Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus anorganischem Fasermaterial und einer wässerigen Suspension Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus einem anorgani schen Fasermaterial und einer wässrigen Suspen sion durch Imprägnieren und Trocknen einer Fa- serstoffbahn und Aushärten der aus Stücken der Bahn geformten Bauteile unter Wärme. Solche Bau teile können Temperaturen bis zu 500 C und mehr aushalten, ohne dass Blasenbildung, Absplitterung oder andere Fehler auftreten.
Früher sind bereits zahlreiche ähnliche Bauteile für die Verwendung als .elektrische Isolatoren vorge schlagen worden. In der Elektroindustrie werden aber elektrische Isolierkörper benötigt, welche rela tiv lange bei hohen Temperaturen, z. B. bei 500 C und höher, zufriedenstellend funktionieren, ohne Blasen zu bilden oder abzusplittern.
Nach der Erfindung verwendet man zum Im prägnieren eine wässerige Suspension, die minde stens ein Aluminiumphosphat, Phosphorsäure und einen festen anorganischen feinverteilten Füllstoff enthält.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens werden geschich tete Bauteile hergestellt durch Imprägnieren einer Vielzahl von Lagen von anorganischem Fasermate rial mit einer flüssigen Suspension, die vorzugsweise folgende Zusammensetzung hat: 2 bis 36 Gew.% Aluminiumphosphat, 2 bis 36 Gew 19/o Phosphor säure, 10 bis 80 Gew.o/o Füllstoff von festen an organischen Feststoffpartikelchen und den Rest Wasser.
Die imprägnierten Faserstoffbahnen wer den dann aufeinandergelegt und unter Hitze und Druck miteinander zu einem einheitlichen Körper vereinigt. Im einzelnen ;werden diese geschichteten Bau teile vorteilhaft dadurch hergestellt, dass eine Bahn aus anorganischem faserigem Material, wie z. B. Glasgewebe, mit der beschriebenen flüssigen Suspen sion in einem Imprägnierungsverhältnis von -1,5 bis 6,0 imprägniert wird.
Der Ausdruck Imprägnie- rungsverhältnis , wie er in der vorliegenden Be schreibung benutzt wird, bezieht sich auf das Ver hältnis des Gewichtes des unbehandelten Gewebes plus Gewicht der ungetrockneten Suspeinslon, welche in das Gewebe imprägniert wird, zum Ge wicht des unbehandelten Gewebes. Der Feuchtig keitsgehalt des imprägnierten Gewebes wird dann auf ungefähr 6 bis 10 Gew.o/o reduziert, wodurch sich die Imprägnierung im wesentlichen trocken an fühlt. Dies kann leicht erreicht werden, entweder indem man das imprägnierte Gewebe mehrere Tage an der Luft liegen lässt oder indem man es ge nügend lange, im allgemeinen 5 bis 15 Min., bei 60 bis l00 C hält.
Das trocken scheinende imprägnierte Gewebe wird dann in mehrere Blätter geschnitten, welche aufeinandergelegt und z. B. in eine Presse gegeben werden, wo sie beispielsweise bei einem Druck von 3,5 bis 70 kg,,'cm'2 und einer Temperatur von 40 bis 100 C während 5 Min. bis zu mehreren Stunden je nach der Grösse des hergestellten Bauteils ver formt werden. Der Schichtstoff wird dann z. B. in einem Ofen -vorzugsweise bei 200 bis 500 C während mehrerer Minuten bis mehrerer Stunden vollständig ausgehärtet. Auch Temperaturen über 500 C, z.
B. 1000 und 1200 C, können, wenn ge wünscht, angewendet werden, jedoch ist eine Tem peratur von 500 C zufriedenstellend, da dies die Temperatur ist, bei der der fertige Schichtstoff ein gesetzt werden soll.
Diese erfindungsgemässen geschichteten Bauteile eignen sich für die Verwendung als Bestandteil in Flugzeugen und in ferngelenkten Geschossen, wie z. B. als Röhren, Raketendüsen. Die Erfindung bezieht sich auch auf geschich tete Bauteile mit hervorragenden, elektrisch isolieren den Eigenschaften, wie z. B. Sperrschichtrohre, Keile und dgl. Diese Bauteile sind also für eine längere Verwendung bei Temperaturen von 50011C und höher geeignet.
Nach dem erfindungsgemässen Verfahren werden in der Imprägnierungssuspension Aluminiumphos- phate benutzt. Solche Aluminiumphosphate sind z. B. Aluminium-ortho-phosphat AIPO4, Alumimiummono- hydrogen-phosphat Al2(HP04)3 und Aluminium- dihydrogen-phosphat AI(HZP04)3. Auch Mischungen von zwei oder mehreren hiervon können eingesetzt werden.
