DE19507664C2 - Geformtes, zusammengesetztes, isolierendes Material und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein leichtes, vorgeformtes, wärmeisolie­ rendes Material mit ausgezeichneten physikalischen Eigenschaften und sehr hoher Temperaturbeständigkeit, sowie ein Verfahren zur Herstellung dieses Materials.

Decken oder Matten aus anorganischen Fasern sind als Wärmeiso­ lierer weit verbreitet, und eine Vielzahl organischer Binder, typischerweiser Phenolmaterialien, sind verwendet worden, um den Faserzusammenhalt aufrecht zu erhalten. Organische Binder geben jedoch in nachteiliger Weise schädliche Gase ab, wenn sie er­ wärmt werden. Außerdem verlieren organische Binder nach ihrer Erhitzung ihre strukturelle Unversehrtheit.

Es ist ferner bekannt, eine wäßrige Dispersion von Vermiculit auf ein flaches Tuch oder Gewebe von Garnen aufzubringen, die nicht feuerbeständig sind, wie in dem US-Patent 4,543,287 offen­ bart ist, deren Inhalt hiermit durch Bezugnahme eingeschlossen wird. Nach dem Entfernen des Wassers verbleiben Vermiculitlamel­ len als ein Überzug auf den Fasern und verleihen diesen mehr Beständigkeit gegen Feuer.

Eine Kieselerdedispersion ist unter der Handelsbe­ bezeichnung Ludox® erhältlich. Dieses Produkt ist hitzebeständig, aber es enthält organisches Material, welches im erhitzten Zustand Gase abgibt. Isolierende Materialien aus Kera­ mikmatten sind starr wie ein Brett und widerstehen jeder Bewe­ gung. Ludox® neigt zur Pulverbildung, wenn es abgerieben oder gehandhabt wird.

Andere hitzebeständige Silicate wie Natrium oder Kaliumsilicat ergeben sehr starre Produkte. Die Silicate sind alkalisch und können mit der Zeit keramische Fasern zerstören, und sie zu Staub reduzieren.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besseres isolierendes Material mit ausgezeichneten physikali­ schen Eigenschaften und sehr hoher Temperaturbeständigkeit sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der An­ sprüche 1 und 7 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängi­ gen Ansprüchen gekennzeichnet.

Das geformte, zusammengesetzte, isolierende Material wird da­ durch hergestellt, daß zuerst eine Wasserdispersion von Ver­ miculit hergestellt wird, die frei von organischen Materialien ist. Die Dispersion wird dann auf eine gewebte oder nicht geweb­ te Decke oder Substrat aus keramischen Fasern, Glasfasern oder anderen Fasern in einer Menge aufgebracht, die ausreicht, um die Decke biegsam und formbar zu machen. Das Substrat oder Abschnit­ te davon werden in die gewünschte Endform gebracht. Das Wasser wird durch Trocknen entfernt und das verbleibende Vermiculit bildet einen festen Binder und dient dazu, das Substrat oder die Decken bzw. Matte in der gewünschten Form zu halten.

Das resultierende geformte, isolierende Material widersteht Temperaturen bis zu 1205°C (2200°F), ohne irgendwelche flüch­ tigen Bestandteile abzugeben. Organische Binder verlieren typi­ scherweise ihre strukturelle Unversehrtheit bei Temperaturen zwischen 121°C und 260°C (250°F und 500°F). Das Material der Erfindung behält seine strukturelle Unversehrtheit bei höheren Temperaturen, d. h. bei Temperaturen von 260°C (500°F) oder mehr. Das geformte Material ist ein guter Schalldämmer und hat eine gewisse Nachgiebigkeit, wodurch sein Einbau erleichtert ist. Der Vermiculitbinder dient auch dazu, alle losen Fasern einzuschließen, wodurch die Handhabung verbessert und Sicher­ heitsrisiken verhindert sind, lose Fasern einzuatmen oder zu verschlucken sowie die Möglichkeit einer Hautreizung vermieden ist. Die Vorteile des zusammengesetzten isolierenden Materials der vorliegenden Erfindung sind: es ist nachgiebig und flexibel, seine Steifigkeit wird durch die Herstellung festgelegt;
es ist leicht zu handhaben und hitzebeständig;
es hat verbesserte akustische Eigenschaften;
es findet bei keinen Temperaturen eine Gasbildung statt;
Vermiculit ergibt einen Film, der in die Fasern eingreift.

Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Die hier verwendeten Vermiculitdispersionen werden durch eine Vielzahl bekannter Methoden hergestellt. Die Disper­ sionen werden durch chemische Abblätterung von Vermiculit, einem natürlich auftretenden Magnesium-Aluminium-Silicatmaterial, zu Blättchen oder Lamellen hergestellt, mit einem hohen Aspektver­ hältnis oder Längenverhältnis und einer Partikelgröße im Bereich von 50 Mikron. Während sowohl organische als auch anorganische Verbindungen verwendet wurden, um an Vermiculit abzublättern bzw. zu schiefern, ist das gemäß der vorliegenden Erfindung bevorzugte Material frei von organischen Materialien. Fertiger abgeblätterter Vermiculit ist im Handel erhält­ lich und kann direkt in Wasser dispergiert bzw. verteilt werden.

Ein kommerziell erhältlicher Vermiculit wird unter der Handelsbezeichnung MicroLite® angeboten.

Der Begriff "keramische Fasern", wie er hier benutzt wird, bedeutet polykristalline Metalloxidfasern mit einer hohen Schmelztemperatur, die typischerweise über 1649°C (3000°F) liegt. Keramische Fasern enthalten allgemein Aluminiumoxid oder Kalziumoxid und Kieselerde sowie kleinere Mengen anderer Oxide wie diejenigen von Eisen, Titan und Magnesium. Eine typische keramische Faser enthält beispielsweise mehr als 30% Aluminium- oder Kalziumoxid, mehr als 45% Kieselerde, mit einem Rest wie anderen Metalloxiden. Die obige Definition schließt daher andere anorganische Fasern wie solchen aus Glas und Asbest aus. Als eine nicht-äquivalente Alternative können Glasfasern bei erheb­ lich tieferen Temperaturverhältnissen verwendet werden.

Die keramischen Fasern werden in ein im wesentliches flaches Substrat oder Decke bzw. Matte durch mehrere bekannte Methoden geformt. Beispielsweise können die Fasern auf einer flachen Oberfläche angeordnet und mit Widerhakennadeln genäht werden, um die Fasern zu verflechten und eine bindige Decke zu bilden. Das Substrat oder die Decke kann auch durch einen Papierherstel­ lungsprozeß hergestellt werden.

Die keramischen Substrate oder Decken werden in verschiedenen Dichten erzeugt, typischerweise 48-192 kg/m³ (3 bis 12 pounds pro cubic foot). Decken geringerer Dichte haben typischerweise bessere Isoliereigenschaften, sie sind jedoch zerbrechlicher als diejenigen höherer Dichte. Die gewünschte Dicke und Dichte ist von den Eigenschaften erforderlich, die das fertiggestellte Stück haben soll. Decken mit dickem Querschnitt und geringer Dichte haben die besten Isoliereigenschaften.

Eine wäßrige anorganische Disperson von Vermiculit wird dadurch hergestellt, daß abgeblätterter Vermiculit mit Wasser vermischt wird. Das Gemisch hat typischerweise etwa 2 bis 30% Feststoffe.

Die wäßrige Dispersion wird dann auf die keramische Faserdecke durch jede geeignete Beschichtungstechnik wie Sprühen, Roll­ beschichtung, Eintauchen oder dergleichen aufgebracht. Es wird genügend Dispersion aufgebracht, daß diese wenigstens teilweise die Oberfläche der Decke durchdringt und einen Teil des Inneren befeuchtet. Beim Aufbringen der wäßrigen Dispersion wird die Dicke biegsam oder formbar.

Die Menge der Vermiculitfeststoffe in der Dispersion und die Menge der Aufbringung auf die keramische Decke variiert in Abhängigkeit von den Prozeßbedingungen, der Dicke der Decke und der gewünschten Steifigkeit des Endprodukt. Die Decke kann eine Dicke in der Größenordnung von 1,6-152,4 mm (0,062 bis 6 inches). Für die meisten Verwendungszwecke hat die Decke eine Dicke im Bereiche von 6,35-25,4 mm (0,25 bis 1,0 inches). Die Menge der aufgebrachten Dispersion liegt in der Größenordnung von etwa 2 bis 50% Vermiculitfestkörper pro 929,2 cm² (square-foot), basierend auf dem Gewicht der keramischen Decke.

Nach dem Aufbringen der Dispersion wird die Decke geformt oder in die gewünschte Form gebracht. Die feuchte bzw. nasse Decke kann von Hand geformt werden oder mit der Hilfe eines Dorns oder einer Formfläche oder sie kann leicht zusammengedrückt werden zwischen gegenüberliegenden Flächen einer Form. Vorzugsweise wird die Gesamtdicke der Originaldecke nicht wesentlich ver­ ändert, um die maximalen thermischen Leistungseigenschaften beizubehalten. Selbstverständlich kann die Decke in jede ge­ wünschte Form geschnitten werden, und zwar sowohl vor als auch nach dem Aufbringen der Binderdispersion.

