DE69300003T2

DE69300003T2 - Mikroporöses, wärmeisolierendes Material.

Info

Publication number: DE69300003T2
Application number: DE69300003T
Authority: DE
Inventors: Darren John Glover; James David Joseph Jackson; Tony Michael Matthews
Original assignee: Zortech International Ltd
Current assignee: Ceramaspeed Ltd
Priority date: 1992-02-07
Filing date: 1993-02-01
Publication date: 1994-09-15
Anticipated expiration: 2013-02-02
Also published as: EP0560479B1; DE69300003D1; JP3491074B2; ES2053355T5; DE69300003T3; CA2088802C; GB9202608D0; EP0560479A1; JPH0616485A; ES2053355T3; US5302444A; GB2264296B; CA2088802A1; EP0560479B2; GB2264296A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft mikroporöses Wärmeisolationsmaterial und betrifft insbesondere Glasfaserverstärkung enthaltendes mikroporöses Wärmeisolationsmaterial.
Der Ausdruck "mikroporös" wird hierbei gebraucht, um poröse oder zelluläre Materialien zu identifizieren, bei denen die oberste Größe der Zellen oder Lücken geringer ist, als die mittlere freie Weglänge eines Luftmoleküls bei Normaltemperatur, d.h. in der Größenordnung von 100 nm oder kleiner. Ein Material, das in diesem Sinn mikroporös ist, wird einen sehr geringen Wärmetransport durch Luftleitung (das sind Zusammenstöße zwischen Luftmolekülen) zeigen. Solche mikroporösen Materialien schließen Aerogel mit ein, das ein Gel ist, in dem die flüssige Phase durch eine gasförmige Phase ersetzt worden ist, in einer Weise, um die Schrumpfung zu vermeiden, die auftreten würde, wenn das Gel direkt aus einer Flüssigkeit getrocknet würde. Eine im wesentlichen identische Struktur kann durch kontrollierte Ausfällung aus einer Lösung erhalten werden, wobei die Temperatur und der ph-Wert während der Ausfällung kontrolliert werden, um ein Ausfällungsprodukt mit einem offenen Gitter zu erhalten. Andere äquivalente offene Gitterstrukturen schließen Pyrogene (aus der Rauchphase abgeschiedene) und elektrothermische Typen mit ein, bei denen ein beträchtlicher Anteil der Partikel eine oberste Partikelgröße kleiner als 100 nm hat. Jedes dieser Materialien, basierend z.B. auf Silika, Aluminiumoxid oder anderen Metalloxiden, kann verwendet werden, eine Mischung aufzubereiten, die wie oben definiert mikroporös ist. Mikroporöse Wärmeisolation ist z.B. in der US-A-2808338 beschrieben und weist hier ein verstärkendes Skelett von feinstapeligen verstärkenden Fasern auf, die entweder organisch oder anorganisch sein können, wobei ein beträchtlicher Betrag und vorzugsweise mindestens 45 Gewichtsprozent eines partikelförmigen Füllmaterials eine poröse oder faserige Struktur hat, sowie Silika-Aerogel, und vorzugsweise einen beträchtlichen Betrag feingeteilter Trübungsmittel aufweist. Passenden verstärkenden Fasern wird nachgesagt, verschiedene Typen von Asbestfasern mit verstärkendem Grad mit einzuschließen, gereinigte Mineralfasern, Glasfasern mit feinem Durchmesser, vorzugsweise vorbehandelt, wie mit Säure, um die Oberfläche aufzurauhen oder auf andere Weise die Oberflächenadhäsionscharakteristiken zu verbessern und organische Fasern. Ein ähnlicher Bereich verstärkender Fasern ist in der US-A- 3055831 offenbart.
Die US-A-4212925 beschreibt ein Isolationsmaterial, das mikroporös ist, dadurch daß es pyrogene Silika enthält, ein Trübungsmittel und eine anorganische verstärkende Faser. Die anorganische verstärkende Faser kann Glaswolle sein, Steinwolle, Schlackenwolle oder eine keramische Faser, sowie diejenige, die durch Schmelzen von Aluminiumoxid und Siliziumdioxid erhalten wird. Die US-A-4399175 beschreibt ein ähnliches mikroporöses Wärmeisolationsmaterial, das verstärkende Fasern enthält, sowie Aluminiumsilikatfasern, Quarz oder Glasfasern, oder keramische Fasern. Die US-A- 4221672 beschreibt detailliert die Verwendung von Glasfasern. Gemäß dieser Referenz ist es üblich verstärkende Fasern aus Aluminosilikat zu verwenden, aber die Verwendung von Aluminiumoxidfasern vergrößert die Toleranz des mikroporösen Wärmeisolationsmaterials gegenüber Hitze. Andererseits resultierten Glasfasern oder Mineralwollefasern in hoher Schrumpfung, die bei niedrigeren Temperaturen in der Größenordnung von 700 ºC auftraten.