Aluminiumphosphat wird in der wässerigen Imprägnierungssuspension angewendet, und zwar z. B. in Mengen von ungefähr 10 bis 40 Gew "/o, vorzugsweise 18 bis 23 Gew fl/oa.
Als Phosphorsäure, wie sie in die Imprägnierungs- suspension eingebracht werden kann, eignet sich nicht nur Orthophosphorsäure der Formel H.,P04 (85 o/oig), sondern auch Pyrophosphorsäure der For mel H4P207 und Metaphosphorsäure der Formel (HP03),. Die letzteren zwei Säuren bilden Ortho- phosphorsäure, sobald sie in das Wasser einge bracht sind.
Die Phosphorsäure wird zusammen mit Alumi niumphosphat und Wasser in der beschriebenen Imprägnigrungssuspension, z. B. in Mengen von ungefähr 10 bis 40 Gew.o/o, vorzugsweise 27 bis 30 Gew o/oa, angewendet.
Für die Verwendung bei Temperaturen von 500 C und höher geeignete zufriedenstellende Bau teile werden nicht erhalten, wenn das anorgani sche Fasermaterial nur mit einem wässerigen Ge misch von Aluminiumphosphat und Phosphorsäure imprägniert wird. Es muss vielmehr ein fester an organischer feinverteilter Füllstoff in der Imprä gniersuspension vorhanden sein. Wie wichtig die Gegenwart dieses Füllstoffes ist, zeigt sich daran, dass ein herkömmlicher Bauteil, der keinen an organischen Füllstoff enthält, während oder nach der Warmhärtung rissig wird.
Der Mechanismus, nach welchem sich diese Füllstoffe mit der wässe rigen Suspension von Aluminiumphosphat und Phosphorsäure verbinden oder reagieren, ist zur Zeit noch nicht aufgeklärt. Jedoch zeigen Schicht stoffe, welche den Füllstoff nicht enthaltet:, eine geringe Hitzeschockbeständigkeit und eine geringe mechanische Schlagfestigkeit. Ferner werden in Abwesenheit von anorganischem Füllstoff die Bau teile so feuchtigkeitsempfindlich, dass sie Wasser absorbieren, wobei die Bindung zwischen den auf einanderfolgenden Schichten zerstört wird, wodurch der Bauteil bröcklig wird, was die Isoliereigen schaften des geschichteten Bauteiles meist voll ständig zerstört.
Geeignete anorganische Füllstoffe, die in der wässerigen Suspension neben Aluminiumphosphat und Phosphorsäure im erfindungsgemässen Ver fahren verwendet werden, sind die Oxyde und Silicate von Calcium, Barium, Magnesium, Cad mium, Aluminium, Zink, Blei und Titan. Diese Füllstoffe können allein oder im Gemisch von zwei oder mehreren angewendet werden. Der Füllstoff kann zusammen mit den anderen Komponenten der flüssigen Imprägnierungssuspension, z. B. in Mengen von 10 bis 80 Gew.o/o, angewendet wer den.
Die Teilchen sollen vorteilhaft eine durch schnittliche Grösse von 5 bis 150 Mikron haben, vorzugsweise 5 bis 75 Mikron. Wenn die Partikel chen kleiner als 5 Mikron sind, wird die Imprä gnierung für eine bequeme Verarbeitung in den kommerziellen Apparaturen zu thixotrop.
Eine geeignete Vorrichtung zur Ausübung des Imprägnierens und Trocknens gemäss dem erfin dungsgemässen Verfahren ist schematisch in Fig.l der Zeichnung dargestellt. Hier zeigt 10 eine Rolle eines anorganischen Fasermaterials, aufgewickelt auf .eine Walze 12. Das anorganische faserige Ma terial kann aus Glasgewebe, Glaspapier, Glasmatte, Asbestgewebe, Asbestpapier, Asbestmatte, Quarz matte und Mischungen von zwei oder mehreren anorganischen Fasern bestehen.
Das Fasermaterial 10, z. B. Glasgewebe, wird von der Walze 12 abgewickelt, über eine Rolle 14 und unter eine Rolle 16 geleitet, die in einem Trog 18, der die flüssige Imprägnierungssuspen- sion 20 enthält, aufgehängt ist. Die Suspension kann z. B. enthalten: 7,5 Gew:o/o Aluminiumphosphat, 17,5 Gew 11/a Phosphorsäure, 25 Gew.o/o Wasser und 50 Gew:o/a des Füllstoffes. Letzterer ist zusammen gesetzt aus gleichen Mengen Calciumsilicat und Aluminiumoxyd mit einer durchschnittlichen Teil chengrösse von 10 bis 15 Mikron.
