DE69408987T3

DE69408987T3 - Verfahren zur herstellung eines mineralfaserproduktes

Info

Publication number: DE69408987T3
Application number: DE69408987T
Authority: DE
Inventors: Shiv Bakhshi; Randall Haines; Ralph Mcgrath; James Scott; Steven Williams
Original assignee: Owens Corning; Owens Corning Fiberglas Corp
Current assignee: Owens Corning Intellectual Capital LLC
Priority date: 1993-06-21
Filing date: 1994-06-14
Publication date: 2002-09-05
Anticipated expiration: 2014-06-15
Also published as: DE69408987T2; JP2894638B2; AU677357B2; KR960703098A; TW277051B; ES2113113T5; US5490961A; EP0705227B1; ES2113113T3; DE69408987D1; WO1995000454A1; JPH08506391A; CA2164212A1; CN1133031A; EP0705227B2; KR0185481B1; AU7170594A; US5736475A; EP0705227A1; PL311884A1

Description

Verfahren zur Herstellung eines Mineralfaserprodukts

Beschreibung

Technisches Gebiet

Diese Erfindung betrifft die Erzeugung von Mineralfaserprodukten und insbesondere von Mineralfaserprodukten, auf die ein organisches Material oder ein Polymer aufgebracht ist. Diese Erfindung betrifft insbesondere das Herstellen eines Mineralfaserprodukts mit einem neuartigen Weg zum Aufbringen von Polymermaterial auf die Mineralfasern.

