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Beschreibune
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Die Erfindung betrifft einen Wärmeisolierkörper aus einem hochdispersen
Isoliermaterial, dem ggf. Mineralfaserwolle und Trubungsmittel zugesetzt sind, und
der durch ein Bindemittel gehärtet ist.
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Gattungsgemäße Warmeisolierkörper weisen im allgemeinen nach dem Verdichten
des Isoliermaterials eine wenig stabile Form auf, da der Zusammenhalt dieses Wärmeisolierkörpers
in erster Linie auf der Verzahnung und der Umklammerung der feindispersen Partikel
beruht. #ür die normale Handhabung, bei der durch unsachgemäßes Bearbeiten häufig
grosse Schub- und Scherspannungen auftreten, sind derart hergestellte Platten häufig
ungeeignet und gehen leicht zu Bruch.
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Um ein Brechen dieser Platten bei zu hoher Beanspruchung zu verhindern,
sind aus der DE-PS 19 54 992 Wärmedämmplatten bekannt, beidenendie Materialteilchen
oder Fasern in einer Umhüllung verdichtet vorgesehen sind. Das verdichtete Material
übt dabei auf die gesamte Innenfläche der flexiblen Umschließung,die in der Regel
die Form eines Sackes besitzt und aus einem Stoff aus Glas- oder Quarzfasern besteht,
einen Druck aus. Dieser Innendruck wirkt von außen einwirkenden Drücken, die auf
Schub- oder Scherspannungen zurückzuführen sind, entgegen und verhindert somit ein
Brechen des in der Umschließung eingeschlossenen Isolierkörpers.
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Aus der DE-PS 20 36 124 sind Wärmedämmplatten bekannt, bei denen sich
das hochdisperse, ebenfalls in einem Sack eingeschlossene Isoliermaterial bei der
Druckverfestigung derart mit der Umhüllung verklammert, daß ein Sandwich aus Kernmaterial
und Umhüllung entsteht. Dieses Isolationsprodukt zeichnet sich durch eine hohe Biegesteifigkeit
aus, was bei einer zu hohen Biege- oder Scherbeanspruchung zum Bruch der
Platte
führt.
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Ein anderer Weg wird gemäß US-PS 30 55 831 vorgeschlagen, aus der
handhabungsfähige Wärmeisolierplatten bekannt sind.
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Diese Platten bestehen aus hochdispersem Isoliermaterial, welches
mit Mineralfaserwolle und Trubungsmittel in hochfeiner Form vermischt ist. Dieser
Mischung wird ein Bindemittel unter Vermischung zugesetzt, das anschließend durch
Wärme oder durch katalytische Reaktion ausgehartet wird.
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Die Partikel des Bindemittels müssen dabei eine ähnliche Korngröße
wie die Teilchen des Isoliermittels besitzen, so daß deren Korngröße unterhalb 0,1#m
liegt. Um diese Korngröße zu erreichen, wird das Bindemittel in speziellen Muhlen,
beispielsweise Schwing- oder Kugelmühlen, auf diese Korngröße gemahlen und anschließend
in das Isoliermittelgemisch mit Hilfe einer Mischvorrichtung eingearbeitet. Dieses
Mischen ist jedoch mit erheblichen Schwierigkeiten behaftet, da sowohl die feinkörnigen
Bindemittelteilchen als auch die Isoliermittelteilchen sich sofort beim Mischen
zu Sekundär-Agglomeraten zusammenballen und somit eine wirksame Vermischung von
Bindemittel und Isoliermaterial verhindert wird. Dadurch kommt es zu einer uneinheitlich
verteilten Bindemittel-Isoliermaterial-Mischung, was die mechanischen Eigenschaften
der fertigen Platte nachteilig beeinflußt. Da nur bestimmte Isoliermaterialverbände
durch das Bindemittel-Agglomerat zusammengehalten werden, neigt das beim Harten
entstandene Produkt bei Beanspruchung zu brechen, so daß auch hier die angestrebten
Eigenschaften nur bedingt erreicht werden.
