Poröser Faserstoifkörper und Verfahren zu dessen Herstellung. Silikatfasern, insbesondere Glasfasern, finden in neuerer Zeit in grossem Umfange Anwendung als Wärmeisolierungen sowie als Filter für Gase und Flüssigkeiten. Je nach dem einen oder andern Verwendungszweck werden dabei die Fasern mehr oder weniger dicht geschichtet. Dabei verwendet man im Zusammenhang mit den Fasern Binde- oder Klebemittel, um verhältnismässig feste Faser stoffkörper zu bilden, die in sich selbst tragend sind und ohne sonstige Hilfsmittel die ihnen gegebene Form behalten. In dieser Hinsicht sind nahezu alle organischen Kleb stoffe sowie auch anorganische Klebstoffe, wie Na.triumsilikat und eine Anzahl von Tonen, versucht worden.
Jedoch haben diese Stoffe alle gewisse Nachteile. Die organi schen Stoffe werden von Säuren und Alka- lien angegriffen und sind nur gegen verhält nismässig niedrige Temperaturen, selten über <B>150'</B> C, beständig. Dadurch wird die Wirk samkeit der aus Silikatfasern bestehenden Körper, zu deren wichtigsten Eigenschaften die Beständigkeit gegen hohe Temperaturen gehört, stark beeinträchtigt.
Die anorgani- , sehen Substanzen halten im allgemeinen höhere Temperaturen aus als die organischen, sie sind aber grossenteils von verhältnismässig hohem spezifischem Gewicht, langsamtrock- nend, zum Teil durch Chemikalien angreifbar und wegen der erforderlichen langen Trok- kendauer teuer in der Anwendung.
Die Erfindung hat nun vor allem den Zweck, bei den in Frage stehenden Faser körpern ein Bindemittel zu verwenden, durch welches das entstehende Produkt leicht bleibt, verhältnismässig hohen Temperaturen wider steht und gegen die Einwirkung von Säuren und Alkalien im wesentlichen indifferent ist. Dabei soll die Möglichkeit gegeben sein, die Porosität so zu regeln, dass der entstehende Körper je nach Wunsch als Wärme- und Schallisolierung oder auch als Filter zur Ent fernung von festen Körperchen und schäd- liehen Gasen aus durch ihn hindurchgeschiek- ten Medien verwendet werden kann.
Gegenstand der Erfindung ist ein poröser Faserstoffkörper, der aus Silikatfasern und einem dieselben zusammenhaltenden, kohlen stoffhaltigen Bindemittel besteht, und ein Verfahren zur Herstellung des Faserstoff- körpers, gemäss welchem die Fasern mit einem kohlenstoffhaltigen Bindemittel über , zogen werden.
Die Herstellung des porösen Faserstoff- körpers kann erfolgen, indem organische Klebstoffe auf die Fasern aufgebracht und dann durch Erhitzen in Abwesenheit von Sauerstoff in reinen Kohlenstoff umgewan delt werden, ohne da.ss sie ihre Klebwirkung wesentlich verlieren. Diese Möglichkeit be sitzen sehr zahlreiche Klebstoffe, die als einen ihrer Bestandteile Kohlenstoff ent halten.
Zweckmässig wird der Klebstoff auf die Silikatfasern in Form einer Lösung auf gebracht, derart, dass die Oberfläche jeder Faser mit einem feinen Überzug des Kleb , stoffes versehen wird und dieser die Fasern an den Berührungspunkten wirksam zusam menhält. Nachdem die mit dem Klebstoff versetzte Fasermasse in die gewünschte Form gebracht und das Lösungsmittel des Kleb , stoffes durch Trocknen entfernt worden ist, wird der Körper in einem geschlossenen Raum in Abwesenheit von Sauerstoff auf eine Temperatur erhitzt, bei welcher alles noch vorhandene Wasser und andere flüeh- tige Bestandteile ausgetrieben werden.
Wenn ein Entweichen von Gasen nicht mehr statt findet, zeigt sich, dass durch die ganze Masse hindurch ein Niederschlag aus Kohlenstoff vorhanden ist, der jede Faser mit einem feinen Film umgibt. Dabei haftet der Koh lenstoff zäh an der Oberfläche der Fasern und bindet sich auch gut mit benachbarten Kohleteilchen. Der entstehende Körper ist sehr zäh und wesentlich druckfester als die Fasermasse allein.