Das Gewebe 10 wird mit der Suspension 20 in dem Trog 18 in einem Imprägnierungsverhältnis von 1,5 zu 6,0 imprägniert.
Das imprägnierte Gewebe 22 wird dann durch einen Ofen oder einen Trockenturm 24 -,geleitet, der mit einer genügenden Anzahl Heizelemente 26 versehen ist, um den Feuchtigkeitsgehalt des im prägnierten Gewebes 22 auf ungefähr 6 bis 10 /v zu reduzieren, wobei sich das Gewebe 28 nach Verlassen des Turmes trocken anfühlt. Das ge trocknete Gewebe 28 wird über die Rollen 30 und 32 und unter eine Rolle 34 geleitet und wird dann zur Aufbewahrung auf eine Rolle 36 gewickelt.
Für die weitere Verarbeitung nach dem erfin dungsgemässen Verfahren wird das imprägnierte Glasgewebe 28 von der Rolle 36 abgenommen und in Blätter von bestimmtem Fo;mat geschnitten. Mehrere der genannten Blätter werden dann auf einandergelegt und teilweise in einer Presse bei geeigneter Wärme und Druck gehärtet. Dies kann bequem ausgeführt werden, indem man die auf einandergelegten Blätter einem Druck von 3,5 bis 70 kg cm2 während ungefähr 5 Min. bis zu meh reren Stunden und einer Temperatur von 40 bis 10011C aussetzt.
Im allgemeinen sollen Bauteile von Abmessun gen von ungefähr 12,7 mm Dicke und 77,5 cm2 Fläche einem Druck von ungefähr 3,5 kg,'cm2 bei einer Temperatur von etwa 70 bis 80 C während einer Stunde ausgesetzt werden.
Der teilweise gehärtete Bauteil wird dann aus der Presse genommen und durch Einbringen in einen Ofen hitzegehärtet, wobei die Temperatur langsam von 200 auf 500 C gesteigert wird und noch so lange hierauf gehalten wird, bis im wesent lichen alle Spuren an freiem Wasser entfernt sind. Bauteile der Dimension von ungefähr<B>12,7</B> mm Dicke können in einem solchen Ofen entweder allein oder in Stapeln von 15 oder mehr gehärtet werden. In letzterem Fall ist es vorzuziehen, per forierte Metallplatten zwischen die aufgeschich teten Teile in den Stapeln zu schieben, um ein starkes Werfen der Teile zu verhüten. Die Hitze härtung in dem Ofen erfordert ungefähr drei Stun den, um einen zufriedenstellenden Bauteil zu er halten.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt einer Längsseite einer erfindungsgemässen Platte 38, die aus zwei Lagen des imprägnierten Glasgewebes 28 aufge baut ist.
Es ist ein wichtiges Kennzeichen der vorliegen den Erfindung, dass das imprägnierte Gewebe 28 auf einen Dorn gewickelt werden kann unter Bil dung von Rohren gewünschter Grösse und Form. Solche Rohre werden hitzegehärtet, indem man die gewickelten Rohre mit dem noch unversehrten Dorn in einen Ofen einbringt und hitzehärtet in der Weise, wie es bereits oben beschrieben worden ist. Solche Rohre können kreisförmig, viereckig, sechseckig, achteckig sein oder irgendeinen anderen Querschnitt haben.
In Fig. 3 ist eine Ansicht eines zylindrischen Rohres 40 gezeigt, welches nach dem erfindungs gemässen Verfahren hergestellt ist.
Es ist ein weiterer wichtiger Vorteil des er findungsgemässen Verfahrens, dass das imprägnierte Glasgewebe 28 in kleinere Partikelchen zerklei4 nert werden kann, z. B. durch Zerhacken, Schnei den, Mahlen oder dgl. Dieses zerkleinerte Mate rial kann dann in Strangpressformen oder Press- werkzeugen der verschiedensten Typen gepresst und schliesslich wärmegehärtet werden, wie d'ics oben beschrieben ist, um Gegenstände von komplizierter Form herzustellen.
Fig. 4 ist eine Ansicht einer Reihenklemme 50, die auf diese Weise hergestellt ist. Die Rippen 52 und die Unterlagen 54 werden vorzugsweise im ganzen gepresst und dann werden die Löcher 56 gebohrt. Erfindungsgemäss geschichtete Bauteile, die in Übereinstimmung mit der Erfindung herge stellt sind, haben neben ausgezeichneten .elektrisch isolierenden Eigenschaften hervorragende physi kalische Eigenschatten. Sie sind besonders geeignet für die Verwendung in Transformatoren, z. B. als Sperrschichtrohre, Keile und dgl.