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Aus der DE-OS 27 48 307 ist eine Wärmedämmplatte bekannt, die im Kern
aus einem Gemisch von pyrogener Kieselsäure, Trübungsmitteln und gegebenen Mineralfasern
besteht und als Umhüllung dieses Kerns eine Schicht aus Mineralfasern mit Füllstoffen
und anorganischem Bindemittel besitzt. Die relativ grobkörnigen Fullstoffe der äußeren
Schicht werden mit Wasserglas als Bindemittel ausgehärtet, was zusätzlich zu einem
Verzahnen und teilweisen Anlösen der in der zwei-
ten Schicht enthaltenen
Kieselsäure führt und somit eine weitere innige Verbindung der beiden Schichten
ergibt. Diese Art der Bindemittelbehandlung führt jedoch nur zu einem beschränkten
Schutz des Kerns der Wärmedämmplatte, da die relativ grobe Deckschicht auch im ausgehärteten
Zustand nicht besonders abriebbeständig ist und somit die mechanischen Festigkeiten
der Platte durch die Aushärtung nicht im erwarteten Maße gesteigert wurden.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, in einem Wärmeisolierkörper
der eingangs erwähnten Art ein Bindemittel derart gleichförmig und feinst verteilt
vorzusehen, daß nach dem Aushärten ein Warmeisolierkörper mit ausgezeichneten mechanischen
Eigenschaften erhalten wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das in einem
Vorgemisch mit einem Dispergiermittel gleichförmig verteilte Bindemittel in dem
Isoliermaterial feindispers verteilt vorgesehen ist, wobei die Kanten und Ecken
des Isoliermaterials mit dem Bindemittel durch eine Wärmebehandlung kreuzvernetzbar
sind.
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Mit einem derartigen Wärmeisolierkdrper werden vorteilhaft die wärmedämmenden
und mechanischen Eigenschaften vereinigt, d.h. die erfindungsgemäßen Warmeisolierkörper
besitzen neben einer ausgezeichneten Wärmedammeigenschaft einen sehr hohen Widerstand
gegen Bruch und sind gegen Schub- und Scherspannungen in einem ausreichenden Maß
widerstandsfähig.
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Durch die Verwendung eines Bindemittels erübrigt sich der Einsatz
einer Umhüllung für das Isoliermaterial, so daß durch den Wegfall der Umhüllung
erhebliche Material- und Personalkosten eingespart werden können. Außerdem entfällt
die Inhomogenitat der Kernschicht, die auf ein Verkrallen des Isoliermaterials mit
dem Gewebe der Umhüllung zurückzuführen ist, so daß dadurch insgesamt die Qualität
des Produktes steigt.
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Die Vorzüge des erfindunzsgemåßen Wårmeisolierkörpers sind
darauf
zurückzuführen, daß die feingemahlenen Bindemittelteilchen mit einem Dispergiermittel
zu einem Vorgemisch vermischt werden, wobei ein Zusammenkleben der Bindemittelteilchen
durch den Dispergiermittelzusatz wirksam verhindert wird. Das erhaltene gleichförmig
mit dem Bindemittel versetzte Vorgemisch wird anschließend dem Isoliermaterial untergemischt,
wobei eine äußerst feine Verteilung des Bindemittels in dem Isoliermaterial erhalten
wird. Beim Ausharten können die Bindemittelteilchen mit den benachbarten Isoliermaterialteilchen
an deren Kanten und Ecken in Wechselwirkung treten und mit diesen dreidimensional
verknüpfte Gitter bilden, die eine hohe Stabilität des erhaltenen Produkts gegen
mechanische Einflüsse gewährleisten.
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Als Bindemittel können sämtliche anorganische oder organische Bindemittel
eingesetzt werden, die durch Mahlen in eine Korngröße unter 1/im überführt werden
können und unterhalb 7000C erweichen bzw. schmelzen, wodurch sie eine Verbindung
mit den umgebenden Isoliermaterialteilchen eingehen können. Das Vermahlen dieser
Bindemittelteilchen auf eine Korngroße im Bereich von 1 lum oder darunter läßt Bindemittelteilchen
entstehen, die bei einer gleichförmigen Verteilung im Isolierkörper eine hohe mechanische
Beständigkeit erzeugen. Die obere Temperaturgrenze von ca. 7000Cist deshalb zu beachten,
weil oberhalb dieser Temperaturgrenze die Isoliermaterialteilchen zu sintern beginnen
und dadurch die wärmedämmende Eigenschaft des Isolierkörpers verloren geht.