Eine auf diese Weise hergestellte Bin dung der Fasern besitzt zahlreiche Vorteile. Der reine Kohlenstoff oxydiert sich nur bei verhältnismässig hohen Temperaturen. Er ist praktisch feuersicher, weil er bei Rotglut verkokt, aber nicht flammt. Die Feuersicher heit des Bindemittels kann auch noch durch Zusatz eines der bekannten Feuerverhütungs- stoffe, wie Ammoniumphosphat, erhöht wer den. Der Faserstoffkörper mit Kohlenstoff als Bindemittel kann also unter Temperatur verhältnissen benutzt werden, bei welchen sonst organische Bindemittel völlig unbrauch bar sind.
Von gleicher oder noch grösserer Bedeu tung ist die Widerstandsfähigkeit des Koh lenstoffes gegen chemische Einflüsse. Einer der wichtigsten Vorteile der Silikatfasern, insbesondere der Glasfasern, als Filterstoffe besteht darin, dass sie lange Zeit der Ein wirkung von sauren Flüssigkeiten und Dämp fen widerstehen, ohne zerstört zu werden. Bisher gab es kein Bindemittel, welches eben so indifferent gegen chemische Einflüsse war wie das Glas selber. Der in obiger Weise erzeugte Kohlenstoff ist sowohl gegen Säu ren wie Alkalien indifferent, oxidiert nicht nur bei verhältnismässig hohen Temperaturen und stellt daher ein Bindemittel für Glas fasern dar, welches in verschiedenen Hin sichten noch indifferenter ist als das Glas selber.
Der auf die soeben beschriebene Art her gestellte Faserstoffkörper mit einem Binde mittel aus im wesentlichen reinem Kohlen stoff ist aber den bekannten derartigen Kör pern nicht nur für die üblichen Zwecke überlegen, sondern es ergeben sich auch für denselben zahlreiche neue Brauchbarkeiten, bei welchen der Kohlenstoff das aktive Mit tel wird, während die Silikatfasern nur den Träger für den Kohlenstoff.' bilden. So kann der Faserstoffkörper zur Adsorption grosser Mengen schädlicher Gase benutzt werden.
Eine Masse aus Silikatfasern bildet eine un geheuer grosse Oberfläche für die zugesetzte Kohlenstoffmenge, so dass ein äusserst wirk sames Filter zur Entfernung störender Ge- riiehe und giftiger Gase aus der Atmosphäre gebildet wird. Als Filter verwendete Faser stoffkörper mit aus nur wesentlichem reinem Kohlenstoff bestehendem Bindemittel bewir ken beispielsweise bei Lüftungsanlagen nicht nur eine Entfernung von Staub und sonstigen physikalischen Verunreinigungen, sondern auch von gasförmigen Verunreinigungen.
Der Faserstoffkö rper enthält auch den Koh lenstoff in so feiner Verteilung, dass er sich ausgezeichnet als katalytisches Mittel bei chemischen Reaktionen eignet.
Zu den Stoffen, die sich als Bindemittel zur Ausführung des Verfahrens eignen und in Kohlenstoff umgewandelt werden können, gehören Kohlehydrate, Stärke, Öle, Wachse und Harze. Dabei sind Kohlehydrate beson ders geeignet, weil sie grossenteils schon durch Wasserentziehung in Kohlenstoff umgewan delt werden können.
Gute Ergebnisse lassen sich beispielsweise mit einer kolloidalen Lösung einer Kohlen stoffverbindung, z. B. von Phenol-Form- aldehydharz, in Wasser erzielen. Eine sol che Lösung bildet einen dicken Brei, aber anscheinend ohne feste Teilchen und mit so geringer Viskosität, dass er schnell und voll ständig in die Hohlräume einer Glasfaser matte eindringen kann. Wenn die kolloidale Lösung mit den einzelnen Glasfasern in Be rührung kommt, so schlägt sich das feste Harz auf ihnen nieder und haftet fest daran. Dieser Vorgang ist vielleicht darin begrün det, dass die elektrische Ladung der Harz teilchen der kolloidalen Lösung eine andere ist als die elektrische Ladung der Glasfasern.
Dieses ist durch Versuche in der Weise fest gestellt worden, dass die Ladungen in einem der Stoffe von positiv zu negativ geändert wurden. Jedoch können auch noch andere Faktoren hierbei eine Rolle spielen.
Das von dem kolloidalen Harz sich schei dende Wasser lässt man aus dem Faserstoff körper abtropfen. Bei einer dünnen Faser matte geht die vollständige Füllung der Zwi schenräume durch die Harzteilchen in weni gen Sekunden vor sich. Bei dickeren Matten dauert es etwas länger, und es ist zweck mässig, die Matte leicht zu kneten, um die eingeschlossene Luft zu entfernen und das freiwerdende Wasser entweichen zu lassen. Hierauf kann die getränkte Fasermasse zur gewünschten Dichte und Form gepresst oder geformt und gegebenenfalls in dieser Form bis zum Trocknen gehalten werden. Alsdann wird die gepresste Masse einer Wärmebehand lung unterworfen.