Stand der Technik

Mineralfaserprodukte, insbesondere aus Glasfasern hergestellte Produkte, werden typischerweise entweder als zusammenhängende oder als nicht zusammenhängende Fasern hergestellt. Verschiedene organische Beschichtungen werden auf diese Fasern aufgebracht, um sie gegen Abrieb zu schützen, um die Mineralfasern zur Bildung eines Strukturprodukts miteinander zu verbinden und um eine Verträglichkeit der Mineralfasern mit anderen Materialien, wie die Verträglichkeit zwischen Verstärkungsfasern und einer Kunststoffmatrix, zu erzeugen. Bei Isolationsprodukten werden die Mineralfasern durch ein organisches Material wie ein Phenol/Formaldehyd-Bindemittel verbunden, wodurch eine federartige Matrix gebildet wird, die nach einem Zusammendrücken während des Verpackens wieder in die ursprüngliche Form zurückkehrt.
Das Aufbringen von organischem Material auf die Mineralfasern kann mehrere Formen annehmen. Zusammenhängende Mineralfasern können durch ein Bad geführt werden oder eine Beschichtungseinrichtung passieren, um auf die Fasern eine Beschichtung aufzubringen, wie beim Aufbringen eines Leims auf zusammenhängende Fasern. Weiterhin kann das organische Material auf die Mineralfasern aufgesprüht werden. Dieses Verfahren wird gemeinhin bei der Herstellung von Isolationsprodukten verwendet, wo ein zylindrischer Schleier auf den Sprühnebel des Phenol/Formaldehyd-Bindemittels trifft. Typischerweise enthält das Phenol/Formaldehyd-Bindemittel Harnstoff und weist im ungehärteten Zustand in wäßriger Lösung, in der es auf die Glasfasern aufgebracht wird, ein Molekulargewicht von etwa 600 auf.
Eines der mit dem Aufbringen wäßriger organischer Bindemittel aus dem Stand der Technik auf zylindrische Schleier von Mineralfasern verbundenen Probleme besteht darin, daß ein Teil des Bindemittels zum Verdampfen neigt, bevor ein Kontakt zwischen dem Tropfen des flüssigen Bindemittels und einer Mineralfaser in dem Schleier hergestellt worden ist. Das verdampfte Bindematerial wird zu einer Verunreinigung im Abgasluftstrom des Prozesses und muß beim Reinigen entfernt werden, um Verschmutzungsprobleme zu vermeiden. Weiterhin neigt das Bindematerial auf den Mineralfasern zur Klebrigkeit, wodurch ein sehr starkes Reinigen der Vorrichtung zum Zusammenführen der Fasern erforderlich ist, um die Heranbildung von Klumpen aus Glasfaser-Isolationsmaterial zu verhindern, die in das Produkt fallen und einen Produktfehler hervorrufen können.
Ein weiteres mit dem Aufbringen von Bindemittel auf Isolationsprodukte verbundenes Problem besteht darin, daß das Phenol/Formaldehyd-Bindematerial mit niedrigem Molekulargewicht nicht einige der wünschenswerten Eigenschaften anderer Polymermaterialien mit höherem Molekulargewicht, wie Polyethylenterephthalat (PET), Polypropylen oder Polyphenylensulfid (PPS) aufweist.
Ein mit dem Bindematerial mit niedrigem Molekulargewicht verbundenes Hauptproblem besteht darin, daß ein Härteprozeß erforderlich ist, womit gewöhnlich betriebliche Nachteile, wie die Kapital- und Betriebskosten eines Härteofens, die Kosten des Handhabens von Verschmutzungsproblemen und das Ausmaß von Härteproblemen und Problemen bezüglich der Unversehrtheit von Produkten, verbunden sind. Falls Polymere mit einem höheren Molekulargewicht zur Erzeugung von Isolationsprodukten auf Mineralfasern aufgebracht werden konnten, könnten einige verbesserte Merkmale verwirklicht werden.
Bisher waren Versuche, Bindemittel mit höherem Molekulargewicht auf Mineralfasern aufzubringen, um ein Isolationsprodukt zu erzeugen, nicht gerade von Erfolg gekrönt.
