The present dissertation investigates the flow behavior of concentrated Kaolin slurries and furthermore novel rheological measurement-, analysis-, and assessment procedures for characterizing static and dynamic flow behavior in industrial and research applica- tions. Ten different Kaolins with divergent property profiles were investigated in detail. At first, novel measurement and analysis procedures are presented and the raw material inherent properties are correlated with the resulting flow characteristics. The results describe the structural building and breakdown (in both static and dynamic states) of concentrated Kaolin slurry suspensions with and without deflocculant and also the determination of the point of optimal deflocculant concentration through the develop- ment of a novel analysis method and linking of the parameters to a condition matrix. The results lead to a better understanding of the flow behavior of concentrated Kaolin slurries. Due to the use of a strict measurement protocol with a focus on the elimination of external disturbances on the determination of flow behavior, the phases of dynamic structure construction and destruction (with exclusion of temporal structure effects and vice versa) can be analyzed. It was identified that the construction of particle networks requires less energy than their destruction. Furthermore it could be demonstrated that the occurrence of a transient shear stress peak in kaolin slurries is the cause for the breakdown of an existing particle network and not, as conventionally reported, due to an insufficient measurement time. Moreover, through the combination and modification of two measurement protocols described here, manufacturing companies have a potentially useful tool for composition development and quality control without the necessity of purchasing a highly precise research rheometer. / In der vorliegenden Arbeit wird das Fließverhalten von konzentrierten Kaolinsuspensio- nen untersucht und neuartige rheologische Mess-, Analyse- und Bewertungsverfahren zur Charakterisierung der Belastungs- und Zeitabhängigkeit für Industrie- und Forschungsanwendungen vorgestellt. Hierzu wurden zehn Kaoline mit divergierenden Eigenschaftsprofilen untersucht. Zunächst werden neuartige Mess- und Analyseverfahren vorgestellt und die Eigenschaften der Rohstoffe mit den ermittelten Fließcharakteristika korreliert. Die Ergebnisse beschreiben den strukturellen Auf- und Abbau (zeit- und belastungsabhängig) von konzentrierten Kaolinsuspensionen mit und ohne Dispergierhilfsmitteleinsatz und darüber hinaus die Ermittlung der optimalen Dispergierhilfsmittelkonzentration durch Entwicklung einer neuartigen Analyse und Verknüpfung von Parametern an eine Bedingungsmatrix. Die Erkenntnisse tragen zum besseren Verständnis des Fließverhaltens konzentrierter Kaolinsuspensionen bei. Aufgrund der entwickelten Messvorschriften und der darin elementar verankerten Elimination von Störgrößen auf die Ermittlung des Fließverhaltens konnten die Phasen des strukturellen Auf- und Abbaus unter Belastung (unter Ausschluss von temporalen Struktureffekten und umgekehrt) analysiert werden. Es wurde festgestellt, dass die Konstruktion von Partikelnetzwerken weniger Energie benötigt, als deren Destruktion und das Auftreten des Schubspannungshügels auf den Zusammenbruch des Partikelnetzwerkes und nicht, wie allgemein beschrieben auf zu geringe Messzeiten zurück zu führen ist. Darüber hinaus wird der produzierenden Industrie, durch Abwandlung und Kombination zweier Messvorschriften ein Werkzeug zur Versatzentwicklung und Qualitätskontrolle, auch ohne die Notwendigkeit des Erwerbs von hochpräzisen Forschungsrheometern bereitgestellt.