Sie wird durch langsames Erhitzen bis auf eine Temperatur von bei spielsweise<B>180'</B> C gebracht, wobei das Was ser verdampft und der Harzniederschlag zur Erstarrung kommt. Hierauf kann die Form, wenn eine solche benutzt worden ist, ent fernt werden.
Die Eigenschaften, insbesondere die Po rosität, der auf diese Weise hergestellten Faserstoffkörper lassen sich in weiten Gren zen durch die Menge des zugegebenen Binde mittels und den beim Formen der Masse und während des Erhitzens ausgeübten Druck beeinflussen.
Ein Faserkörper dieser Zusammensetzung und Struktur ist verhältnismässig unlöslich und kann als Filter für viele Flüssigkeiten und Gase verwendet werden. Um ihn auch gegen Säuren, Alkalien und Oxydation bei hohen Temperaturen beständig zu machen, wird er einer weiteren Destillation bezw. Er hitzung in einer nichtoxydierenden Atmo sphäre unterworfen, um das Harz in Kohlen stoff zu verwandeln.
Zur Vornahme dieser Umwandlung kann der Körper in Kohle pulver eingepackt oder sonstwie unter Luft- abschluss in einem geeigneten Ofen langsam auf eine Temperatur gebracht werden, bei welcher sich eine vollständige Karbonisation des Harzes ergibt (550 bis 1000 C).
Der durch die Erfindung angestrebte Er folg lässt sieh auch erzielen, wenn man als Bindemittel fein gepulverte weiche Kohle benutzt. Derartige Kohle enthält genügend geeignete flüchtige Bestandteile, welche die Bildung eines Überzuges auf den Fasern auch ohne Verwendung eines flüssigen Lösungs mittels ermöglichen. Es ist auch nicht in jedem Fall nötig, dass das Bindemittel voll kommen in Kohlenstoff umgewandelt wird, da in gewissen Fällen auch eine teilweise Umwandlung genügt. Im Sinne der Erfindung können auch viele anorganische Derivate von organischen Stof fen, wie beispielsweise Calciumstearat oder andere Metallstreifen, zur Verkohlung ge bracht werden.
Die Zugabe des Bindemittels zu den Fasern kann durch Besprühen während oder nach der Herstellung, durch Tränken oder auch durch mechanisches Mischen erfolgen. Die Karbonisation kann in irgendeinem ge eigneten geschlossenen Behälter oder auch als kontinuierliches Verfahren durchgeführt wer den, wobei wesentlich ist, dass der Zutritt von Sauerstoff, solange der Gegenstand sich auf der Karbonisationstemperatur befindet, verhindert wird. Für die Karbonisation ge nügen je nach der Art des kohlenstoff haltigen Bindemittels auch schon Tempera turen von 300 bis 350 C, also Temperaturen, die wesentlich unter der oben für die Kar bonisation von Harz angegebenen Temperatur liegen.
Durch Zufügung gewisser Substanzen zu dem Bindemittel ist es möglich, die für die Karbonisation erforderlichen Temperaturen herabzusetzen und die Eigenschaften des zurückbleibenden Bindemittels zu beeinflus sen. So wird beispielsweise die Karbonisation bei niedrigen Temperaturen durch Beigabe kleiner Mengen von Kalk oder Alaun ge fördert. Mit Stärke gemischte Ogalsäure, Borsäure, Chromalaun, Gerbsäure, Bleiazetat, Kupferazetat oder Harnstoff ergeben ein etwas zäheres Bindemittel als Stärke allein.
Bei Filterplatten als Silikatfasern bestan den bisher erhebliche Schwierigkeiten darin, den gewünschten Grad von Porosität wäh rend des Gebrauches zu erhalten. Es war nicht nur schwierig, diese Fasern zu einem geeigneten Stoff zu weben oder zu filzen, der die genaue gewünschte Porosität besass, son dern hierzu mussten auch gewöhnlich Binde und Schlichtemittel benutzt werden, welche im Gebrauch fortgewaschen werden und da durch die Porosität vergrössern.