Der Stand der Technik zeigt, daß, obwohl die Verwendung von verstärkenden Glasfasern als solche vorgeschlagen worden ist, die Höchsttemperatur der Verwendung solcher Fasern enthaltenden mikroporösen Wärmeisolationsmaterials auf einige 700 ºC beschränkt ist, auf Grund der exzessiven Schrumpfung des Isolationsmaterials bei solchen Temperaturen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Glasfaserverstärkung enthaltendes mikroporöses Wärmeisolationsmaterial bereitzustellen, das eine maximale Gebrauchstemperatur über 700 ºC hat.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein mikroporöses Wärmeisolationsmaterial bereitgestellt, das eine innige Mischung eines trockenen partikelförmigen mikroporösen Materials mit verstärkenden Glasfasern aufweist, wobei das die Glasfasern bildende Glas nicht mehr als ein Gewichtsprozent Na&sub2;O enthält. Solche Glasfasern sind im Handel als E-Glas-Fasern erhältlich.
Das Glas kann die folgende Zusammensetzung haben:
SiO&sub2; 50 bis 100 Gewichtsprozent
Al&sub2;O&sub3; bis zu 25 Gewichtsprozent
B&sub2;O&sub3; bis zu 8 Gewichtsprozent
MgO bis zu 10 Gewichtsprozent
CaO bis zu 21 Gewichtsprozent
Na&sub2;O bis zu 1 Gewichtsprozent
K&sub2;O bis zu 2 Gewichtsprozent
Fe&sub2;O&sub3; bis zu 1 Gewichtsprozent
F&sub2; bis zu 1 Gewichtsprozent.
Das Glas kann im wesentlichen die folgende Zusammensetzung haben:
SiO&sub2; 54 bis 55 Gewichtsprozent
Al&sub2;O&sub3; 14 bis 15 Gewichtsprozent
B&sub2;O&sub3; 7 bis 8 Gewichtsprozent
MgO 0,3 bis 3 Gewichtsprozent
CaO 18 bis 21 Gewichtsprozent
Na&sub2;O bis zu 0, 6 Gewichtsprozent
K&sub2;O bis zu 0,2 Gewichtsprozent
Fe&sub2;O&sub3; 0,2 bis 0,4 Gewichtsprozent
F&sub2; bis zu 1 Gewichtsprozent.
Alternativ kann das Glas im wesentlichen die folgende Zusammensetzung haben:
SiO&sub2; 60 Gewichtsprozent
Al&sub2;O&sub3; 25 Gewichtsprozent
MgO 6 Gewichtsprozent
CaO 9 Gewichtsprozent.
Die Glasfasern können von kontinuierlichen Glasfasern abgehackt werden. Solche Fasern sind von einer Anzahl von Herstellern fertig erhältlich. Gehacktes Litzenglas wird durch Schmelzen eines Glases mit passender Formel in einem Behälter hergestellt, von dem es durch Metallfutter mit kleinem Durchmesser fließt und dann zu kontinuierlichen Fasern gezogen wird, z.B. mit 5 bis 24 Mikron Durchmesser, und diese dann mit einem organischen Kleber verkleidet und zusammengefaßt werden, um Litzen zu bilden. Diese Litzen werden in diskrete Längen zerhackt. Im Gegensatz zu anderen Mineralfasern ist gehacktes Litzenglas im wesentlichen frei von irgendwelchem nicht faserigem Material so wie Granulat und hat einen im wesentlichen gleichmäßigen Durchmesser.
Die Glasfasern können eine Länge von 4 bis 50 mm aufweisen, und können vorzugsweise eine Länge von 6 bis 25 mm aufweisen.
Die Glasfasern können einen Durchmesser im Bereich von 3 bis 20 Mikron aufweisen, und können vorzugsweise einen Durchmesser im Bereich von 6 bis 15 Mikron aufweisen.
Das mikroporöse Wärmeisolationsmaterial kann 1 bis 20 Gewichtsprozent Glasfasern enthalten, und kann vorzugsweise 3 bis 15 Gewichtsprozent Glasfasern enthalten.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung, und um klarer zu zeigen, wie sie ausgeführt werden kann, wird jetzt beispielhaft auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, in denen
Fig.1 ein Graph ist, der die Veränderung der Biegefestigkeit von mikroporösem Wärmeisolationsmaterial in Abhängigkeit vom Fasergehalt für verschiedene Fasertypen zeigt;
Fig.2 ein Graph ist, der die Veränderung der Biegefestigkeit von mikroporösem Wärmeisolationsmaterial in Abhängigkeit von der Dichte für verschiedene Fasertypen zeigt;
Fig.3 ein Graph ist, der die Veränderung der Biegefestigkeit von mikroporösem Wärmeisolationsmaterial in Abhängigkeit von der Dichte für verschiedene Fasergehalte zeigt;
Fig.4 eine Flächenansicht eines Heizstrahlers ist, der eine periphere Wand enthält, die aus mikroporösem Wärmeisolationsmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist;
Fig.5 eine Querschnittsansicht entlang der Linien V-V in Fig.4 ist; und
Fig.6 ein Graph ist, der die Veränderung der Festigkeit von Ringen aus mikroporösem Wärmeisolationsmaterial in Abhängigkeit von der Dichte für verschiedene Mischungen zeigt.
Die Erfindung wird mit Bezug die folgenden Beispiele erklärt werden.

