Verfahren zur Herstellung von glasigen Kieselsäurefasern Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Ver fahren zur Herstellung von glasigen Kieselsäurefasern, welche wohldefinierte Feuchtigkeitsabsorptionseigen- schaften aufweisen.
Es ist allgemein bekannt, dass sich glasartige Kiesel säurefasern für eine Reihe praktischer Anwendungsge biete besonders eignen. Die Fasern können gleichermas- sen zu verschiedenen Textilien, zu Watte, Glasseiden strängen oder andern Produkten verarbeitet werden und sind oft mit Harzen oder andern Stoffen imprägniert. In welcher Form die Kieselsäurefasern auch immer benutzt werden, immer haben sie für hohe Temperaturen eine Reihe sehr nützlicher Eigenschaften. Unter 1650 C schmelzen oder verdampfen die Fasern nicht. Sie haben für viele Anwendungsgebiete ausreichende Festigkeit. Zudem zeigen sie hervorragende Widerstandsfähigkeit gegen Wärmestoss und sind chemisch ausserordentlich stabil.
Daher werden die Fasern in Form von Watte sehr oft als Isoliermittel zur Wärmeisolierung benutzt. In verschiedenen Gewebeformen werden sie als elektrische Abstandhalter für hohe Temperaturen, als Verstärkungen für Kunststoffplatten und dergleichen benutzt. Viele Verwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus der hervor ragenden Widerstandsfähigkeit gegen Abtragung, welche den glasartigen Kieselsäurefasern eigen ist.
Im allgemeinen werden die glasartigen Kieselsäurefa- sern sehr erfolgreich dadurch erzeugt, dass aus che misch nicht widerstandsfähigen Glasfasern mit relativ hohem Kieselsäuregehalt die nicht siliziumhaltigen Oxy de ausgeschieden werden.
Diese Ausscheidung geschieht durch Auslaugen in einem geeigneten Säurebad, bis der Gehalt an nicht siliziumhaltigen Oxyden soweit vermin dert ist, dass der Kieselsäuregehalt der verbleibenden Fasern im Bereich von mehr als 90%, gewöhnlich zwischen 96 und 99 /o und mehr, bezogen auf den entwässerten Werkstoff, beträgt. Daraufhin werden die beim Auslaugen zurückgebliebenen Salze aus den Kiesel säurefasern ausgewaschen und die wasserhaltigen Fasern getrocknet.
Durch Erhitzen der Fasern auf erhöhte Temperatur können das Hydrationswasser und das ab sorbierte Wasser entfernt und die Fasern geschrumpft werden. Die Durchmesser der sich ergebenden einzelnen Fasern schwanken zwischen der Grösse von weniger als einem Mikron bis nahezu 20 Mikron, und die Fasern sind, obwohl sie glatt aussehen, äusserst porös. Infolge ihres ungleichförmigen inneren Aufbaus und des Vorhan denseins vieler zusammenhängender Höhlungen sind die Kieselsäurefasern bestrebt, aus ihrer Umgebung Bestand teile zu resorbieren.
Es wurde einmal erkannt, dass mit diesen allgemeinen Eigenschaften versehene glasartige Kieselsäurefasern Be sonderheiten aufweisen, die bei andern als den oben erwähnten Anwendungsfällen von Nutzen sind. Es war bisher jedoch schwierig, die Herstellung der Fasern so zu steuern, dass diese besondern Merkmale auf die bestmög liche Weise verwirklicht oder einmal erzielte Eigenschaf ten konsequent wiederholt werden können. Es wurde zum Beispiel erkannt, dass Kieselsäurefasern vorzüglich in Silicagelen und silicagelähnlichen Produkten verwen det werden können, da das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen bei ihnen ausserordentlich gross ist.
Gleicher massen ist es bekannt, dass die elektrischen Eigenschaf ten glasartiger Kieselsäure denjenigen geschmolzenen Quarzes in vieler Hinsicht gleich und in mancher überle gen sind. Die Schwierigkeiten, auf die man bisher stiess, wenn man wiederholbar Kieselsäurefasern erzeugen woll te, die diese Möglichkeiten voll nutzbar machen sollten, haben jedoch bisher ihre allgemeine Verbreitung verhin dert. Diejenige Art von Werkstoffen, die als Silicagele bekannt wurden, werden vielfach als Träger für Kataly satoren und wegen ihrer Fähigkeit verwendet, Feuchtig keit, Gase oder feste Teile anzulagern.