Eines der mit den Versuchen, Polymere mit höherem Molekulargewicht sowie Phenol/Formaldehyd- Bindemittel mit niedrigerem Molekulargewicht auf Schleier von Glasfasern aufzubringen, verbundenen Probleme bestand darin, daß das Aufbringen des Materials sehr ungleichmäßig ist, was zu Differenzen in der Menge des auf verschiedene Abschnitte des Isolationsprodukts aufgebrachten Bindematerials führt. Es wäre vorteilhaft, diese Bindematerialien gleichmäßiger aufbringen zu können, um ein gleichmäßiger verteiltes gebundenes Produkt zu erzeugen.
In EP-A-0 530 843 ist ein Prozeß zum Hinzufügen von Zusatzpartikeln zu gezogenen Fasern wahrend der Herstellung der Fasern beschrieben. Bei diesem Prozeß werden Partikel vor oder nach dem Prozeß des Verdünnens der Fasern in einen bewegten Faserstrom gelenkt. Durch die Bewegung der Fasern werden die Partikel mit den Fasern vermischt, bevor das vermischte Material auf einem beweglichen Träger zusammengeführt wird. Die Fasern sind vorzugsweise Mineralfasern, und die Partikel können beispielsweise Mineralfasern oder Zellulosefasern sein, die aus einer Vielzahl von Gründen, wie der Erhöhung der Festigkeit des Produkts oder um als Streck- oder Füllmaterialien zu dienen, hinzugefügt werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun ein Verfahren zur Herstellung eines Mineralprodukts vorgesehen, bei dem
a. Mineralfasern mittels einer Spinneinrichtung ausgeschleudert werden,
b. die Mineralfasern erwärmt werden, und ihre Bewegungsrichtung derart geändert wird, daß ein sich abwärts bewegender Schleier aus Mineralfasern und heißen Gasen gebildet wird,
c. Fasern aus Polymermaterial gebildet und von einer Position innerhalb und in Abstand zu dem Schleier auf diesen zu geleitet werden, um das Polymermaterial und die Mineralfasern zu vermischen, wodurch die Wärme der heißen Gase einen Teil der Polymerfasern aufweicht, so daß sie ihre faserige Gestalt verlieren und sich als nicht faserige Polymerpartikel an die Mineralfasern anlagern, während ein anderer Teil der Polymerfasern die faserige Gestalt behält, und
d. die vermischten Mineralfasern mit den angelagerten, nicht faserigen Polymerpartikeln und die Polymerfasern unter Bildung des Mineralfaserprodukts aufgenommen werden.
Das Molekulargewicht des Polymermaterials übersteigt vorzugsweise 1.000, bevorzugt 10.000 und noch bevorzugter 100.000.
Es wurde herausgefunden, daß das durch das Verfahren gemäß dieser Erfindung erzeugte Produkt ein Isolationsprodukt mit einem höheren Maß an Flexibilität und Handhabbarkeit ist als dies bei typischen Isolationsprodukten der Fall ist.
Weiterhin weist das gemäß der Erfindung erzeugte Produkt eine gegenüber Standardisolationsprodukten verbesserte Wiedergewinnung der ursprünglichen Form auf.
Einer der Vorteile der Erfindung besteht darin, daß sie das Aufbringen von thermoplastischen Bindemitteln mit einem hohen Molekulargewicht ermöglicht. Diese Bindemittel konnten wegen Einschränkungen bezüglich der Temperatur bisher nicht erfolgreich von außerhalb des Schleiers aufgebracht werden.
Bei einer speziellen Ausführungsform der Erfindung enthält der Mineralfaserstrom heiße Gase, die einen Teil der Polymerfasern so erweichen, daß sie ihre faserige Gestalt verlieren und sich an die Mineralfasern als Polymere nicht faserige Partikel anlagern. Die Polymerfasern werden dem Mineralfaserstrom von einer Position innerhalb eines zylindrischen Faserschleiers zugeleitet, um ein Vermischen des Polymermaterials und der Mineralfasern zu bewirken.
Die Mineralfasern werden aus einer Spinnmaschine ausgeschleudert und die Fasern nach der Faserbildung erwärmt und abwärts gerichtet, so daß sie einen sich abwärts bewegenden Schleier von Mineralfasern und heißen Gasen bilden. Die Wärme der heißen Gase bewirkt, daß einige der Polymerfasern in Kontakt mit dem Schleier kommen, wodurch sie soweit erweicht werden, daß sie ihre faserige Gestalt verlieren und sich an die Mineralfasern anlagern.

Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 ist eine schematische Vorderansicht der Vorrichtung zum Ausführen des auf die zentrifugale Faserbildung von Glasfasern angewendeten erfindungsgemäßen Verfahrens.
In Fig. 2 ist ein durch den erfindungsgemäßen Prozeß hergestelltes Mineralfaserprodukt dargestellt.

Die beste Art zum Ausführen der Erfindung

Die Erfindung wird bezüglich eines Glasfaser-Bildungsvorgangs beschrieben, wenngleich zu verstehen ist, daß die Erfindung unter Verwendung anderer durch Wärme erweichbarer Mineralmaterialien, wie Stein, Schlacke und Basalt, verwirklicht werden kann.
Wie in Fig. 1 dargestellt ist, dreht sich eine Glas-Spinnmaschine 10 um eine Drehachse 12, und sie wird durch eine Welle 14 angetrieben. Der Spinnmaschine wird ein Strom geschmolzenen Glases 16 zugeführt, das durch die Wände der Spinnmaschine ausgeschleudert wird und Glasfasern 18 bildet.
Die Glasfasern werden durch die Wärme eines ringförmigen Brenners 20 unmittelbar außerhalb der Spinnmaschine in einem weichen, verdünnbaren Zustand gehalten. Die sich radial vorbewegenden Glasfasern werden durch ein Gebläse 21 abwärts gerichtet und zu einem zylindrischen Schleier 22 aus sich nach unten hin, also in Richtung der Achse der Spinnmaschine, vorbewegenden Fasern geformt. Der Prozeß des Erzeugens des sich nach unten hin bewegenden zylindrischen Schleiers aus Glasfasern ist im Stand der Technik wohlbekannt.
Es sei bemerkt, daß die Mineralfasern durch andere Mittel, wie einen Spintex- oder einen Radschleuderprozeß oder einen Luftblaseprozeß hergestellt werden können. In jedem Fall werden die Polymerfasern dem Mineralfaserstrom zum Vermischen zugeleitet.
Unterhalb der Glas-Spinnmaschine befindet sich eine drehbare Vorrichtung zum von einer Position innerhalb des Schleiers geschehenden Verteilen der Polymerfasern derart, daß sie in Kontakt mit dem Schleier gebracht werden.
Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform beinhaltet die Verwendung einer zweiten Spinnmaschine, einer Polymer-Spinnmaschine 24, zum Verteilen von Polymermaterial derart, daß es in Kontakt mit dem Schleier gebracht wird. Die Polymer-Spinnmaschine kann zum Drehen in irgendeiner Form angebracht sein. Sie kann wie dargestellt zum Drehen mit Stützelementen 26 in direktem Kontakt mit der Glas-Spinnmaschine angebracht sein.
Der Polymer-Spinnmaschine wird ein Strom 28 geschmolzenen Polymermaterials zugeführt. Dieser Strom kann wie dargestellt durch den hohlen Abschnitt der Welle der Glas-Spinnmaschine zugeführt werden. Das geschmolzene Polymer kann unter Verwendung einer Strangpreßeinrichtung hergestellt oder zugeführt werden, wie Fachleuten auf dem Gebiet der Polymermaterialien, wie PET, allgemein bekannt ist.
Abhängig von den Viskositäten, der Oberflächenspannung und anderen Parametern des Polymermaterials und von der Drehgeschwindigkeit und den Öffnungsgrößen der Polymer-Spinnmaschine können Polymerfasern 30 von der Polymer-Spinnmaschine hergestellt werden. Die Polymerfasern bewegen sich radial nach außen vor, wo sie auf die Mineralfasern treffen und sich mit ihnen vermischen.
Da die Glasfasern und die Glas-Spinnmaschinen bei einer Temperatur von etwa 927ºC (1.700ºF) arbeiten, werden die Polymerfasern schnell in einen Bereich hoher Temperatur gedrängt, wodurch die Polymerfasern erweicht werden. Es wurde herausgefunden, daß ein Teil der Polymerfasern schmilzt, wodurch Tröpfchen oder andere Partikel gebildet werden, die sich an einen Teil der Mineralfasern anlagern. Andere der Polymerfasern behalten ihre faserige Gestalt, was dazu führt, daß Polymerfasern im Mineralfaserbündel 32 vorhanden sind.
Der Grund dafür, daß ein Teil des Polymermaterials seine faserige Gestalt behält, während andere Teile des Materials Polymerpartikel bilden, die sich an die Mineralfasern anlagern, ist nicht bekannt. Es liegt möglicherweise daran, daß ein Teil der Polymerfasern nicht bis zu dem Grad erweicht wird, der erforderlich ist, damit sie ihre faserige Gestalt verlieren und in eine eher sphärische Gestalt übergehen. Es mag auch daran liegen, daß, wenngleich alle Polymerfasern erweicht werden, nur ein Teil von ihnen in Kontakt mit Mineralfasern kommt, während sie sich im erweichten Zustand befinden.
Um sicherzustellen, daß das Polymermaterial keiner Temperatur ausgesetzt wird, die die Verschlechterungs- oder Oxidationsgrenze übersteigt, kann eine Kühleinrichtung, wie eine Wasserverteilungseinrichtung 34, verwendet werden, um den Temperaturbereich zu regeln, dem die Polymerfasern oder das Polymermaterial ausgesetzt sind. Die Wasserverteilungseinrichtung kann irgendeine zum Zuführen fein verteilter Feuchtigkeit in der Nähe des sich voranbewegenden Polymermaterials geeignete Einrichtung sein. Ein weiteres Beispiel einer Kühleinrichtung ist eine nicht dargestellte Luftströmungsvorrichtung, die Luft zu den Polymerpartikeln oder Fasern lenkt, um die Temperatur an dem Punkt zu regeln, an dem das Polymermaterial auf die Mineralfasern triff.
Nachdem das Polymermaterial und die Mineralfasern im vermischten Zustand zusammengeführt werden und ein Bündel bilden, kann das Bündel wahlweise durch einen Ofen 34 geführt werden, um die Form des Mineralfaserbündels zu verändern und ein Mineralfaserprodukt 36 zu erzeugen.
Wie in Fig. 2 dargestellt ist, besteht das Glasfaserprodukt aus Mineralfasern 18 und Polymerfasern 30. An einige Mineralfasern ist partikelförmig Polymermaterial angelagert, und andere können vollständig mit Polymermaterial beschichtet sein.
Wenngleich bei der in Fig. 1 dargestellten Erfindung PET-Polymermaterial verwendet wird, sei bemerkt, daß gemäß dieser Erfindung ein anderes Polymermaterial mit einem hohen Molekulargewicht verwendet werden kann. Beispiele umfassen Polycarbonatmaterial, Polypropylen, Polystyrol und Polysulfid.
Es sei auch bemerkt, daß im Mineralfaser-Endprodukt verschiedene Mengen an Polymermaterial und Mineralfasermaterial vorhanden sein können. Beispielsweise weist eine typische Gebäudeisolation etwa 5 Gew.-% Phenol/Formaldehyd auf, und das sich aus dieser Erfindung ergebende Isolationsprodukt kann ein ähnliches Gewichtsverhältnis zwischen dem Polymermaterial und dem Mineralfaserprodukt aufweisen. Preßstoff-Isolationsprodukte können ein Polymermaterial innerhalb des Bereichs zwischen etwa 5 und 40 Gew.-% und vorzugsweise zwischen etwa 10 und 30 Gew.-% des Mineralfaserprodukts aufweisen. Andere Mineralfaserprodukte können 50 Gew.-% des Mineralfaserprodukts und möglicherweise sogar 70 Prozent übersteigende Anteile des Polymermaterials enthalten.