BEISPIEL 1 (VERGLEICHEND)

Ein Block mikroporösen Wärmeisolationsmaterials wurde durch Zusammenmixen einer Mischung von 60 Gewichtsprozent pyrogener Silika, erhältlich durch die Cabot Corporation unter dem Warenzeichen CABOSIL M5, wobei die Silika eine nominale spezifische Oberfläche von 250 m²/g, gemessen durch die B.E.T.- Methode, aufweist, 33,3 Gewichtsprozent eines partikelförmigen Trübungsmittels in Form von Titandioxid und 6,7 Gewichtsprozent von Aluminosilikatfasern (oder keramischen Fasern), erhältlich durch The Carborundum Company Limited unter dem Warenzeichen FIBERFRAX, in einem Flügeltypmixer hergestellt. Die Materialien wurden zusammengemixt, um eine homogene Mischung zu erhalten. Die Mischung wurde zu einem zylindrischen Block zusammengepreßt, der einen Durchmesser von 110 mm und eine Dicke von 25 mm aufwies, wobei der Block eine Dichte von 320 kg/m³ aufwies, und wurde für eine Zeitdauer von 24 Stunden auf eine Temperatur von 800 ºC erhitzt. Als der Block abgekühlt war, wurde festgestellt, daß der Block um 0,35 % in diametraler Richtung und um 0,80 % in axialer Richtung geschrumpft war. Solch ein Material ist zum Gebrauch als Wärmeisolationsmaterial bei einer Temperatur von 800 ºC voll verwendbar.

BEISPIEL 2 (VERGLEICHEND)

Ein Block mikroporösen Wärmeisolationsmaterials wurde durch Zusammenmixen einer Mischung von 60 Gewichtsprozent pyrogener Silika, erhältlich durch die Cabot Corporation unter dem Warenzeichen CABOSIL M5, 33,3 Gewichtsprozent eines partikelförmigen Trübungsmittel in Form von Titandioxid und 6,7 Gewichtsprozent gehackter Glaslitze, erhältlich durch Glaswerk Schüller GmbH unter dem Warenzeichen MICROLITH, hergestellt, wobei die Fasern eine nominale Länge von 25 mm und einen nominalen Durchmesser von 12 Mikron aufwiesen, und wobei das Glas die folgende Zusammensetzung hatte:
SiO&sub2; 65 Gewichtsprozent
Al&sub2;O&sub3; 4 Gewichtsprozent
B&sub2;O&sub3; 5 Gewichtsprozent
MgO 3 Gewichtsprozent
CaO 14 Gewichtsprozent
Na&sub2;O 8,5 Gewichtsprozent
Fe&sub2;O&sub3; 0,3 Gewichtsprozent
zusammen mit zufälligen Beimischungen und Verunreinigungen.
Die Mischung wurde zu einem zylindrischen Block zusammengepreßt, der im wesentlichen dieselben Abmessungen wie in Beispiel 1 aufwies, wobei der Block eine Dichte von 319 kg/m³ aufwies, und wurde für eine Zeitdauer von 24 Stunden auf 800 ºC erhitzt. Als der Block abgekühlt war, wurde festgestellt, daß der Block um 39,5 % in diametraler Richtung und um 18,5 % in axialer Richtung geschrumpft war. Solch ein Material ist eindeutig nicht verwendbar als Wärmeisolationsmaterial bei einer Temperatur von 800 ºC.

BEISPIEL 3

Ein Block mikroporösen Wärmeisolationsmaterials wurde durch Zusammenmixen, in derselben Weise wie in Beispiel 2, einer Mischung von 60 Gewichtsprozent pyrogener Silika, erhältlich von der Cabot Corporation unter dem Warenzeichen CABOSIL M5, 33,3 Gewichtsprozent eines partikelförmigen Trübungsmittels in Form von Titandioxid und 6,7 Gewichtsprozent gehackter E-Glas- Litze, erhältlich durch die Owens Corning Fiberglas Corporation unter dem Warenzeichen FIBERGLAS, hergestellt, wobei die Fasern eine nominale Länge von 25 mm und einen nominalen Durchmesser von 13 Mikron aufwiesen und wobei das Glas im wesentlichen folgende Zusammensetzung hatte:
SiO&sub2; 54 bis 55 Gewichtsprozent
Al&sub2;O&sub3; 14 bis 15 Gewichtsprozent
B&sub2;O&sub3; 7 bis 8 Gewichtsprozent
MgO 0,3 bis 3 Gewichtsprozent
CaO 18 bis 21 Gewichtsprozent
Na&sub2;O bis zu 0,6 Gewichtsprozent
K&sub2;O bis zu 0,2 Gewichtsprozent
Fe&sub2;O&sub3; 0,2 bis 0,3 Gewichtsprozent
F&sub2; bis zu 1 Gewichtsprozent
zusammen mit zufälligen Beimischungen und Verunreinigungen.
Die Mischung wurde zu einem zylindrischen Block gepreßt, der ähnliche Abmessungen zu denen in Beispiel 1 aufwies, wobei der Block eine Dichte von 320 kg/m³ aufwies, und wurde für einen Zeitraum von 24 Stunden auf eine Temperatur von 800 ºC erhitzt. Als der Block abgekühlt war wurde festgestellt, daß der Block um 1,54 % in diametraler Richtung und um 1,51 % in axialer Richtung geschrumpft war. Solch ein Material ist insgesamt brauchbar als Wärmeisolationsmaterial bei einer Temperatur von 800 ºC an der heißen Seite.