Die sog. mikro amorphe Kieselsäure-Abart, Kieselgur, hat die Fähigkeit, relativ verdünnte Substanzen aus dem sie umgebenden Medium auf ihrer Oberfläche zu sammeln. Sie wurde daher vielfach als Filtervorrichtung für verschmutzte öle und andere Flüssigkeiten benutzt. Silicagele werden oft als Mittel zum Filtrieren von öl, zum Absorbieren von Wasser aus einer Mischung wenig kondensierbarer Gase und zum Fraktionieren durch differenzierte Absorption verwendet.
Gewöhnlich wurden zu diesem Zwecke Kieselsäure- massen in Form von Pulvern oder kleinen Teilchen benutzt. Es versteht sich, dass solche Formen nicht in die Gestalt sich selbst tragender Gefüge gebracht oder in einem relativ grossen Raum ohne die Verwendung besonderer Trägermittel oder Gestelle erzeugt werden können. Zusammenhängende Kieselsäurefasern können dagegen leicht in die Form sich selbst tragender Gefüge gebracht werden, um als Katalysatoren oder als Filter- Qrundla,e zu dienen. In der vorliegenden Patentschrift wird die Art, in der Kieselsäurefasern Feuchtigkeit oder andere Medien ansammeln, als Absorption bzw. Re sorption bezeichnet.
Es wurde festgestellt, dass diese Ausdrücke den Ansammlungsvorgang genauer als der Ausdruck Adsorption beschreiben, zum Teil deshalb, weil die wiederaufgenommene Feuchtigkeit sowohl Hy- drationswasser als auch Oberflächenfeuchtigkeit umfasst. Darüber hinaus befindet sich die Oberflächenfeuchtigkeit überwiegend auf innern Oberflächenbereichen, und die Fasern sind im Aussehen und Anfühlen trocken.
Die Möglichkeit der Verwendung glasartiger Kiesel säurefasern für elektrische Anwendungsgebiete wurde ebenfalls erkannt, insbesondere für elektrische Einrich tungen, die mit höheren Frequenzen arbeiten. Die Dielek- trizitätskonstante von glasartiger Kieselsäure ist im we sentlichen gleich der von geschmolzenem Quarz. Bedeut samer ist jedoch, dass der Verlustwinkel oder Leistungs faktor glasartiger Kieselsäurefasern über einen äusserst breiten Frequenzbereich relativ niedrig ist. Wenn sich auch die Dielektrizitätskonstante mit der Frequenz nicht merklich ändert, so kann sich doch der Leistungsfaktor weitgehend mit der Frequenz ändern.
Dieser aber ist ausschlaggebend; denn bei der Übertragung elektrischer Energie ändern sich die Verluste infolge der Anwesenheit eines Dielektrikums unmittelbar mit dem Leistungsfak tor. wenn die Frequenz steigt.
Ein besonderes Beispiel für die Eignung glasartiger Kieselsäurefasern für elektrische Anwendungsgebiete stellen dielektrische Stützelemente in Mikrowellenleitern dar. Koaxiale Kabel werden als Standardzubehör bei spielsweise in den als Ultrahochfrequenz und Mikrowel lenfrequenz bezeichneten Bereichen der Frequenzskala benutzt. Ein koaxiales Kabel besteht aus einem hohlen äussern Leiter und einem zentralen Innenleiter, der konzentrisch zu jenem angeordnet ist. Wellen bestimmter Länge werden im koaxialen Kabel zwischen den beiden Leitern eingeschlossen und in Längsrichtung des Kabels übertragen.
Glasartige Kieselsäurefasern sind für die genaue Einhaltung des Abstandes zum äussern Leiter und zur Stützung des innern Leiters nützlich.
An die als Lagerelemente in koaxialen Kabeln ver wendeten dielektrischen Substanzen werden viele Anfor derungen gestellt, was schon aus den Schwierigkeiten deutlich wird, denen man bei den bekannten Vorrichtun gen dieser Art begegnet. Bei einigen koaxialen Kabelar ten verwendet man Glasperlen oder solche aus anderem Werkstoff, die in Abständen auf dem inneren Leiter angeordnet sind, um diesen zu fixieren. Diese Perlenge bilde zeigen sowohl elektrische Verluste als auch schwan kende elektrische Charakteristika. Demgemäss werden die Perlenlagerungen in den meisten Anwendungsfällen durch starre, leitende Stutzen verdrängt, deren Länge so gewählt wurde, dass sie einander aufhebende Wellenre- flektionen zeigten.