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Zu Bindemitteln auf anorganischer Basis gehören niederschmelzende
Gläser, glasbildende Stoffe, Glaslote, Phosphate, Sulfate, Carbonate, Hydroxide
oder Oxide der Alkali#oder Erdalkalimetalle, Natriumsilikate, Borate, Borax, Natriumperborat
und deren Gemische. Vorzugsweise wird Soda oder Natriumsulfat eingesetzt, wobei
diesem Natriumsulfat zur Reduzierung etwas feinkörniger Ruß beigegeben ist.
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Beispiele für Bindemittel auf organischer Basis sind Harze vom Phenol-Formaldehyd-Typ,
Harnstoff-#ormaldehyd-Typ, thermisch
erweichbare Harze, wie PVC-Harze
oder Kopolymere von Vinylchlorid und Vinylacetat Granulate von Polyurethan, Polyamiden,
Polyäthylen, Siliconharze und dgl. Vorzugsweise werden feinst gemahlene Formaldehydharze
oder Methylsiliconharze eingesetzt.
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Im allgemeinen wird die Menge des eingesetzten Bindemittels an Hand
der gewünschten Steifigkeit und Biegefähigkeit der Platte bestimmt, wobei es regelmäßig
ausreicht, wenn die Platte durch den Zusatz des Bindemittels abriebfest wird. Ublicherweise
wird das Bindemittel deshalb in einer Menge von 0,5 -20 Gewichtsprozent, insbesondere
5 - 10 Gewichtsprozent, bezogen auf das Isoliermittel eingesetzt.
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Um das Bindemittel möglichst einheitlich und ohne Zdsammensetzen in
Form eines Agglomerats im Isoliermaterial zu verteilen, wird es vor dem Einverleiben
in das Isoliermaterial mit einem Dispergiermittel innig vermischt und anschließend
auf eine Korngröße von 1/um oder darunter gemahlen. Andererseits kann auch das bereits
fein gemahlene Bindemittel durch Mischen mit dem Dispergiermittel derart fein verteilt
werden, daß eine Agglomeratbildung nicht mehr festgestellt werden kann.
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Als Dispergiermittel können hydrophobierte Substanzen anorganischer
oder organischer Art eingesetzt werden, beispielsweise hydrophobierte und/oder pyrogene
Kieselsäure oder Polymerisate wie Polytetrafl träthylen, wobei jedoch die hydrophobierte
Kieselsäure aus Kostengründen bevorzugt ist.
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Dieses Dispergiermittel, dessen Korngrt5ße selbst unter 1Fm liegt,
wird mit dem feink#rnigen Bindemittel in einem Verhältnis von 2:98 bis 30:70, vorzugsweise
10:90 (Gewichtsteile Dispergiermittel:Bindemittel) unter Bildung eines Vorgemisches
innig vermischt. Dieses Vorgemisch wird mit den anderen Bestandteilen des Wärmeisolierkörpers
solange in einem Mischer vermengt, bis eine gleichförmige und äußerst feine Verteilung
dieser Bestandteile gewährleistet ist. Das Dispergiermittel dient hierbei als Abstandshalter
zu den
übrigen Bestandteilen des W§rmeisolierkörpers, so daß die
einzelnen Bindemittelteilchen ohne Agglomerieren gleichförmig verteilt in der Isoliermasse
vorliegen. Somit dient also das Dispergiermittel nicht nur als Mahlhilfe für das
Bindemittel, sondern auch als Abstandshalter zu den einzelnen Isoliermittelteilchen.
