Vom Baustoff bis zur Halbleitertechnik

Sand ist ein sehr weit verbreitetes unverfestigtes Sedimentgestein, das sich durch eine Korngröße zwischen 0,063 und 2,0 mm auszeichnet. Die mineralische Zusammensetzung kann sehr verschieden sein. Sehr viele Vorkommen bestehen aus Quarz bzw. Siliziumdioxid (SiO₂). Aufgrund seiner physikalischen und chemischen Eigenschaften wird er vor allem in der Bau- und Glasindustrie verwendet.

Die analytische Bewertung der chemischen Zusammensetzung und damit die Eignung für den vorgesehenen Verwendungszweck setzt die Zerkleinerung des Quarzsandes voraus. FRITSCH bietet hierfür eine breite Palette an passenden Mühlen. Zur Charakterisierung der Korngrößenverteilung bietet die Firma FRITSCH Siebmaschinen und optische Messgeräte der statischen Laserstreuung und der dynamischen Bildanalyse an. Diese Techniken ermöglichen die Verfolgung und Optimierung von Mahlprozessen.

Beschaffenheit von Siliziumdioxid

Der Hauptbestandteil von Quarzsand ist Siliziumdioxid (SiO₂). Die Sauerstoffatome bilden mit dem Siliziumatom in der Mitte eine Tetraederstruktur. Jedes Sauerstoffatom gehört gleichzeitig zwei Siliziumatomen. So sind die Tetraeder hochmolekular vernetzt. Dadurch bekommt Siliziumdioxid seine besondere Härte von 7 auf der Mohs Skala (vergl.: Diamant = 10) und den extrem hohen Schmelzpunkt von 1713°C. Diese Eigenschaften ermöglichen die Verwendung beispielsweise in der Halbleiter- oder Bauindustrie [1; 2].

Verwendung von Quarzsand

Der überall natürlich vorkommende Rohstoff wurde bereits früh als Baumaterial und zur Herstellung von Glas verwendet. Erste textliche Nachweise zu Glas stammen aus Ugarit und sind auf etwa 1600 v. Chr. zu datieren. Über viele Entwicklungsstufen wurde es möglich, Glas kostengünstig und damit alltagstauglich herzustellen. 1899 führte der Chemiker Robert Küch die ersten Schmelzversuche mit reinem Siliziumdioxid durch und konnte so reines Quarzglas herstellen. Chemisch reines kristallines SiO₂ zeigt einen starken piezoelektrischen Effekt, der eine Anwendung in der Halbleitertechnik und Chipherstellung findet. Allgemein bekannt ist die Anwendung als Schwingquarz in „Quarzuhren“. Die wohl aber wichtigste uns täglich umgebende Anwendung ist die Verwendung zur Herstellung von Beton. Weitere Einsatzgebiete von Quarzsand sind

Filtersand in Kläranlagen [1]

Schleifmittel in der Metallverarbeitung [2]

Künstliche Knochensubstanz (Medizintechnik) [3]

Zerkleinerung von Quarzsand

Durch den spröden Charakter von Sand ist eine Zerkleinerung unproblematisch. Man muss dabei allerdings bedenken, dass Sand aufgrund seiner Zusammensetzung in der Abrasivität stark variieren kann. Um diesen Einfluss zu minimieren, wählt man typischerweise eine Mühle mit Schlagwirkung. Die FRITSCH Planeten-Kugelmühlen eignen sich besonders zu einer schnellen und wirkungsvollen Aufbereitung.

Das Anwendungslabor sowie die Anwendungsberater stellten eine Reihe von Vergleichsversuchen auf, um die Mahlung bezüglich Gerätewahl, Füllmenge, Flüssigkeitszugabe und vielen weiteren Parametern, weiter zu optimieren. Diese internen Vergleichsversuche belegen, dass die FRITSCH Planeten-Kugelmühlen die FRITSCH Mörsermühle bei der Aufbereitung von Sand, sowohl durch Effektivität, als auch Mahldauer bei weitem übertreffen. Dies liegt vor allem in der Kräfte- und Energieübertragung. Planeten-Kugelmühlen sind auf den Eintrag maximaler Schlagenergie optimiert. Eine Besonderheit bietet hierbei die FRITSCH Planeten-Kugelmühle premium line. Durch eine deutlich gesteigerte Drehzahl gelingt die Nassmahlung von Materialien bis in den Korngrößenbereich von einigen Nanometern.

Die Aufgabenstellung

Im konkreten Fall war hochreiner Quarzsand auf eine Korngröße von weniger als 100 µm zu zerkleinern (Bild 1). So aufbereitet kann daraus ein Wasserglas geschmolzen werden. Das Ziel, den Eisengehalt zu bestimmen, ist dann photometrisch unkompliziert möglich. Geringste Spuren Eisen in Glas färben extrem stark und es wäre fatal, wenn z.B. Fensterscheiben oder Trinkgläser eine unkontrollierte Braunfärbung aufwiesen. Deshalb ist die Kontrolle des Eisengehaltes von Quarzsand in der Glasindustrie von großer Bedeutung.

Ursprünglich wurde eine Mörsermühle für diese Aufgabenstellung genutzt. 20 g Quarzsand sind mit der Mörsermühle PULVERISETTE 2 mit Achatschale nach 30 Minuten analysenfein (Bild 2). 100 g Quarzsand sind aber auch mit der Planeten-Kugelmühle PULVERISETTE 6 classic line unter Verwendung des 250 ml Achat-Mahlbechers und 15 Kugeln mit 20 mm Durchmesser ebenfalls aus Achat in 5 Minuten auf eine vergleichbare Feinheit zu bringen (Bild 3).

Die Messungen der Korngrößenverteilung wurden mit dem Laser-Partikelmessgerät ANALYSETTE 22 NanoTec plus durchgeführt (Bild 4). Mit der statischen Lichtstreuung sind sehr schnell und effektiv Korngrößenverteilungen im Bereich zwischen 10 nm und 2 mm zu bestimmen.

Außerdem wurde eine 100 g Probe gewählt, da die größere Menge eher einer repräsentativen Probe entspricht. Diese Menge ist aber mit der Mörsermühle auch in einer Stunde nicht auf eine vergleichbare Endfeinheit zu bringen (Bild 5).

Allgemein lässt sich aus den Versuchen ableiten:

Für die schnelle Zerkleinerung von harten und spröden Materialien sind Planeten-Kugelmühle besser geeignet.

Unter dem Gesichtspunkt einer repräsentativen Probenahme ist der Mahlbecher mit 250 ml Gesamtvolumen der Planeten-Kugelmühle zu empfehlen.

Um beim Mahlen den Eintrag störender Elemente zu vermeiden, stehen Mahlgarnituren aus verschiedenen Werkstoffen zur Verfügung. Für die vorliegende Aufgabenstellung ist Achat als Werkstoff zu empfehlen.

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