Diese Stutzen sind jedoch starr und vergrössern wesentlich die Abmessungen, die Kompli ziertheit und den Preis des koaxialen Kabels. Den Vorzug würde die Verwendung eines Lagenmaterials haben, das mit gleichbleibender Qualität in Massenpro duktion hergestellt werden könnte, das nicht viel elektri- sche Energie verbrauchte und das sich zur Verwendung in flexiblen koaxialen Kabeln eignete.
Um für hohe Energien und unter stark wechselnden Arbeitsbedingungen verwendbar zu sein, sollte das ko axiale Kabel so konstruiert sein, dass es weitgehend frei von Spannungsdurchschlägen und thermischen Durch schlägen ist. Spannungsdurchschläge ergeben sich, wenn strahlenartige Entladungen über Spalten in dielektrischen Lagerelementen eines koaxialen Kabels auftreten.
Bei vie len flexiblen koaxialen Kabeln besteht das Zentrierele- ment beispielsweise aus einem durch Strangpressen hei ge- steliten Dielektrikum, in dem jedoch infolge von Mängeln beim Stran-pressvorgang Luftblasen eingeschlossen wer den können. Das Spannungsgefälle über diesen Luftbla sen kann selbst beim normalen Betriebsenergieniveau beträchtlich sein.
Infolgedessen entsteht eine strahlenarti ge Entladung, die nach und nach das Dielektrikum wegfrisst. Ähnliche Wirkungen ergeben sich, wenn der Kontakt zwischen dem Dielektrikum und dem äusseren oder dem inneren Leiter mangelhaft ist. Anderseits beruhen Wärmeverluste vielfach auf Energieverlusten im Dielektrikum und auf der daraus erfolgenden Erhitzung desselben. Wenn Energie während verhältnismässig lan gen Zeitspannen übertragen wird, kann die Erhitzung zu Temperaturen führen, die hoch genug sind, um das Dielektrikum und folglich den Wellenleiter zu beschädi gen.
Es wurde erkannt. dass das Vorhandensein von Feuchtigkeit der wichtigste Faktor ist, der die Herstel lung befriedigender Dielektrika für die Anwendung auf dem Gebiete der Mikrowellen in Frage stellen kann. Der Feuchtigkeitskennwert von Dielektrika mit guten Lei stungsfaktoren wie etwas Quarz kann sehr stark variie ren. Diese Änderungen sind von dem vorhergehenden Wärme- und Gaszustand und von der Umgebung abhän gig, in der sich die Werkstoffe befinden. Auch die bisher benutzte glasartige Kieselsäure war den Veränderungen bezüglich des Feuchtigkeitsgehaltes und der Feuchtig keitscharakteristika unterworfen. Feuchtigkeit verursacht bekanntlich grosse elektrische Verluste.
Die Bedeutung, die der Aufrechterhaltung eines minimalen Feuchtigkeits gehaltes oder zum mindestens eines bestimmten Feuch tigkeitsgrades zukommt, ist daher nicht zu übersehen. Darüberhinaus jedoch müssen glasartige Kieselsäurefa- sern, die als dielektrische Trägerelemente verwendet werden sollen. ausreichende Festigkeit haben, um verwo ben oder auf andere Weise in eine bestimmte Form gebracht zu werden, und um die Elemente in einem sehr genau fixierten Abstandsverhältnis von einander zu hal ten, ganz gleich, ob das Kabel gebogen werde oder nicht.
Man beachte. dass die oben erwähnte besondere Anwendung bei Mikrowellen nur eine von einer Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten für diese Elemente dar stellt. Der Leistungsfaktor eines Dielektrikums steht im direkten Verhältnis zum Energieverlust und ist daher bei praktisch allen Frequenzen von grösster Bedeutung. Es gibt eine Reihe weiterer Anwendungsgebiete, bei denen die Erzielung eines minimalen Feuchtigkeitsgehaltes er wünscht ist. So ist zum Beispiel bekannt, dass das Auftreten von Feuchtigkeit auf Verstärkungsfasern für Harze oft die Aushärtung des Harzes hemmt. Wenn die die Aushärtung beeinflussenden Faktoren kritisch wer den, kann daher auch hier die Möglichkeit einer sehr genauen Regelung des Feuchtigkeitsgehaltes erwünscht sein.