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Als teilchenförmiges Isoliermaterial können Pulver- oder Faserteilchen
oder deren Gemische in Frage kommen. Dabei kann es sich um Agglomerate von fein
verteilten Teilchen mit einer Korngröße unter 0,1 #Qm handeln, die eine röhrenförmige
oder poröse Struktur besitzen. Zu derartigen Isolierstoffen gehören Quarz- oder
Glasfasern, Aluminiumsilikatfasern sowie weitere keramische Fasern, pulverförmiges
Aluminium oder Gemische aus Flugasche mit expandierter Kieselerde, feinteiliges
Aluminium- oder Chromoxid und Aerogele, beispielsweise von Kieselsäure, Chromoxid,
Thoriumoxid, Magnesiumhydrat, Aluminiumoxid oder deren Gemische.
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Diese Aerogele können erfindungsgemäß nicht nur als Isoliermaterial,
sondern auch als Dispergiermittel eingesetzt werden, sofern sie hydrophobiert sind.
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Weiterhin gehört zu derartigen Isolierstoffen die pyrogene Kieselsäure,
die aus der chemischen Zersetzung von Siliciumtetrachlorid entsteht. Die Größe dieser
Teilchen liegt in einem Bereich von 10 i-2 mm, insbesondere unterhalb 1 ~zum.
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Im allgemeinen besteht der Wårmeisolierkörper bis zu 95% aus diesem
Isoliermaterial, wobei bevorzugt 30 bis 85% Isoliermaterial eingesetzt werden.
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Zur Erhöhung des Wärmereflexionsvermögens wird den Gemischen weiterhin
ein Trübungsmittel zugegeben, das ebenfalls in fein verteilter Form, üblicherweise
mit einer Korngrößevon 2-3 am vorliegt. Zu einsetzbaren Trübungsmitteln gehören
Graphit und Ruß, sofern die Xmperatur nicht zu hoch ist, anorganische Oxide von
Titan (Ilmenit), Rutil, Chromoxid, Manganoxid, Eisenoxid sowie Carbide des Siliciums,
Bors, Tantals oder Wolfram oder deren Gemische. Weiterhin lassen sich metallisches
Aluminium
Wolfram oder Silicium, Zirkon, Titandioxid oder Bleimonoxid
sowie weitere Stoffe einsetzen, die einen hohen Wärmeflexions-oder IR-Refraktionsindex
besitzen. Diese Trübungsmittel können bis zu einer Menge von 60 Gew.% in dem Wärmeisolierk#rper
vorliegen.
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Dem zu verpressenden Gemisch können weiterhin verstärkend wirkende
Fasern, beispielsweise Alumosilikatfasern oder Glasfasern zugesetzt werden, die
üblicherweise einen Durchmesser von ca. 5-10,wn besitzen und einige Millimeter lang
sind. Diese Verstärkungsfasern können bis zu einer Menge von 40 Gew.% dem Gemisch
zugesetzt werden.
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Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Warmeisolierkörpers wird zunächst
das Vorgemisch, bestehend aus dem Bindemittel und dem Dispergiermittel hergestellt.
Man verwendet 0,5 bis 20, insbesondere 5-10 Gew.% Dispergiermittel und die entsprechende
Menge Bindemittel. Dieses Gemisch, das beispielsweise 10% hydrophobierte Kieselsäure
und 90% Soda enthält, wird in einer Mühle, beispielsweise einer Scheibenschwingmühle
auf eine Korngröße unter 1 un gemahlen und anschliessend mit einer vorbestimmten
Mischung aus Isoliermaterial, Trübungsmittel und Verstärktingsfaser vermengt. Dabei
liegt das Vorgemisch im Endgemisch in eine Menge von 2-30, vorzugsweise 10 Gew.%
vor. Ein derartiges Endgemisch kann beispielsweise aus ca. 60% pyrogener Kieselsäure,
25% Ilmenit, 5% Al-Si-Faser und 10% Vorgemisch in Form von Soda und hydrophobierter
Kieselsäure bestehen.