BEISPIEL 4

Beispiel 3 wurde wiederholt, aber es wurde im Block des mikroporösen Wärmeisolationsmaterials gehackte E-Glas-Litze, erhältlich durch Vetrotex International unter dem Warenzeichen VETROTEX EB107DC/5EC14300 12mm (P312 SP219) anstatt der gehackten E-Glas-Litze von Owens Corning Fiberglas Corporation substituiert, wobei die Fasern eine nominale Länge von 12mm und einen nominalen Durchmesser von 14 Mikron aufwiesen. Die Mischung wurde zu einem zylindrischen Block zusammengepreßt, der ähnliche Abmessungen zu denen in Beispiel 1 hatte, wobei der Block eine Dichte von 313 kg/m³ hatte, und wurde für einen Zeitraum von 24 Stunden auf eine Temperatur von 800 ºC erhitzt. Als der Block abgekühlt war, wurde festgestellt, daß der Block um 1,74 % in diametraler Richtung und um 1,20 % in axialer Richtung geschrumpft war. Solch ein Material ist insgesamt brauchbar als Wärmeisolationsmaterial bei einer Temperatur der heißen Seite von 800 ºC.

BEISPIEL 5

Ein Block mikroporösen Wärmeisolationsmaterials wurde durch Zusammenmixen, in derselben Weise wie in Beispiel 2, einer Mischung aus 60 Gewichtsprozent pyrogener Silika, erhältlich durch die Cabot Corporation unter dem Warenzeichen CABOSIL M5, 33 Gewichtsprozent eines partikelförmigen Trübungsmittels in Form von Titandioxid und 6,7 Gewichtsprozent gehackter R-Glas- Litze erhältlich durch Vetrotex International unter dem Warenzeichen VETROTEX Rc10 4,5mm p388 code CR98D, hergestellt, wobei die Fasern eine nominale Länge von 4,5mm und einen nominalen Durchmesser von 10 Mikron aufweisen, und wobei das Glas im wesentlichen die folgende Zusammensetzung hat:
SiO&sub2; 60 Gewichtsprozent
Al&sub2;O&sub5; 25 Gewichtsprozent
MgO 6 Gewichtsprozent
CaO 9 Gewichtsprozent.
Die Mischung wurde zu einem zylindrischen Block zusammengepreßt, der ähnliche Abmessungen zu denen in Beispiel 1 hatte, wobei der Block eine Dichte von 320 kg/m³ aufwies, und für eine Zeitdauer von 24 Stunden auf eine Temperatur von 800 ºC erhitzt. Als der Block abgekühlt war wurde festgestellt, daß der Block um 0,83 % in diametraler Richtung und um 0,80 % in axialer Richtung geschrumpft war. Solch ein Material ist insgesamt brauchbar als Wärmeisolationsmaterial bei einer Temperatur der heißen Seite von 800 ºC.

BEISPIEL 6

Versuche wurden ausgeführt, um den Effekt des Fasergehalts in der Mischung zu bestimmen. Blöcke mikroporösen Wärmematerials wurden durch Zusammenmixen und Zusammenpressen, insgesamt in derselben Weise wie in Beispiel 2, einer Mischung von 60 Gewichtsprozent pyrogener Silika, erhältlich durch die Cabot Corporation unter dem Warenzeichen CABOSIL M5, und 40 Gewichtsprozent einer Mischung von partikelförmigem Trübungsmittel in Form von Titandioxid und gehackter Glaslitze, erhältlich durch Vetrotex International unter dem Warenzeichen VETROTEX, hergestellt, wobei die Fasern eine nominale Länge von 12mm und einen nominalen Durchmesser von 12 Mikron aufwiesen und eine Glaszusammensetzung, die im wesentlichen dieselbe war wie in Beispiel 3 oben. Glasfasern wurden der Mischung, aus der die Blocks hergestellt waren, in den Gewichtsanteilen von 5 %, 10 %, 15 % und 20 % einverleibt. Die Blocks wurden für eine Zeitdauer von 24 Stunden auf eine Temperatur von 800 ºC erhitzt. Als die Blöcke abgekühlt waren, wurden die folgenden Schrumpfungszahlen erhalten: Tabelle 1 Fasergehalt Diametrale Schrumpfung Axiale Schrumpfung Prozent
Im Weg des Vergleichs wurde bei einem Block, der 5 Gewichtsprozent FIBERFRAX-Fasern enthielt und in selber Weise hergestellt und erhitzt wurde, gefunden, daß er eine diametrale Schrumpfung von 0,28 % und eine axiale Schrumpfung von 0,17 % aufwies.