Das eingangs erwähnte Verfahren ist erfindungsge- mäss dadurch gekennzeichnet, dass man hydratisierte, glasige Kieselsäurefasern auf eine Temperatur zwischen 320 C und dem Entglasungspunkt erhitzt, wobei durch Einstellen der Temperatur und der Erhitzungsdauer die Feuchtigkeitsabsorptionsfähigkeit der behandelten Fa sern geregelt wird.
Glasartige Kieselsäurefasern können durch Auslaugen der nicht siliziumhaltigen Oxyde erzeugt werden. Bei der nachfolgenden Erhitzung dieser glasartigen Kieselsäure fasern werden bestimmte Beziehungen zwischen dem Gewichtsverlust und der Oberflächenschrumpfung der Fasern benutzt, um eine minimale oder maximale Ge wichtsaufnahme an Feuchtigkeit oder andern Bestandtei len, je nach Wunsch, aus der Umgebung zu erreichen.
Gemäss einer speziellen Ausführungsform der Erfin dung werden die glasartigen Silicafasern derart behan delt, dass das Enderzeugnis eine maximale Gewichtsauf nahme zeigt und daher als Katalysatorträger und derglei chen sehr geeignet ist.
Nachdem die nicht siliziumhaltigen Oxyde ausgelaugt und die Salze aus den Fasern herausge waschen worden sind, werden die verbleibenden glasarti gen Kieselsäurefasern auf einer Tempratur gehalten, die ausreicht, um einen merklichen Gewichtsverlust herbei zuführen, während die Oberflächenschrumpfung verhält- nismässig gering bleibt. Erhitzungstemperatur und Zeit werden so eingestellt, dass der Unterschied zwischen dem Gewichtsverlust und der Oberflächenschrumpfung ver- hältnismässig einen Grösstwert erreicht.
Die glasartige Kieselsäurefaser kann, nachdem sie auf diese Weise erhitzt wurde, in eine aus bestimmten Bestandteilen zusammengesetzte und kontrollierte Umgebung gebracht werden, um darin eine möglichst grosse Menge ausge wählter Bestandteile, d.h. Feuchtigkeit, Gase oder feste Stoffe zur Verwendung als Katalysator zu absorbieren.
Gemäss einer anderen Ausführungsform der vorlie genden Erfindung kann die Behandlung der glasartigen Kieselsäurefasern derart erfolgen, dass sie nach dem Erhitzen eine möglichst geringe Gewichtsaufnahme zei gen. Hierbei wird im wesentlichen ein Gleichgewichtsver hältnis zwischen dem während der Erhitzung auftreten den Gewichtsverlust und der Oberflächenschrumpfung gewahrt. Es wurde gefunden, dass, wenn dieses Gleich gewichtsverhältnis eingehalten wird, die Fasern minimale Feuchtigkeitsmengen aufnehmen, ohne dass sie zugleich ihre Glaseigenschaften so weit verlieren, dass sie für eine weitere Verarbeitung nicht mehr fest genug wären.
Erzeugnisse für die Elektroindustrie mit äusserst gerin gen Leistungsfaktoren und in engen Bereichen regelbaren Charakteristiken können auf diese Weise in Massenpro duktion hergestellt werden.
Verschiedene Ausführungsformen gemäss der vorlie genden Erfindung sollen im folgenden als Beispiel beson ders beschrieben werden. wobei auf die beigefügte Zeich nung Bezug genommen wird, in der Fig. 1 eine graphische Darstellung der prozentualen Änderungen des Gewichtsverlustes, der Gewichtsaufnah me und der Oberflächenschrumpfung glasartiger Kiesel säurefasern zeigt, wenn diese während 5 Minuten auf unterschiedliche Temperaturen erhitzt werden, und Fig. 2 eine graphische Darstellung der prozentualen Änderungen des Gewichtsverlustes, der Gewichtsaufnah me und der Oberflächenschrumpfung glasartiger Kiesel säurefasern bedeutet, wenn diese während unterschiedli cher Zeitspannen und auf verschiedene Temperaturen erhitzt werden.