Beispiel

Das erfindungsgemäße Verfahren wurde verwendet, um ein PET/Glasfaserprodukt herzustellen. Die Glasfaser-Spinnmaschine wies 50.000 Öffnungen auf und wurde bei einem Durchsatz von etwa 495 kg (1.100 lbs.) je Stunde betrieben. Das PET-Material wurde einer zum Drehen unterhalb der Glas-Spinnmaschine angebrachten Polymer-Spinnmaschine zugeführt. Die Polymer-Spinnmaschine wies etwa 7.000 Öffnungen und einen Durchsatz von etwa 22,5 kg (50 lbs.) je Stunde auf. Das PET-Material hatte ein Molekulargewicht von über 200.000. Die Spinnmaschinen wurden auf unterschiedlichen Temperaturen gehalten, um das Glas bzw. das Polymermaterial erfolgreich zu verarbeiten.
Das sich ergebende Produkt war eine gleichmäßige Mischung aus Glas- und Polymerfasern, wobei ein Teil des Polymermaterials an die Glasfasern angelagert war und ein anderer Teil als eingemischte Polymerfasern erhalten blieb.
Es wurde herausgefunden, daß das Produkt aus dieser Probe flexibler und beim Biegen widerstandsfähiger gegenüber einem Brechen war als dies bei herkömmlichen Glaswolle-Preßstoffen der Fall ist. Wenn es in einer typischen Glaswolle-Preßstoffvorrichtung gepreßt wird, lieferte das erfindungsgemäße Produkt in erster Linie hinsichtlich der Widerstandsfähigkeit gegenüber einem Brechen beim Biegen überlegene Ergebnisse.
Dieser Vorteil war beim Pressen, bei der Herstellung und bei der Nachbehandlung mit einem Harz, wie einem Phenol/Formaldehyd, ersichtlich. Vor dem Pressen wies das Produkt hinsichtlich der Formrückstellung auch gegenüber den Standard-Phenol/Formaldehyd-Produkten verbesserte Eigenschaften auf. Weiterhin gab die Anwendung von ultraviolettem Licht auf das Produkt einen klaren Hinweis darauf, daß das PET/Glasfaserprodukt eine höhere Gleichmäßigkeit der Bindemittelverteilung aufwies als sie bei typischen Phenol/Formaldehyd-Produkten auftritt.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Mineralfaserprodukts (32, 36), bei dem

a. Mineralfasern (18) mittels einer Spinneinrichtung (10) ausgeschleudert werden,

b. die Mineralfasern erwärmt werden, und ihre Bewegungsrichtung derart geändert wird, daß ein sich abwärts bewegender Schleier (22) aus Mineralfasern und heißen Gasen gebildet wird,

c. Fasern (30) aus Polymermaterial gebildet und von einer Position innerhalb und in Abstand zu dem Schleier auf diesen zu geleitet werden, um das Polymermaterial und die Mineralfasern zu vermischen, wobei die Wärme der heißen Gase einen Teil der Polymerfasern aufweicht, so daß sie ihre faserige Gestalt verlieren und sich als nicht faserige Polymerpartikel an die Mineralfasern anlagern, während ein anderer Teil der Polymerfasern die faserige Gestalt behält, und

d. die vermischten Mineralfasern mit den angelagerten, nicht faserigen Polymerpartikeln und die Polymerfasern unter Bildung des Mineralfaserprodukts (32, 36) aufgenommen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Molekulargewicht des Polymermaterials größer als 1.000 ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Molekulargewicht des Polymermaterials größer als 10.000 ist.