BEISPIEL 7

Wie im obigen beschrieben, ist mikroporöses Wärmeisolationsmaterial bekannt für seine besonders niedrige Wärmeleitfähigkeit. Zweifellos sollte jede neue Form mikroporöser Wärmeisolation ähnlich geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Wir haben Blöcke mikroporösen Wärmeisolationsmaterials in Übereinstimmung mit dem in Beispiel 5 umrissenen Verfahren hergestellt, aber eine pyrogene Silika, erhältlich durch die Cabot Corporation unter dem Warenzeichen CABOSIL MS55, anstatt von M5-Silika verwendet, in Kombination mit den Fasertypen 3,4 und 5 von Beispiel 4. Das Material wurde zu einer Dichte von 320 kg/m³ zusammengepreßt. Wir haben die Wärmeleitfähigkeit von Glasfasern enthaltenden Blöcken mit der Wärmeleitfähigkeit äquivalenter, FIBERFRAX-Fasern enthaltenden Blöcken verglichen und die Ergebnisse sind in Tabelle 2 unten zusammengefaßt: Tabelle 2 Wärmeleitfähigkeit (W/(m K)) Fasergehalt (Gewichtsprozent) ºC im Mittel Fasertyp FIBERFRAX (vergleichend)
Wir haben auch die Wärmeleitfähigkeit flacher Platten mikroporösen Wärmeisolationsmaterials gemessen, das zu 240 kg/m³ zusammengepreßt wurde, innerhalb einer porösen Höhle von Glasfasermaterial, unter Verwendung von Silika der Klasse CABOSIL MS55 von der Cabot Corporation, Titandioxid und entweder Fasertyp 4 oder FIBERFRAX. Die Ergebnisse sind unten in Tabelle 3 zusammengefaßt: Tabelle 3 Wärmeleitfähigkeit (W/(m K)) Fasergehalt (Gewichtsprozent) ºC im Mittel Fasertyp FIBERFRAX (vergleichend)
Somit fällt, während die Wärmeleitfähigkeit von Blöcken des Fasertypen 3,4 und 5 enthaltenden Wärmeisolationsmaterials mit abnehmendem Fasergehalt fällt, sie niemals ganz auf die Wärmeleitfähigkeit von äquivalente Beträge von FIBERFRAX enthaltenden Blöcken. Andererseits ist die Wärmeleitfähigkeit von 3 Gewichtsprozent von Fasertyp 4 enthaltenden Platten vergleichbar mit der Wärmeleitfähigkeit äquivalenter, 6,7 Gewichtsprozent FIBERFRAX enthaltender Platten. Wir glauben, daß dies so ist, weil die Glasfasern in den Platten orientierter sind als die FIBERFRAX-Fasern.

BEISPIEL 8

Aus zusammengepreßten partikelförmigen Materialien hergestelltes mikroporöses Wärmeisolationsmaterial ist ein relativ schwaches und bröckeliges Material. Eine uberlegung bei der Herstellung neuer Formen mikroporösen Wärmeisolationsmaterials ist daher, die Festigkeit des Materials und der Grad, bis zu dem es gehandhabt werden kann. Wir haben Versuche über die Biegefestigkeit von Glasfasern enthaltenden mikroporösen Wärmeisolationsmaterialien durchgeführt.