The present dissertation investigates the flow behavior of concentrated Kaolin slurries and furthermore novel rheological measurement-, analysis-, and assessment procedures for characterizing static and dynamic flow behavior in industrial and research applica- tions. Ten different Kaolins with divergent property profiles were investigated in detail. At first, novel measurement and analysis procedures are presented and the raw material inherent properties are correlated with the resulting flow characteristics. The results describe the structural building and breakdown (in both static and dynamic states) of concentrated Kaolin slurry suspensions with and without deflocculant and also the determination of the point of optimal deflocculant concentration through the develop- ment of a novel analysis method and linking of the parameters to a condition matrix. The results lead to a better understanding of the flow behavior of concentrated Kaolin slurries. Due to the use of a strict measurement protocol with a focus on the elimination of external disturbances on the determination of flow behavior, the phases of dynamic structure construction and destruction (with exclusion of temporal structure effects and vice versa) can be analyzed. It was identified that the construction of particle networks requires less energy than their destruction. Furthermore it could be demonstrated that the occurrence of a transient shear stress peak in kaolin slurries is the cause for the breakdown of an existing particle network and not, as conventionally reported, due to an insufficient measurement time. Moreover, through the combination and modification of two measurement protocols described here, manufacturing companies have a potentially useful tool for composition development and quality control without the necessity of purchasing a highly precise research rheometer.:1. Einleitung und Problembeschreibung 1 2. Stand des Wissen 3 2.1. ToneundKaoline.............................. 4 2.1.1. EntstehungvonKaolinen...................... 5 2.1.2. KaolinalsRohstoff ......................... 6 2.1.3. DasMineralKaolinit........................ 6 2.2. BeschreibungderRheologie ........................ 8 2.2.1. DasZwei-Platten-Modell...................... 8 2.2.2. FließverhaltenundModelle .................... 9 2.2.3. Messsgeräte und Systeme für die Messung rheologischer Eigen- schaften ............................... 16 2.2.4. RheometrischeMessmethoden................... 21 2.3. ElektrostatischstabilisierteDispersionen . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.4. Tonmineral-Wasser-Interaktionen ..................... 28 2.5. FließverhaltenvonKaolindispersionen................... 30 3. Rohstoffuntersuchungen 31 3.1. Reindichtebestimmung ........................... 31 3.2. Partikelgrößenanalyse............................ 32 3.2.1. SedimentationimSchwerefeld ................... 33 3.2.2. Laserbeugungs-Partikelgrößenanalyse . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.3. SpezifischeOberfläche ........................... 35 3.4. BestimmungderlöslichenSalze ...................... 36 3.5. Kationenaustauschkapazität ........................ 37 3.6. Röntgenfluoreszenzanalyse ......................... 37 3.7. Röntgenbeugungsanalyse.......................... 38 4. Experimentelle Methodik 40 4.1. NormativeMineralphasenanalyse ..................... 40 ii 4.2. BerechnungderPartikelgrößenverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1. AuswertungnachDingerundFunk ................ 4.2.2. DasRRSB-Modell ......................... 4.3. HerstellungderDispersionen........................ 4.4. RheologischeUntersuchungen ....................... 4.4.1. DasMalvernKinexuspro+ .................... 4.4.2. Messmethode zur Bestimmung der Zeitabhängigkeit . . . . . . . 4.4.3. Messmethode zur Bestimmung der Belastungsabhängigkeit . . . 4.5. AuswertungdesSprungversuches ..................... 4.6. AuswertungderScherratenrampe ..................... 5. Wiederholbarkeit der entwickelten Messregime 6. Anpassung der Messregime an industrielle Bedingungen 6.1. RohrströmungeinerPotenzflüssigkeit ................... 6.2. NachweisderMesssystemfähigkeit..................... 7. Versuchsreihenentwicklung 7.1. UntersuchungdesFeststoffanteileinflusses. . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2. Untersuchung des Einflusses des Verflüssigeranteils . . . . . . . . . . . . 8. Ergebnisse und Diskussion 8.1. Einfluss der Rohstoffparameter auf das Fließverhalten . . . . . . . . . . 8.1.1. Einfluss der Partikelgrößenverteilung . . . . . . . . . . . . . . . 8.1.2. EinflussderPGV-Modellparameter ................ 8.1.3. Einfluss der spezifischen Oberfläche auf das Fließverhalten . . . 8.1.4. Einfluss der Rohstoffmineralogie auf das Fließverhalten . . . . . 8.2. Untersuchung des Dispergierhilfsmitteleinfusses . . . . . . . . . . . . . 8.3. UntersuchungdesFeststoffanteileinflusses. . . . . . . . . . . . . . . . . 9. Modellierung der belastungsabhängigen Fließeigenschaften 10.Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Anhang / In der vorliegenden Arbeit wird das Fließverhalten von konzentrierten Kaolinsuspensio- nen untersucht und neuartige rheologische Mess-, Analyse- und Bewertungsverfahren zur Charakterisierung der Belastungs- und Zeitabhängigkeit für Industrie- und Forschungsanwendungen vorgestellt. Hierzu wurden zehn Kaoline mit divergierenden Eigenschaftsprofilen untersucht. Zunächst werden neuartige Mess- und Analyseverfahren vorgestellt und die Eigenschaften der Rohstoffe mit den ermittelten Fließcharakteristika korreliert. Die Ergebnisse beschreiben den strukturellen Auf- und Abbau (zeit- und belastungsabhängig) von konzentrierten Kaolinsuspensionen mit und ohne Dispergierhilfsmitteleinsatz und darüber hinaus die Ermittlung der optimalen Dispergierhilfsmittelkonzentration durch Entwicklung einer neuartigen Analyse und Verknüpfung von Parametern an eine Bedingungsmatrix. Die Erkenntnisse tragen zum besseren Verständnis des Fließverhaltens konzentrierter Kaolinsuspensionen bei. Aufgrund der entwickelten Messvorschriften und der darin elementar verankerten Elimination von Störgrößen auf die Ermittlung des Fließverhaltens konnten die Phasen des strukturellen Auf- und Abbaus unter Belastung (unter Ausschluss von temporalen Struktureffekten und umgekehrt) analysiert werden. Es wurde festgestellt, dass die Konstruktion von Partikelnetzwerken weniger Energie benötigt, als deren Destruktion und das Auftreten des Schubspannungshügels auf den Zusammenbruch des Partikelnetzwerkes und nicht, wie allgemein beschrieben auf zu geringe Messzeiten zurück zu führen ist. Darüber hinaus wird der produzierenden Industrie, durch Abwandlung und Kombination zweier Messvorschriften ein Werkzeug zur Versatzentwicklung und Qualitätskontrolle, auch ohne die Notwendigkeit des Erwerbs von hochpräzisen Forschungsrheometern bereitgestellt.:1. Einleitung und Problembeschreibung 1 2. Stand des Wissen 3 2.1. ToneundKaoline.............................. 4 2.1.1. EntstehungvonKaolinen...................... 5 2.1.2. KaolinalsRohstoff ......................... 6 2.1.3. DasMineralKaolinit........................ 6 2.2. BeschreibungderRheologie ........................ 8 2.2.1. DasZwei-Platten-Modell...................... 8 2.2.2. FließverhaltenundModelle .................... 9 2.2.3. Messsgeräte und Systeme für die Messung rheologischer Eigen- schaften ............................... 16 2.2.4. RheometrischeMessmethoden................... 21 2.3. ElektrostatischstabilisierteDispersionen . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.4. Tonmineral-Wasser-Interaktionen ..................... 28 2.5. FließverhaltenvonKaolindispersionen................... 30 3. Rohstoffuntersuchungen 31 3.1. Reindichtebestimmung ........................... 31 3.2. Partikelgrößenanalyse............................ 32 3.2.1. SedimentationimSchwerefeld ................... 33 3.2.2. Laserbeugungs-Partikelgrößenanalyse . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.3. SpezifischeOberfläche ........................... 35 3.4. BestimmungderlöslichenSalze ...................... 36 3.5. Kationenaustauschkapazität ........................ 37 3.6. Röntgenfluoreszenzanalyse ......................... 37 3.7. Röntgenbeugungsanalyse.......................... 38 4. Experimentelle Methodik 40 4.1. NormativeMineralphasenanalyse ..................... 40 ii 4.2. BerechnungderPartikelgrößenverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1. AuswertungnachDingerundFunk ................ 4.2.2. DasRRSB-Modell ......................... 4.3. HerstellungderDispersionen........................ 4.4. RheologischeUntersuchungen ....................... 4.4.1. DasMalvernKinexuspro+ .................... 4.4.2. Messmethode zur Bestimmung der Zeitabhängigkeit . . . . . . . 4.4.3. Messmethode zur Bestimmung der Belastungsabhängigkeit . . . 4.5. AuswertungdesSprungversuches ..................... 4.6. AuswertungderScherratenrampe ..................... 5. Wiederholbarkeit der entwickelten Messregime 6. Anpassung der Messregime an industrielle Bedingungen 6.1. RohrströmungeinerPotenzflüssigkeit ................... 6.2. NachweisderMesssystemfähigkeit..................... 7. Versuchsreihenentwicklung 7.1. UntersuchungdesFeststoffanteileinflusses. . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2. Untersuchung des Einflusses des Verflüssigeranteils . . . . . . . . . . . . 8. Ergebnisse und Diskussion 8.1. Einfluss der Rohstoffparameter auf das Fließverhalten . . . . . . . . . . 8.1.1. Einfluss der Partikelgrößenverteilung . . . . . . . . . . . . . . . 8.1.2. EinflussderPGV-Modellparameter ................ 8.1.3. Einfluss der spezifischen Oberfläche auf das Fließverhalten . . . 8.1.4. Einfluss der Rohstoffmineralogie auf das Fließverhalten . . . . . 8.2. Untersuchung des Dispergierhilfsmitteleinfusses . . . . . . . . . . . . . 8.3. UntersuchungdesFeststoffanteileinflusses. . . . . . . . . . . . . . . . . 9. Modellierung der belastungsabhängigen Fließeigenschaften 10.Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Anhang