Andere Füllstoffe als die hier beschriebenen Oxyde und Silicate können auch in Mengen bis zu ungefähr 30% in die Imprägnierungssuspension eingearbeitet werden. Wenn gewünscht, können auch Pigmente und Farbstoffe hinzugefügt wer den. Solche Füllstoffe sind z. B. Glimmer, Eisen oxyd, Kieselsäure und dgl. Diese letzteren Füll stoffe müssen in feinverteilter Form verwendet wer den. Sie können allein oder in Kombination von zwei oder mehreren verwendet werden.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Bei spiele veranschaulicht. Wenn nicht anders ange geben, bedeuten die Teile und Prozente Gewichts teile bzw. Gewichtsprozente.
<I>Beispiel 1</I> Eine Länge eines Glasgewebes lässt man eine flüssige Suspension passieren, die 50 Teile C#--1.Icium- silicat mit einer durchschnittlichen Teilchengrösse von ungefähr 50 Mikron, 10 Teile Aluminium- phosphat, 10 Teile Orthophosphorsäure (85%ig) und 30 Teile Wasser enthält.
Das Gewebe wird mit der Suspension in einem Imprägnierungsverhält- nis von 2,6 bis 3,0 imprägniert und dann so lange in .einen Ofen gegeben, in dem eine Temperatur von ungefähr 60 C herrscht, bis die im imprägnier ten Gewebe enthaltene Feuchtigkeit auf ungefähr 6% reduziert ist und das Gewebe sich trocken anfühlt. Dann wird das Gewebe in 6 Blätter ge schnitten, je 77,5 cm2 gross.
Die Blätter werden dann aufeinandergelegt und 10 Min. in eine Presse bei einem Druck von 14 kg'cm2 und einer Temperatur von 100 C gegeben. Die Platte wird dann aus der Presse genommen und in einem Ofen hitzegehärtet. Die Temperatur in dem Ofen wird allmählich von Raumtemperatur auf ungefähr 25011C erhöht. Die Platte wird 30 Minuten bei 250 C gehalten. Die so hergestellte geschichtete Platte konnte bei Temperaturen von 500 C ver wendet werden, ohne Blasen zu bilden, abzusplittern oder in anderer Weise zu versagen.
Zufriedenstellende geschichtete Bauteile werden auch erhalten in Übereinstimmung mit dem \'erfah ren, wie es im Beispiel 1 beschrieben ist, indem man Calciumsilicat durch einen oder mehrere der folgenden Füllstoffe ersetzt, nämlich durch Calcium- oxyd, Bariumoxyd oder Bariumsilicat, Magnesium oxyd oder Magnesiumsilicat, Cadmiumoxyd oder Cadmiumsilicat, Aluminiumoxyd oder Aluminium silicat, Zinkoxyd oder Zinksilicat,
Bfeioxyd oder Bleisilicat und Titanoxyd oder Titansilicat.
<I>Beispiel 2</I> Asbestpapier lässt man eine flüssige Suspension durchlaufen, die aus folgenden Bestandteilen ge- mischt wurden: 6 % Aluminiumdihydrogenphosphat, 60/9 Pyrophosphorsäure, 28% Wasser und 60% eines feinverteilten Füllstoffes,
der aus gleichen Gewichtsteilen Siliciumdioxyd und Aluminiumsili cat mit einer durchschnittlichen Teilchengrösse von 75 Mikron zusammengesetzt ist. Das imprägnierte Asbestpapier passiert dann einen Ofen, in dem eine Temperatur von 100 C herrscht mit einer solchen Geschwindigkeit, dass der Feuchtigkeits- gehalt des imprägnierten Gewebes auf etwa 10% reduziert wird.
Das Asbestpapier wird zu einem Rohr geformt, in dem man es auf einen Dorn auf rollt, der einen Durchmesser von 3,81 cm hat. Zunächst wurde eine Lage Polyäthylenterephthalat auf den Dorn gewickelt, um zu verhüten, dass das Rohr auf dem Dorn festklebt. Dann wurde genügend im prägniertes Asbestpapier auf den Dorn aufgewickelt, um ein Rohr zu erzeugen, das einen äusseren Durch messer von 5,08 cm hat. Das gewickelte Rohr wurde in einen Ofen gegeben und wärmegehärtet, indem man die Temperatur langsam auf 285 C erhöhte und ungefähr 3 Stunden auf dieser Tem peratur hielt.
Das so hergestellte Rohr war nach dem Entfernen des Dorns zufriedenstellend und es konnte in einem Transiformator eingesetzt wer den, bei dem hohe Temperaturen von ungefähr 500' C auftreten können.