Die Art der Behandlung von Glasfasern zur Erzeu gung von glasartigen Kieselsäurefasern ist in einer Reihe von Schriften im einzelnen beschrieben. Die dazu wesent lichen Verfahrensschritte brauchen deshalb nicht näher erörtert zu werden. Als Ausgangspunkt werden Glasfa sern verwendet, die chemisch nicht resistent sind; im allgemeinen kann es sich dabei um die als E-Typ - Fasern bekannte Sorte handeln.
Die Fasern, deren Durchmesser zwischen weniger als einem Mikron bis 20 Mikron schwanken, können in der Gestalt verschiedener Gewebearten, in Form von Watte, als lose Massen oder in irgend einer andern Herstellungs form bearbeitet werden. Die Fasern werden dann in einem Säurebad ausgelaugt, das Metalloxyd mit Ausnah me des Siliciumdioxyds ausscheidet. Vorzugsweise wird HCl in einer Konzentration zwischen 0,1 N und 5 N verwendet, Um die zum Auslaugen erforderliche Zeit möglichst kurz zu halten, wird das Säurebad gewöhnlich auf einer erhöhten Temperatur gehalten und es wird eine relativ hohe Säurekonzentration verwendet.
Der Auslau- ,gungsvorgang wird fortgesetzt, bis im wesentlichen alle Oxyde, mit Ausnahme des Siliciumdioxyds ausgeschie den sind.
Die so entstandenen Fasern sind äusserst porös und weisen viele innere, zusammenhängende Hohlräume auf. Sie enthalten mehr als 90% Si02; gewöhnlich liegt der Si0_-Gehalt zwischen 96 und 99,9%, bezogen auf den entwässerten Werkstoff. Durch den Auslaugungsvor- gang wird jedoch der Durchmesser der Fasern nicht wesentlich verkleinert. Die Fasern werden anschliessend gewaschen, um sie von während des Auslaugungsvorgan- ,es gebildeten Chloriden zu reinigen, und um die Säure weitgehend aus den Fasern zu entfernen.
Darauf werden die wasserhaltigen Fasern getrocknet, bis die überschüssi- ,ge Feuchtigkeit entfernt ist und nur die aus Hydrations- wasser und adsorbierter Feuchtigkeit bestehende Absorp tionsfeuchtigkeit verbleibt.
Zum Austreiben der adsorbierten Feuchtigkeit und zum Schrumpfen der Fasern wurden diese bisher zwi schen 650 und 930 C erhitzt. Dieser Vorgang hatte zur Folge, dass im wesentlichen alle Feuchtigkeit zeitweilig entfernt wurde; die Steuerung der die Gewichtsaufnahme betreffenden Eigenschaften der Fasern jedoch war un klar. Unter normalen Umweltsbedingungen absorbieren die Fasern Feuchtigkeit. Diese Gewichtszunahme kann man als Wiederherstellung der Faserfeuchtigkeit betrach ten. Beim Erhitzungsvorgang werden die Fasern sowohl im Durchmesser als auch in der Länge eingeschrumpft.
Die Fasern sind weiss und von seidiger Beschaffenheit und enthalten, obwohl sie sich trocken anfühlen, doch eine beachtliche Menge adsorbierter Feuchtigkeit. Der Einschrumpfungsvorgang ist nicht umkehrbar, da sich die Fasern bei weiteren Temperaturänderungen nachträg lich nicht ausdehnen oder zusammenziehen.
Wie oben bereits beschrieben wurde, ist die Steuerung derjenigen Eigenschaften einer erhitzten Faser, die die Adsorption und Wiederherstellung der Fasern beeinflus sen, äusserst wichtig, wenn die Gewichtsaufnahme für bestimmte Anwendungsgebiete maximal oder minimal sein soll. Ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass durch gesteuerte Erhitzung der hydratisierten Fasern und durch die darauf folgenden Verfahrensschritte, welche bestimmte kritische Beziehun gen berücksichtigen, nach Wunsch bestimmte Fähigkei ten zur Gewichtsaufnahme erzielt werden können.
Zum besseren Verständnis der erwähnten Beziehungen wird auf Fig. 1 verwiesen, in der in Form eines Diagrammes die prozentualen Änderungen verschiedener physikali scher Eigenschaften der Fasern in Abhängigkeit von Erhitzungstemperaturen in C dargestellt sind.