Versuchsverfahren

Eine rechteckige Platte des mikroporösen Wärmeisolationsmaterials wird in ein Standard-Dreipunkt-Biegefestigkeits- Versuchs-Gestell plaziert, wobei sichergestellt ist, daß die Platte zentral zwischen den drei Belastungsstangen angebracht ist. Die Belastung wird dann erhöht, bis die Platte bricht, und die Höchstkraft in kN wird notiert. Die Biegefestigkeit der Platte in kN/m² kann aus der von der Platte getragenen Höchstkraft und den Abmessungen der Platte in Übereinstimmung mit der folgenden Gleichung bestimmt werden: Biegefestigkeit
wobei:
P = von der Platte getragene Höchstkraft (kN)
s = Stützweite (m) zwischen Belastungsstangen
a = Dicke (m) der Platte
b = Breite (m) der Platte
Ein erster Versuch wurde an Blöcken ausgeführt, die aus einer Anzahl verschiedener mikroporöser Wärmeisolationsmischungen insgesamt in Übereinstimmung mit Beispiel 7 hergestellt wurden, und gegründet auf Fasertypen 4 und FIBERFRAX mit dem Fasergehalt von der zwischen 1 und 6,7 Gewichtsprozent variierenden Mischung waren, und die Mischung zusammengepreßt wurde auf durchschnittliche Dichten von 240 kg/m³ und 320 kg/m³, obwohl bemerkt werden sollte, daß FIBERFRAX enthaltende Blöcke nicht erfolgreich unter 2 Gewichtsprozent Fasern hergestellt werden konnten. Die Ergebnisse sind in Fig.1 zusammengefaßt, die ein Graph ist, der die Veränderung in der Biegefestigkeit der Blöcke (gemessen in kN/m²) in Abhängigkeit vom Fasergehalt zeigt. In Fig.1 verkörpert die gestrichelte Linie die Biegefestigkeit von Material, das Fasertyp 4 enthält und zu einer Dichte von 320 kg/m³ zusammengepreßt ist, verkörpert die gepunktete Linie vergleichende Daten über die Festigkeit von Material, das FIBERFRAX enthält und zu einer Dichte von 320 kg/m³ zusammengepreßt ist, verkörpert die strichgepunktete Linie die Festigkeit von Material, das Fasertyp 4 enthält und zu einer Dichte von 240 kg/m³ zusammengepreßt ist, und verkörpert die ausgezogene Linie vergleichende Daten über die Festigkeit von Material, das FIBERFRAX enthält und zu einer Dichte von 240 kg/m³ zusammengepreßt ist. Fig.1 zeigt, daß die Biegefestigkeit mikroporösen Wärmeisolationsmaterials im allgemeinen mit ansteigendem Fasergehalt ansteigt, und daß die Biegefestigkeit vom Glasfasern enthaltendem mikroporösem Wärmeisolationsmaterial im allgemeinen der Biegefestigkeit FIBERFRAX enthaltenden mikroporösen Wärmeisolationsmaterials überlegen ist.
Ein zweiter Versuch wurde an Platten durchgeführt, die aus einer Anzahl verschiedener mikroporöser Wärmeisolationsmischungen insgesamt in Übereinstimmung mit Beispiel 6 und gegründet auf Fasertypen 3,4 und 5 und FIBERFRAX gegossen, wobei jede einen Fasergehalt von 6,7 Gewichtsprozent aufwies und die Mischung zu Dichten in Bereich von 200 bis 400 kg/m³ zusammengepreßt war. Die Ergebnisse sind in Fig.2 zusammengefaßt, die ein Graph ist, der die Veränderung der Biegefestigkeit der Platten (gemessen in kN/m²) in Abhängigkeit von der Materialdichte (gemessen in kg/m³) zeigt. In Fig.2 verkörpert die gestrichelte Linie die Biegefestigkeit von Fasertyp 3 enthaltendem Material, verkörpert die gepunktete Linie die Festigkeit von Fasertyp 4 enthaltendem Material, verkörpert die strichgepunktete Linie die Festigkeit von Fasertyp 5 enthaltendem Material und verkörpert die durchgezogene Linie vergleichende Daten von FIBERFRAX enthaltendem Material. Fig.2 zeigt nicht nur, daß Glasfasern enthaltendes mikroporöses Wärmeisolationsmaterial insgesamt eine höhere Biegefestigkeit besitzt als FIBERFRAX enthaltendes Material, sondern auch daß die Festigkeit vom Typ der verwendeten Glasfasern abhängt. Die Glasfasern von Fasertyp 3 weisen eine Länge von 6mm auf, die von Fasertyp 4 weisen eine Länge von 12mm auf, und diejenigen von Fasertyp 5 weisen eine Länge von 25mm auf. Somit kann, innerhalb des Bereichs der Versuche, die wir ausgeführt haben, gesehen werden, daß die Biegefestigkeit mit ansteigender Faserlänge ansteigt.
Ein dritter Versuch wurde an Platten ausgeführt, die aus einer Anzahl verschiedener mikroporöser Wärmeisolationsmischungen gegossen waren, die nur auf Fasertyp 4 gegründet waren und Fasergehalte von 1 Gewichtsprozent, 3 Gewichtsprozent, 5 Gewichtsprozent und 6,7 Gewichtsprozent aufwiesen, und wobei die Mischung auf Dichten im Bereich von 200 bis 360 kg/m³ zusammengepreßt war. Die Ergebnisse sind in Fig.3 zusammengefaßt und mit den Ergebnissen der FIBERFRAX enthaltenden Mischung vom zweiten Versuch verglichen, wobei Fig.3 ein Graph ist, der die Veränderung in der Biegefestigkeit der Platten (gemessen in kN/m²) in Abhängigkeit von der Materialdichte (gemessen kg/m³) zeigt. In Fig.3 verkörpert die gestrichelte Linie die Biegefestigkeit von 6,7 Gewichtsprozent Glasfasern enthaltendem Material, verkörpert die gepunktete Linie die Festigkeit von 5 Gewichtsprozent Glasfasern enthaltendem Material, verkörpert die strichgepunktete Linie die Festigkeit von 3 Gewichtsprozent Glasfasern enthaltendem Material, verkörpert die Linie aus "+"- Zeichen die Festigkeit von nur 1 Gewichtsprozent Glasfasern enthaltendem Material, und verkörpert die ausgezogene Linie die Festigkeit von 6,7 Gewichtsprozent FIBERFRAX enthaltendem Material. Fig.3 zeigt, daß die Biegefestigkeit mikroporösen Wärmeisolationsmaterials mit einem ansteigenden Anteil an Glasfasern ansteigt, zeigt aber deutlicher, daß die Festigkeit von Glasfasern enthaltendem mikroporösem Wärmeisolationsmaterial beträchtlich höher liegt als bei einem ähnlichen Anteil von FIBERFRAX enthaltendem Material. Das mit der vorliegenden Erfindung übereinstimmende mikroporöse Wärmeisolationsmaterial kann z.B. bei der Herstellung von innerhalb begrenzender Hüllen eingeschlossenen Platten verwendet werden und bei der Herstellung gegossener Formen. Das Material ist gegenüber Schrumpfung bis hinauf zu 800 ºC und möglicherweise höher widerstandsfähig, und gehackte Glaslitze ist, im Gegensatz zu keramischen Fasern, nicht einatembar. Eine spezifische Verwendung des mikroporösen Wärmeisolationsmaterials in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird jetzt mit Bezug auf Fig.4 und 5 beschrieben werden.