Nach dem Aufbringen der Dispersion und dem Formvorgang wird die geformte Decke getrocknet, entweder durch Lufttrocknung oder durch Einwirkung von Wärme. Beim Trocknen wird der Vermiculit in einen festen Körper umgewandelt, wobei die geformte Keramikfa­ serdecke in ihrer geformten Gestalt verbleibt.

Zusätzlich zu den oben beschriebenen Formmethoden kann die feuchte bzw. nasse Decke um dem zugehörigen Teil einer Form ge­ formt werden, um geschützt zu sein und trocknen zu können, wodurch der Teil oder die Form mit einer thermischen Schutz­ schicht versehen wird.

Beim Aufbringen des Vermiculits, dem das Formen und Trocknen folgt, behält das Gemisch bzw. der Verbund die geformte Gestalt auf dauerhafte Weise, wobei die äußere Vermiculitschicht dazu dient, die Fasern der keramischen Decke zu umfassen, einzu­ schließen und unbeweglich zu halten. Somit kann die erzeugte Form verwendet und gehandhabt werden, ohne nennenswerte Ablösung von Fasern, und der Verbund ist typischerweise etwas elastisch.

Nachfolgend wird ein Beispiel des geformten, zusammengesetzten, isolierenden Materials beschrieben. Eine 101,6 cm (40 inch) breite, 1,27 cm (1/2 inch) dicke, keramische Decke von 128 kg/m³ (8 pounds pro cubic foot) Dichte wird durch eine Presse mit Anschlagbacken geführt. Die Backen schneiden die Größe für die gewünschte Form für die Vorform. Diese Vorformen können auch durch einen Kalander erzeugt werden, der mit Schneidbacken ausgerüstet ist.

Die Vorformen werden imprägniert, indem sie in eine 15%ige wäßrige Disperison von Vermiculit eingetaucht werden. Die kera­ mische Decke ist hochgradig absorbierend und die Eintauchzeit beträgt etwa 5 s. In einigen Fällen ist die Dispersion pigmen­ tiert, um ein attraktiveres Produkt zu erzeugen.

Die keramische Decke mit dem Imprägniermittel wird auf den Boden einer Mehrfachhohlform gelegt. Die Form wird in einer heißen Presse angeordnet, wo die Oberseite der Form die Vorform etwas zusammenpreßt, um die gewünschte Gestalt zu formen. Der Druck ist niedrig und die Formgestalt bestimmt die Dicke und Form des fertigen Teils. Die Temperatur der Presse ist so groß, daß das Wasser aus der Decke verdampft, so daß nur die festen Vermicu­ litpartikel zurückbleiben. Die Verweilzeit in der Presse hängt von dem Gewicht der feuchten Keramikvorform ab und beträgt ty­ pischerweise 0,5 bis 10 min. Die geformten Teile werden aus der Form entnommen und überstehende Grate werden mit einem Messer entfernt. Die Teile werden untersucht und zum Versand verpackt.

Claims (9)

1. Verfahren zur Herstellung eines geformten, zusammengesetzten, isolierenden Materials, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Aufbringen einer wäßrigen Dispersion von Vermiculitlamellen auf ein keramisches Fasersubstrat in einer ausreichenden Menge, so daß das Substrat nachgiebig wird,
Formen des Substrats in eine dreidimensionale Form und anschlie­ ßend Trocknen des Substrats, so daß das Substrat bei erhöhten Temperaturen in dieser Form verbleibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Formen und Trocknen des Sub­ strats in einer erwärmten Form erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die wäßrige Dispersion der Vermicu­ litpartikel im wesentlichen frei von organischen Materialien ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat gewebte und nicht gewebte Decken enthält.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Decke eine Dicke hat, die 1,6 bis 152,4 mm beträgt.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Decke eine Dichte hat, die etwa 48-192 kg/m³ beträgt.

7. Zusammengesetztes isolierendes Material, mit einem Substrat aus keramischen Fasern in dreidimensionaler Form, das in der Form von einem Binder gehalten ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Binder die Außenschichten des Substrats einhüllt und im wesentlichen aus Vermiculitblättchen besteht, die frei von organischen Materialien sind.

8. Zusammengesetztes isolierendes Material nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Material die Fähigkeit hat, seine strukturelle Unversehrtheit bei Temperaturen über 260°C beizubehalten.

9. Zusammengesetztes isolierendes Material nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die anorganischen Fasern keramische Fasern mit einer Schmelztemperatur von über 1649°C sind.