Die in Fig. 1 dargestellten Beziehungen sind auch für den allgemeinen Fall zutreffend, wiewohl die graphische Darstellung um einer gewissen Einheitlichkeit willen in ganz bestimmter Richtung geht, und zwar folgendermas- sen: Eine Probe stark kieselsäurehaltigen Fasergewebes mit etwa 98,5 J" Si02 (bezogen auf den entwässerten Werkstoff) wurde unmittelbar nach dem Waschen wäh rend etwa 16 Stunden bei Raumtemperatur getrocknet. Das Gewebe wurde in Quadratflächen von bekannter Grösse und bekanntem Gewicht zerschnitten. Die Ab schnitte wurden auf verschiedene Temperaturen erhitzt, die in dem in Fig. 1 dargestellten Bereich lagen.
Alle Proben wurden 5 Minuten erhitzt und sofort gewogen, worauf sie für 24 Stunden in einen Raum mit 60Q/" relativer Feuchtigkeit und 21 C gebracht wurden. Auf grund der Messung der Grösse und des Gewichtes der eingeschrumpften Proben nach dem Erhitzen waren die bei verschiedenen Erhitzungstemperaturen erzielten un terschiedlichen Gewichtsverluste, Gewichtsaufnahmen und Oberflächenschrumpfungen so, wie sie in Fig.1 dargestellt sind.
Das Diagramm in Fig. 1 stellt also die Beziehungen dar, die bei der Überwachung der Gewichtsaufnahme gemäss der vorliegenden Erfindung beobachtet werden. Man beachte, dass die höchste Gewichtsaufnahme bei Temperaturen von 320 bis 345 C resultiert während anschliessend die Gewichtsaufnahme bei steigender Tem peratur bis etwa 980 C linear abnimmt. Darüber hinaus ist die Beziehung zwischen diesen Grösst- und Kleinst- werten der Gewichtsaufnahme und dem Zusammenhang zwischen Gewichtsverlust und Oberflächenschrumpfung durch die Erhitzung dargestellt.
Dort wo die Gewichts aufnahme einen Grösstwert erreicht, ist der Gewichtsver lust bei gleicher Temperatur immerhin beachtlich, wäh rend die Oberflächenschrumpfung noch nicht sehr gross ist. Während die Kurve des Gewichtsverlustes mit stei gender Temperatur anfangs steil ansteigt und sich dann abflacht, steigt die Kurve für die Oberflächenschrump fung anfangs langsam und dann nahezu linear mit grösserem Neigungswinkel.
Bei der Temperatur, bei der die Gewichtsaufnahme einen Grösstwert erreicht, ist die Steigung dieser Kurven (d.h. der Neigungswinkel dersel ben oder die Ableitung der Funktion) im wesentlichen die gleiche. Bei dieser Erhitzungstemperatur ist daher der Unterschied zwischen dem Gewichtsverlust und der Oberflächenschrumpfung am grössten. Dieser Zusam menhang erklärt die maximale Resorptionsfähigkeit an Feuchtigkeit und anderen Bestandteilen an dieser Stelle.
Ist jedoch eine maximale Gewichtsaufnahme er wünscht, so sollte man darauf achten, dass der Gewichts verlust ungefähr gleich der Oberflächenschrumpfung ist. Wenn die Temperatur in den Bereich von etwa 1090 C steigt, dann nähert sich die Oberflächenschrumpfung nach u. nach dem Gewichtsverlust u. überschreitet diesen schliesslich. Bei Annäherung an diesen Schnittpunkt mit steigender Temperatur fällt die Kurve für die Gewichts aufnahme steil ab und nähert sich dem Minimum, wo keine Gewichtsaufnahme mehr stattfindet. Beachtet man diesen Zusammenhang und berücksichtigt auch die Fe stigkeit und andere Eigenschaften der Fasern, dann ist es möglich, deren Absorptionseigenschaften sehr genau zu steuern.