Der in den Fig.4 und 5 gezeigte elektrische Heizstrahler weist einen Behälter in Form einer Metallschüssel 12 mit einem nach oben stehenden Rand 14 auf und enthält eine Schicht von elektrisch und thermisch isolierendem Material 16, sowie mikroporösem Wärmeisolationsmaterial. Eine ringförmige isolierende Wand 18 von mit der vorliegenden Erfindung übereinstimmender mikroporöser Wärmeisolation erstreckt sich rund um die Innenseite des Randes 14 der Schüssel 12, oben auf der Schicht 16 und steht leicht über die Kante des Randes 14 vor. Wenn sie in einem glaskeramischen Oberseitenkocher angebracht ist, wird die Wand 18 gegen die Unterseite einer glaskeramischen Kochoberfläche 20 gedrückt, wobei die Heizung 10 durch eine Feder oder andere Montiervorrichtung (nicht gezeigt) in Position gehalten wird.
Die Schicht 16 trägt zwei spiralförmige offenliegende Heizdrahtheizelemente 22 und 24, die in mehrfach konzentrischen, insgesamt kreisförmigen Abschnitten innerhalb der Wand 18 und an dieser anliegend angeordnet sind. Die spiralförmigen Elemente 22 und 24 sind in der Schicht 16 durch, z.B. durch Reibung in dem isolierenden Material der Schicht 16 gehaltenen Drahtklammern befestigt, oder durch Kleben an die Schicht 16 oder an darin eingesetzte Pfähle. Die Enden der Heizelemente 22 und 24 sind mit entsprechenden Leitern in einem an der Kante der Schüssel 12 angebrachten elektrischen Leiterblock gekoppelt.
Wie es bei Heizstrahlern für glaskeramische Oberseitenkocher üblich ist, ist ein temperaturempfindlicher Stabbegrenzer 28 mit seinem Meßfühler 30 vorgesehen, der sich über die Heizung 10 erstreckt. Dieser Meßfühler weist typischerweise eine zugeschmolzene Silkaröhre auf, die einen Metallstab enthält, der vorzugsweise mit einem reflektierenden Material beschichtet ist, so wie Silber, wie in der GB-A2146431 beschrieben ist. Ein durch den Meßfühler 30 gesteuerter Schnappschalter ist zu Serienschaltung mit den Heizelementen 22 und 24 vorgesehen, um ein Erhitzen der Kochoberseite 20 über ihre höchste Sicherheitstemperatur zu verhindern. Der Begrenzungsschalter 32 ist mit den Enden der zwei Heizelemente 22 und 24 verbunden.
Zweifellos kann die Anordnung der Heizung verändert werden. Z.B. kann die Gesamtform der Heizung verändert werden, wie dies die Anzahl und die Art der Heizelemente können, möglicherweise um Infrarotlampen miteinzuschließen. Der wichtige Gesichtspunkt des in Fig.4 und 5 gezeigten Heizstrahlers ist, daß die Wand 18 aus mit der vorliegenden Erfindung übereinstimmendem mikroporösem Wärmeisolationsmaterial hergestellt ist. Es ist üblich, die Wand 18 aus einer Röhre herzustellen, die durch Vakuumformen von keramischem Fasermaterial hergestellt wird, das mit Hilfe eines Binders sowie Silikasol und einer organischen Stärke gehärtet wird. Jedoch gibt das Schneiden der Röhre in einzelne Ringe und das Zurichten des Rings zur Anpassung an die Heizung 10 Anlaß zu beträchtlichen Mengen Staub, der unerwünscht ist, und die organische Stärke erfordert ausgebrannt zu werden, um Rauch und Geruch beim ersten Gebrauch der Heizung zu vermeiden. Darüberhinaus sind solche Ringe zu schwach, um ohne Wiederhärtung mit Silikasol verwendet zu werden. Das Problem war immer gewesen, ein alternatives anorganisches Isolationsmaterial für die periphere Wand 18 zu finden, das nicht nur frei von Staub ist, sondern auch genügende mechanische Festigkeit aufweist, um den Beanspruchungen zu widerstehen, die während der Herstellung der Heizung und dem folgenden Zusammenbau der Heizung zu einem Kochgerät auftreten.
In Abhängigkeit von seiner Anordnung und irgendwelcher Härtebehandlung wird eine periphere Wand 18 einer diametralen Kraft von einigen 4 bis 11 N vor dem Bruch widerstehen. Wir haben ein konventionelles mikroporöses Wärmeisolationsmaterial, das 60 Gewichtsprozent Silika der Klasse CABOSIL M5 enthielt, 28,5 Gewichtsprozent Titandioxid und 11,5 Gewichtsprozent Aluminosilikatfasern in Form von FIBERFRAX, durch Gießen des mikroporösen Wärmeisolationsmaterials in Ringe in einem Bereich von Dichten von 310 bis 460 kg/m³ untersucht. Nur bei Dichten von nahezu 450 kg/m³ widerstanden die Ringe einer Kraft von mehr als 4 N. Wir haben auch Glasfasernenthaltendes mikroporöses Wärmeisolationsmaterial in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung durch Gießen des mikroporösen Wärmeisolationsmaterials in Ringe untersucht. Eine erste Mischung wies 60 Gewichtsprozent Silika der Klasse CABOSIL M5 auf, 30 Prozent Titandioxid und 10 Gewichtsprozent Fasertyp 3, und eine zweite Mischung wies 60 Gewichtsprozent von Silika der Klasse CABOSIL M5, 25 Gewichtsprozent Titandioxid und 15 Gewichtsprozent von Fasertyp 3 auf. Die Ergebnisse sind in Fig.6 zusammengefaßt, in der die 15 Gewichtsprozent von Fasertyp 3 als gestrichelte Linie gezeigt sind, die 10 Gewichtsprozent von Fasertyp 3 enthaltende Mischung als gepunktete Linie gezeigt ist, und die 11,5 Gewichtsprozent FIBERFRAX enthaltende Mischung als durchgezogene Linie gezeigt ist. Wie aus Fig.6 gesehen werden kann, widersteht die Mischung mit 15 Gewichtsprozent Glasfasern einer Kraft von 4 N bei einer Dichte von weniger als 300 kg/m³ und einer Kraft von 11 N bei einer Dichte von ungefähr 410 kg/m³, während sogar die Mischung mit 10 % Glasfasern einer Kraft von 4 N bei einer Dichte von ungefähr 330 kg/m³ widersteht und einer Kraft von 11 N bei einer Dichte von weniger als 440 kg/m³.
Wir glauben, daß dies zweifellos den beträchtlichen Festigkeitsvorteil des mit der vorliegenden Erfindung übereinstimmendem mikroporösem Wärmeisolationsmaterial aufzeigt, welche Vorteile mit dem unerwarteten Widerstand des Materials gegenüber Schrumpfung bei Temperaturen sogar bis hinauf zu 800 ºC verbunden sind.