Bei einem Faserstoffkörper mit karbonisierten Binde mitteln behält der Körper während der gan zen Dauer seines Gebrauches die ihm einmal verliehenen physikalischen Eigenschaften. Die Porosität kann aber nicht nur genau fest gelegt, sondern auch geändert werden, indem man die Fasermasse vor dem Erhitzen mehr oder weniger lang mit der kohlenstoff haltigen Substanz behandelt. Gegebenenfalls kann auch eine gewünschte kleine Menge eines indifferenten anorganischen Stoffes, wie z. B. Ton oder Bentonit, der Behandlungslösung zugesetzt werden, um die Poren der Faser masse stärker zu füllen und dadurch die Po rosität zu verringern.
Falls gewünscht, kann man den Faser körpern in einer oder mehreren bestimmten Richtungen dadurch eine erhöhte Stärke ver leihen, dass man die Fasern parallel zueinan der im wesentlichen in den betreffenden Richtungen des Körpers anordnet.
Anstatt aus geschichteten Einzelfasern können die erfin(lungsgemässen Faserstoff körper auch aus Garnen. Geweben oder Ge- wirken bestehen.
Porous fibrous body and process for its manufacture. Silicate fibers, especially glass fibers, have recently been used extensively as thermal insulation and as filters for gases and liquids. Depending on one or the other purpose, the fibers are layered more or less densely. In connection with the fibers, binders or adhesives are used to form relatively solid fiber bodies that are self-supporting and retain their given shape without any other aids. In this regard, almost all organic adhesives as well as inorganic adhesives such as sodium silicate and a number of clays have been tried.
However, these substances all have certain disadvantages. The organic substances are attacked by acids and alkalis and are only resistant to relatively low temperatures, rarely above <B> 150 '</B> C. As a result, the effectiveness of the body consisting of silicate fibers, one of whose most important properties is resistance to high temperatures, is greatly impaired.
The inorganic substances generally withstand higher temperatures than the organic ones, but for the most part they have a relatively high specific weight, they dry slowly, some of them can be attacked by chemicals and because of the long drying times required, they are expensive to use.
The main purpose of the invention is to use a binder in the fiber bodies in question, through which the resulting product remains light, resists relatively high temperatures and is essentially indifferent to the action of acids and alkalis. It should be possible to regulate the porosity in such a way that the resulting body can be used as heat and sound insulation or as a filter to remove solid particles and harmful gases from media poured through it .
The invention relates to a porous fibrous body consisting of silicate fibers and a carbon-containing binder holding them together, and a method for producing the fibrous body, according to which the fibers are coated with a carbon-containing binder.
The porous fibrous body can be produced by applying organic adhesives to the fibers and then converting them into pure carbon by heating in the absence of oxygen, without them losing their adhesive effect significantly. There are a very large number of adhesives that contain carbon as one of their components.
The adhesive is expediently applied to the silicate fibers in the form of a solution in such a way that the surface of each fiber is provided with a fine coating of the adhesive and this effectively holds the fibers together at the points of contact. After the fiber mass mixed with the adhesive has been brought into the desired shape and the solvent of the adhesive has been removed by drying, the body is heated in a closed room in the absence of oxygen to a temperature at which all water and other water that is still present flüeh - term components are expelled.
When the escape of gases no longer takes place, it turns out that there is a deposit of carbon throughout the mass, which surrounds each fiber with a fine film. The carbon adheres tenaciously to the surface of the fibers and also bonds well with neighboring carbon particles. The resulting body is very tough and much more pressure-resistant than the fiber mass alone.
A binding of the fibers produced in this way has numerous advantages. The pure carbon is only oxidized at relatively high temperatures. It is practically fire-proof because it cokes in red heat, but does not flare. The fire safety of the binding agent can also be increased by adding one of the known fire prevention substances, such as ammonium phosphate. The fiber body with carbon as a binder can therefore be used under temperature conditions in which otherwise organic binders are completely useless.
The resistance of the carbon to chemical influences is of equal or even greater importance. One of the most important advantages of silicate fibers, especially glass fibers, as filter materials is that they can withstand the action of acidic liquids and vapors for a long time without being destroyed. Up until now there was no binding agent that was just as indifferent to chemical influences as the glass itself. The carbon produced in the above manner is indifferent to both acids and alkalis, does not only oxidize at relatively high temperatures and is therefore a binder for glass fibers, which in various ways is even more indifferent than the glass itself.
The fiber body made in the manner just described here with a binding agent made of essentially pure carbon is not only superior to the known bodies of this type for the usual purposes, but there are also numerous new uses for the same, in which the carbon is the active with tel, while the silicate fibers are only the carrier for the carbon. ' form. The fibrous body can be used to adsorb large amounts of harmful gases.