Die kritischen Beziehungen sind nicht nur von der Temperatur abhängig, was man aus den in Fig.2 dargestellten Kurven erkennen kann. Hier sind mit unterschiedlich gezeichneten Linien die Änderungen der Faktoren der Fig. 1 dargestellt. Die Kurven A (ausgezo gene Linien) stellen die Ergebnisse dar, die bei der Erhitzungszeit von 5 Minuten erzielt wurden. Die Kurven B (ein langer und zwei kurze Striche) stellten die Ergebnisse dar, die bei einer Erhitzungszeit von 30 Minuten erreicht wurden, und die Kurve C (gestrichelte Linie) bei einer solchen von 120 Minuten.
Wird die Zeit der Hitzebehandlung verlängert, vergrössern sich auch die Oberflächenschrumpfung und der Gewichtsver lust im wesentlichen Teil des Heiztemperaturbereiches. Die Auswirkung auf die Gewichtsaufnahmekurve ist die, dass die Gewichtsaufnahme bei 30 Minuten dauernder Erhitzung um einige Prozente ansteigt. Bei der gleichen Erhitzungsdauer wird jedoch auch die erreichbare mini male Gewichtsaufnahme etwas vergrössert.
Zur Herstellung einer Erzeugnisses, das sich für ein Silicagel oder für einen andern Katalysatorträger eignet, bei maximalen Resorptionseigenschaften, wird die auf recht erhaltene Erhitzungstemperatur demnach etwa im Bereich zwischen 320 und 345 C liegen, wobei der Gewichtsverlust beachtlich ist (15Q/" und mehr), wogegen die Oberflächenschrumpfung noch nicht sehr gross ist (etwa 5 1" oder weniger). Geringere Änderungen der Gewichtsaufnahme können durch Änderung der Erhit- zungsdauer erzielt werden, wobei eine mittlere Zeitdauer von etwa 30 Minuten für diesen Zweck geeignet ist.
Als letzter Schritt bei der Herstellung geeigneter Silicagelerzeugnisse werden die erhitzten Fasern in eine entsprechende flüssige, gasförmige oder mit Partikeln versetzte Umgebung gebracht. Infolge der Oberflächen beschaffenheit der Silicafasern können die inneren Höh lungen in den porösen Fasern relativ gelöste Elementar substanzen aus dem sie umgebenden Medium aufneh men, so dass sich die Substanzen in den Kieselsäurefa- sern anlagern und konzentrieren. Bei einigen Anwen dungsfällen können die Kieselsäurefasern unmittelbar in eine Umgebung gebracht werden, aus der unerwünschte Bestandteile ausgeschieden werden sollen.
Sie können daher dank ihrer hygroskopischen Eigenschaften zur Entfernung von Feuchtigkeit, ferner zum Filtern oder zum Absorbieren von Dämpfen und Gasen wie etwa Kohlenwasserstoffen, Alkoholen und Ketonen verwen det werden. In gleicher Weise kann Wasser aus einer Mischung wenig kondensierbarer Gase adsorbiert wer den, da die Fasern die Fähigkeit zur differenzierten Absorption aufweisen.
Die gleichen Grundgedanken werden angewandt, wenn die Fasern als Katalysatorträger verwendet werden sollen; jedoch werden in diesem Falle die Fasern der zu absorbierenden Atmosphäre ausgesetzt. Nachdem der Zustand maximaler Absorption erreicht ist, können dann die den Katalysator enthaltenden faserigen Gebilde sicher gehandhabt und nach Wunsch physikalisch verwendet werden.
Die faserigen Gebilde haben, wie auch immer sie angewendet werden, ein sich selbst tragendes Gefüge, wobei der Abstand zwischen den Faserelementen von gewählter Grösse ist. So sind die Fasern als Gewebe oder in Form von Watte verhältnismässig gleichmässig in dem ganzen, von ihnen eingenommenen Volumen verteilt und haben zugleich ausreichend grosse Zwischenräume ,unter einander, durch die das Medium, in dem sie sich befinden, verhältnismässig frei fliessen kann.
Die Anwendung der Beziehung zwischen Oberflä chenschrumpfung und Gewichtsverlust kann zweckmäs- sig auch auf andere Weise in die Praxis umgesetzt wer- den. Das Mittel, durch das der maximale Gewichts verlust in bezug auf die Einschrumpfung erzielt wird, braucht nicht notwendigerweise in einem üblichen Heiz ofen zu bestehen, sondern es kann statt dessen auch die Hitze eines überspringenden Funkens zu Hilfe genom men werden.