Claims

1. Mikroporöses Wärmeisolationsmaterial mit einer innigen Mischung eines trockenen partikelförmigen mikroporösen Materials mit verstärkenden Glasfasern, dadurch gekennzeichnet, daß das glasfasernbildende Glas nicht mehr als ein Gewichtsprozent Na&sub2;O enthält.

2. Mikroporöses Wärmeisolationsmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Glas folgende Zusammensetzung hat :

SiO&sub2; 50 bis 100 Gewichtsprozent

Al&sub2;O&sub3; bis zu 25 Gewichtsprozent

B&sub2;O&sub3; bis zu 8 Gewichtsprozent

MgO bis zu 10 Gewichtsprozent

CaO bis zu 21 Gewichtsprozent

Na&sub2;O bis zu 1 Gewichtsprozent

K&sub2;O bis zu 2 Gewichtsprozent

Fe&sub2;O&sub3; bis zu 1 Gewichtsprozent

F&sub2; bis zu 1 Gewichtsprozent.

3. Mikroporöses Wärmeisolationsmaterial nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Glas im wesentlichen die folgende Zusammensetzung hat :

SiO&sub2; 54 bis 55 Gewichtsprozent

Al&sub2;O&sub3; 14 bis 15 Gewichtsprozent

B&sub2;O&sub3; 7 bis 8 Gewichtsprozent

MgO 0,3 bis 3 Gewichtsprozent

CaO 18 bis 21 Gewichtsprozent

Na&sub2;O bis zu 0,6 Gewichtsprozent

K&sub2;O bis zu 0,2 Gewichtsprozent

Fe&sub2;O&sub3; 0,2 bis 0,4 Gewichtsprozent

F&sub2; bis zu 1 Gewichtsprozent.

4. Mikroporöses Wärmeisolationsmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Glas im wesentlichen folgende Zusammensetzung hat :

SiO&sub2; 60 Gewichtsprozent

Al&sub2;O&sub3; 25 Gewichtsprozent

MgO 6 Gewichtsprozent

CaO 9 Gewichtsprozent.

5. Mikroporöses Wärmeisolationsmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasfasern von kontinuierlichen Glasfasern abgehackt worden sind.

6. Mikroporöses Wärmeisolationsmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasfasern eine Länge von 4 bis 50 mm haben.

7. Mikroporöses Wärmeisolationsmaterial nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasfasern eine Länge von 6 bis 25 mm haben.

8. Mikroporöses Wärmeisolationsmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasfasern einen Durchmesser im Bereich von 3 bis 20 um (Mikron) haben.

9. Mikroporöses Wärmeisolationsmaterial nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasfasern einen Durchmesser im Bereich von 6 bis 15 um (Mikron) haben.

10. Mikroporöses Wärmeisolationsmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Material 1 bis 20 Gewichtsprozent, vorzugsweise 3 bis 15 Gewichtsprozent, Glasfasern enthält.