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Nach dem Mischen in einem Mischer, in dem eine gleichmäßige Verteilung
der Komponenten erfolgt, wird die Mischung in einer Presse zu Platten oder zu Formteilen
verpresst und anschließend einer luTärmebehandlung unterzogen. Das teilchenfOrmige
Material wird dabei einer mechanischen Druckbelastung ausgesetzt. Der Druck liegt
im allgemeinen 2 zwischen 0,07 und 21 kg/cm2 oder auch darüber, wobei vorteilhaft
zwischen der Presse und dem Isoliermaterial ein Trennmittel vorgesehen ist.
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Die derart hergestellte Platte oder Form wird nunmehr einer Wärmebehandlung
entweder in einem Ofen oder aber in einer HF- oder Mikrowellenapparatur ausgesetzt.
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In dem Wärmeofen soll die Temperatur nicht über 70000 steigen, da
oberhalb dieser Temperatur das Sintern der Isolierteilchen beginnt. Ublicherweise
wird in einem Temperaturbereich von 500 - 60000 gearbeitet, bei denen die glasbildenden
Stoffe, beispielsweise das Soda mit dem teilchenförmigen Isoliermaterial, beispielsweise
pyrogener Kieselsäure, zu einem Silikat verschmilzt, so daß die einzelnen Kanten
und Ecken des Isoliermaterials unter Bildung eines Raumnetzes miteinander verbunden
werden. Es hat sich gezeigt, daß bei einer Temperatureinwirkung von 60000 eine Verweildauer
der Platte von 20 Minuten im Wärmeofen ausreicht, wenn die Platte eine Starke von
20 mm besitzt. Es wird dabei eine abriebfestere und gut verarbeitbare Platte erhalten.
Sofern Platten mit einem Durchmesser von 40 mm verarbeitet werden sollen, muß die
Verweildauer entsprechend, beispielsweise auf 30 Minuten, gesteigert werden.
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Andererseits wird die Temperatur im Wärmeofen auf höchstens 30000
angehoben, sofern organische Polymere zur Vernetzung der Platte eingesetzt werden.
Derartige Polymere zersetzen sich oberhalb 200 - 30000 und erfüllen damit nicht
mehr ihren Zweck. Sofern Isolierplatten mit einer maximalen Tem-0 peraturbelastbarkeit
von 200 0 hergestellt werden sollen, ist die Verwendung eines derartigen Polymerisats
ausreichend.
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Andererseits kann der Aufbau des Netzstrukturwerkes auch dadurch erfolgen,
daß Stubstanzen mit einer hohen Absorptionsfähigkeit im Mikrowellenbereich eingesetzt
werden, wobei Substanzen mit einem hohen Verlustwinkel gewählt werden. Hierzu eignen
sich insbesondere wasserenthaltende Verbindungen, beispielsweise Wasserglas, oder
Phenolharze.
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Die in dem Isoliermaterial verteilten Bindemittel vom Wasserglas-oder
Phenolharztyp werden mit einer HF- oder
Mikrowellenapparatur selektiv
auf Temperaturen von 10000C und darüber erhitzt, wobei es zu Verschmelzungen von
Isolierteilchen im Bereich dieser Bindemittelteilchen kommt.
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Dabei ist es gleichgültig, ob das Bindemittelteilchen selbst in die
Reaktion unter Bildung einer Kette mit eingeht (Wasserglas) oder aber zerstört wird
(Phenolharz) was auf eine katalytische Härtung hinausläuft. Hierzu sei angemerkt,
dass beispielsweise Phenolharz enthaltender Mineralfaserschrott nach dessen Zerkleinerung
in einer Kugelmühle auf eine Grösse von einigen pm vermahlen und anschliessend als
Bindemittel dem Gemisch einverleibt werden kann. Da derartige Fasern bis zu 15%
Phenolharz enthalten, kann entsprechend weniger Bindemittel eingesetzt werden. In
bestimmten Fällen reicht sogar die an den Mineralfaserteilchen haftende Phenolharzmenge
aus, um für eine ausreichende Verfestigung des Wärmeisolierkörpers zu sorgen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden Siliconharze,
insbesondere Methylsiliconharze eingesetzt, die sich bei einer Temperatur von 500-600°
C unter Bildung einer Si02-Brücke zersetzen, wobei ebenfalls ein Raumnetz mit den
angrenzenden Isoliermaterialteilchen gebildet wird.