A mass of silicate fibers forms an immensely large surface for the added amount of carbon, so that an extremely effective filter is created to remove disturbing substances and poisonous gases from the atmosphere. Fibrous bodies used as filters with a binding agent consisting only of pure carbon, for example in ventilation systems, not only remove dust and other physical contaminants, but also gaseous contaminants.
The fiber body also contains the carbon in such a fine distribution that it is ideally suited as a catalytic agent in chemical reactions.
Carbohydrates, starch, oils, waxes and resins are among the substances which are suitable as binders for carrying out the process and which can be converted into carbon. Carbohydrates are particularly suitable because they can largely be converted into carbon by removing water.
Good results can be obtained, for example, with a colloidal solution of a carbon compound, e.g. B. phenol-formaldehyde resin in water. Such a solution forms a thick slurry, but apparently without solid particles and with such a low viscosity that it can quickly and completely penetrate the voids of a glass fiber mat. When the colloidal solution comes into contact with the individual glass fibers, the solid resin is deposited on them and adheres firmly to them. This process is perhaps due to the fact that the electrical charge of the resin particles in the colloidal solution is different from the electrical charge of the glass fibers.
This has been established through experiments in such a way that the charges in one of the substances were changed from positive to negative. However, other factors can also play a role.
The water that separates from the colloidal resin is allowed to drain from the fibrous body. With a thin fiber mat, the interstices are completely filled by the resin particles in a few seconds. With thicker mats, it takes a little longer, and it is advisable to knead the mat lightly to remove the trapped air and allow the water to escape. The impregnated fiber mass can then be pressed or shaped to the desired density and shape and, if necessary, kept in this shape until it is dry. The pressed mass is then subjected to a heat treatment.
It is brought to a temperature of, for example, <B> 180 '</B> C by slowly heating it, whereby the water evaporates and the resin precipitate solidifies. The shape, if one has been used, can then be removed.
The properties, especially the porosity, of the fibrous bodies produced in this way can be influenced within wide limits by the amount of binding agent added and the pressure exerted during the molding of the mass and during heating.
A fiber body of this composition and structure is relatively insoluble and can be used as a filter for many liquids and gases. In order to make it resistant to acids, alkalis and oxidation at high temperatures, it is subjected to a further distillation respectively. It is subjected to heating in a non-oxidizing atmosphere in order to convert the resin into carbon.
To carry out this transformation, the body can be wrapped in coal powder or otherwise slowly brought to a temperature in a suitable oven with the exclusion of air at which the resin is completely carbonized (550 to 1000 C).
The desired by the invention he success can also be achieved when using finely powdered soft coal as a binder. Such charcoal contains sufficient suitable volatile constituents which enable the formation of a coating on the fibers even without the use of a liquid solvent. It is also not necessary in every case for the binder to be completely converted into carbon, since in certain cases a partial conversion is sufficient. For the purposes of the invention, many inorganic derivatives of organic substances, such as calcium stearate or other metal strips, can also be carbonized.
The binder can be added to the fibers by spraying during or after production, by soaking or by mechanical mixing. The carbonization can be carried out in any suitable closed container or as a continuous process, it being essential that the entry of oxygen is prevented as long as the object is at the carbonization temperature. For the carbonization ge, depending on the type of carbon-containing binder, temperatures of 300 to 350 C are sufficient, that is, temperatures that are significantly below the temperature specified above for the carbonization of resin.
By adding certain substances to the binder, it is possible to lower the temperatures required for carbonization and to influence the properties of the remaining binder. For example, carbonization at low temperatures is promoted by adding small amounts of lime or alum. Ogalic acid, boric acid, chrome alum, tannic acid, lead acetate, copper acetate or urea mixed with starch result in a somewhat tougher binder than starch alone.
In the case of filter plates as silicate fibers, the hitherto considerable difficulties existed in obtaining the desired degree of porosity during use. It was not only difficult to weave or felt these fibers into a suitable fabric that had the exact desired porosity, but also usually had to use binding and sizing agents, which are washed away in use and thus increase the porosity.
In the case of a fiber body with carbonized binding agents, the body retains the physical properties it has once been given for the entire duration of its use. The porosity can not only be set precisely, but can also be changed by treating the fiber mass with the carbon-containing substance for a longer or shorter period of time before heating. Optionally, a desired small amount of an inert inorganic substance, such as. B. clay or bentonite are added to the treatment solution to fill the pores of the fiber mass more and thereby reduce the Po rosity.
If desired, the fiber bodies can be given an increased strength in one or more specific directions by arranging the fibers parallel to one another essentially in the relevant directions of the body.
Instead of layered individual fibers, the fibrous material bodies according to the invention can also consist of yarns, woven fabrics or knitted fabrics.