wurden, und aus einer Druckfinne, um die Druckkraft in der Mitte zwischen diesen Auflagern auf den Probenkörper zu übertragen. Der Abstand zwischen den Auflagern der Prüfvorrichtung beträgt 200 mm. Als Probekörper wurden für jede in den insgesamt vier Beispielen beschriebenen Massen jeweils 10 gebrannte Stäbe verwendet. Die Abmessungen bei den dichtbrennenden Massen betrugen Länge Breite : Höhe = 220 : 13 : 5 mm und bei den porösbrennenden Massen Länge: Breite : Höhe = 220 : 14 : 5,5 mm. Die Unterschiede in den Abmessungen sind auf die Schwindungsunterschiede zurückzuführen.

Im Rahmen der Prüfung wurden die einzelnen Probenkörper symmetrisch auf die festen Auflagen gelegt. Anschließend wurde die bewegliche Druckfinne auf den Probenkörper aufgesetzt. Die Kraft, mit der die Druckfinne auf den Probenkörper drückt wurde dann gleichmäßig mit einer Geschwindigkeit von 1,25 N/s bis zum Bruch des Probekörpers gesteigert.

Der Wert der Biegebruchfestigkeit &sgr;g wird nach folgender Formel bestimmt:

mit

&sgr;g: Gebrannt Biegebruchfestigkeit in N/mm2

P: Bruchkraft in N

L: Abstand zwischen den Auflagern in mm

B: Breite des Probekörpers in mm

H: Dicke des Probekörpers in mm.

Die Vorrichtung zur Messung der Kugelschlagfestigkeit besteht aus einer Probenaufnahme, auf die die plattenförmigen Proben gelegt wurden. Ferner ist ein an einer vertikalen Säule bewegliches Führungsrohr vorgesehen, in das die Kugel, die auf die Probenkörper fällt, eingelegt wird. Das Führungsrohr ist an der Säule beliebig verschiebbar und arretierbar.

Als Probenkörper wurden zu jeder Beispielmasse mehrere gebrannte und glasierte Probeplatten mit Abmessungen von 15 × 15 cm hergestellt. Die Plattendicke für die dichtbrennenden Massen betrug zwischen 12,0 und 12,5 mm, die Dicke der Platten aus der porösbrennenden Masse betrug zwischen 13,5 und 14,0 mm, wobei auch hier die Unterschiede auf die unterschiedliche Schwindung zurückzuführen ist.

Das Gewicht der Kugel betrug 198,7 g, der Kugeldurchmesser betrug 36,5 mm. Es handelt sich um eine Metallkugel.

Die Messung wurde derart durchgeführt, dass das Führungsrohr auf eine Anfangshöhe von 20 cm eingestellt wurde. Nachdem die Platte unter das Führungsrohr gelegt wurde, wurde die Kugel in das Führungsrohr eingeführt. Anschließend fiel die Kugel auf die Platte. Wenn die Platte nicht brach, wurde die Kugelfallhöhe durch Verschieben des Fallrohrs um 5 cm schrittweite erhöht. Die Kugelschlagfestigkeit ist der Wert der Fallhöhe, die zum Bruch der Proben führte.


Anspruch[de]
  1. Sanitärartikel aus einer dichtbrennenden keramischen Masse (Vitreous-China) mit einem Wasseraufnahmevermögen ≤ 0,5 %, dadurch gekennzeichnet, dass die Masse nach dem Brand enthält:

    SiO zu 42 – 59 Masse%,

    Al2O zu 35 – 52 Masse%,

    Na2O zu 0,5 – 2 Masse%,

    K2O zu 0,5 – 2 Masse%,

    TiO zu 0,5 – 4 Masse%,

    Li2O zu ≤ 2 Masse%,

    CaO zu ≤ 4 Masse%,

    MgO zu ≤ 4 Masse%,

    Fe2O zu ≤ 4 Masse%.
  2. Sanitärartikel aus einer porösbrennenden keramischen Masse mit einem Wasseraufnahmevermögen ≥ 0,5 %, dadurch gekennzeichnet, dass die Masse nach dem Brand enthält:

    SiO zu 50 – 65 Masse%,

    Al2O zu 30 – 50 Masse%,

    Na2O zu 0,5 – 2 Masse% oder 0,12 Masse%,

    K2O zu 0,5 – 2 Masse%,

    MgO oder CaO zu je 0,5 – 4 Masse%,

    TiO zu 0,5 – 2 Masse%,

    Li2O zu ≤ 2 Masse%,

    ZrO zu ≤ 4 Masse% und/oder Fe2O zu ≤ 4 Masse%.
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