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Festzuhalten ist also, daß niederschmelzende Glasbildner nach einer
Wärmebehandlung als Brückenglieder zwischen den Isoliermaterialteilchen vorliegen,
während organische Polymere, wie die bereits im ausgehärteten Zustand eingesetzten
Formaldehydharze, nach einer Hochtemperaturbehandlung in einem Mikrowellenherd ausgebrannt
sind und somit nur eine katalytische Vernetzungsreaktion in Gang zu bringen hatten.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele für den erfindungsgemäßen
Warmeisolierkörper wiedergegeben. Es zeigen Fig. 1 eine einschichtige Isolierplatte,
wobei im vergr#sserten Ausschnitt die Raumnetzstruktur wiedergegeben ist, und
Fig.
2 eine dreischichtige Isolierplatte.
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In Fig. 1 ist mit 1 die Isolierplatte gezeigt, die nach dem Pressen
und Erhitzen diese Gestalt angenommen hat. Sie setzt sich aus dem feinteiligen Isoliermittel,
Trubungsmittel, Mineralfaserwolle und Bindemittel zusammen.
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In dem in Fig. 1 gezeigten vergrdßerten Ausschnitt sind aus Gründen
der Ubersichtlichkeit lediglich die Isoliermaterialteilchen 2 und die punktftsrmig
dargestellten Bindemittelteilchen 3 zu sehen. Aus diesem Ausschnitt kann entnommen
werden, daß die Bindemittelteilchen 3 mit den Isoliermittelteilchen 2 kreuzförmig
in sämtlichen Raumrichtungen vernetzt sind und somit ein stabiles Gerüst im Inneren
ergeben.
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Gemäß der Ausführungsform nach Fig. 2 besteht der Wårmeisolierkörper
aus 3 Schichten, nämlich den Deckschichten 4 und 5, die ein Bindemittel enthalten
und der Kernschicht 6, die kein Bindemittel enthält. Die Zusammensetzung von Deckschicht
und Kernschicht entsprechen sich also bis auf den Zusatz des Bindemittels. Eine
derartige Isolierplatte wird dadurch hergestellt, daß man zunächst in eine Pressform
eine Schicht Material mit Bindemittel, anschließend eine Schicht Material ohne Bindemittel
und zum Schluß wiederum eine Schicht Material mit Bindemittel einbringt und anschließend
die Presse betätigt. Anschließend wird durch Wärmebehandlung gehärtet. Die Innenschicht
weist die gleichen Eigenschaften wie eine übliche, ohne Bindemittel hergestellte
Isolierplatte auf, ist jedoch durch die beiden Deckschichten wesentlich stabiler
und abriebbeständiger.
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Eine derartige dreischichtige Isolierplatte eignet sich insbesondere
für eine hohe Temperaturbelastung, sofern die Deckschichten 4 und 5 mit hochtemperaturbeständigen
Materialien, wie Aluminiumoxid oder Zirkonoxid angereichert sind. Dadurch wird ein
Temperaturgefälle von der Außen-
seite der Deckschicht zur Kernschicht
hin derart erzeugt, daß die letztere auch bei hoher Temperaturbelastung nicht zersturt
wird. Andererseits können jedoch auch sämtliche drei Schichten mit Bindemittel ausgestattet
sein, wobei jedoch die Deckschichten 4 und 5 in ihrer Zusammensetzung den späteren
Einsatzgebieten angepasst werden können. Beispielsweise können als Füllstoffe für
die Deckschicht Aluminiumoxid, Sand, gemahlene Schamotte, Kaolin und Perlit brauchbar
sein. Es können jedoch auch Fasern, wie Asbest, Steinwolle oder vorzugsweise Aluminium-Silikat-Fasern
verwendet werden. Diesen Deckschichten können Pigmente zugesetzt werden, die die
Temperatur mit Sicherheit unter 9000C halten, wobei die vorstehend genannten Trübungsmittel
verwendet werden.