Desgleichen kann das Wasser entzogen werden, indem die Fasern über einer konzentrierten, stark hydroskopischen Säure aufgehängt werden, wobei eine für die Absorption des Wassers durch das Bad ausreichend hohe Temperatur beibehalten wird. Schlies- lich ist es eine wesentliche Abweichung vom Stand der Technik, wenn man die Dehydration und Schrumpfung so lange fortsetzt, bis die Änderungsgeschwindigkeit der Oberflächenschrumpfung gleich der des Gewichtsverlu stes wird und diese zu überschreiten beginnt. Man beachte, dass die Entfernung des Wassers durch Erhitzen oder durch einen Hitzebehandlungsvorgang und nicht etwa nur durch Trocknung erfolgt.
Beim blossen Trock nen würde keine Schrumpfung der Fasern eintreten.
Ein fast paritätisches Verhältnis zwischen dem Ge wichtsverlust und der Oberflächenschrumpfung wird zur Festlegung der minimalen Gewichtsaufnahme bei Kiesel säurefasern benutzt. Eine Einschränkung wird jedoch gemacht, um ausreichende Festigkeit beim Erzeugnis zu erzielen. Der Grund dafür ist der, dass bei Temperaturen von annähernd 1150 C die glasartigen Kieselsäurefasern zum - Entglasen neigen, wobei sie sich kräuseln und abbrechen. Solchen Temperaturen muss man sich aber nähern, will man die Oberflächenschrumpfung dem Ge wichtsverlust angleichen.
Während eine sehr genaue Kontrolle der elektrischen Eigenschaften erforderlich ist, um den Leistungsfaktor möglichst klein zu halten, müs sen die erzeugten Fasern eine geeignete Festigkeit aufwei sen, damit sie in die gewünschten Formen und Gefüge verarbeitet werden können. Während demgemäss zu diesem Zwecke der Gewichtsverlust annähernd gleich der Oberflächenschrumpfung sein sollte, wird man, um aus reichende Festigkeit zu erzielen, die Oberflächenschrump fung normalerweise etwas kleiner halten.
Wie man aus den Fig. 1 und 2 erkennen kann, beträgt die Gewichtsauf nahme nach einer Erhitzung auf etwa 980 C zwischen 1 und 3 /o. Es wurde gefunden, dass bei niedrigeren Werten eine wesentliche Verschlechterung der physikalischen Eigenschaften in Kauf genommen werden müsste. Tem peraturen von annähernd 980 C für die Dauer von 3 Stunden werden daher in der Praxis benutzt.
Unter Beachtung dieser Relation erzeugte Fasergebil de haben viele Eigenschaften, die denen geschmolzener Kieselsäure gleich sind; sie zeigen jedoch nicht die Änderungen im Feuchtigkeitsgehalt, auf die man bisher so oft bei der praktischen Anwendung stiess. Darüberhin- aus haben die Fasern einen so hohen Schmelzpunkt, dass keine wesentlichen Schwierigkeiten infolge thermischen Durchbruchs auftreten; sie sind ausserdem stark und biegsam genug, um für sehr viele elektrische Anwen dungsgebiete verwendet werden zu können.
Obwohl die Fasern nahezu die gleiche Dielektrizitäts- konstante wie geschmolzene Kieselsäure und geschmolze ner Quarz haben, nämlich 3,78, nähern sie sich bedeutend genauer dem Verlustwinkel (der dem Leistungsfaktor für Werte unter 0,1 gleichgesetzt werden kann) von ge schmolzener Kieselsäure als dem von geschmolzenem Quarz. Das ist bedeutsam, wie man aus der nachstehen den Tabelle der Veränderungen des Verlustwinkels mit der Frequenz bei geschmolzenem Quarz und geschmolze ner Kieselsäure erkennen mag.
EMI0005.0020
Frequenz <SEP> Verlustwinkel
<tb> bei <SEP> geschmolzenem <SEP> bei <SEP> geschmolzener
<tb> Quarz <SEP> Kieselsäure
<tb> 1 <SEP> X <SEP> 102 <SEP> Hertz <SEP> 0,00085 <SEP> 0,00066
<tb> 1 <SEP> X <SEP> 105 <SEP> Hertz <SEP> 0,00040 <SEP> 0,00004
<tb> 1 <SEP> X <SEP> 10<B>13</B> <SEP> Hertz <SEP> 0,00020 <SEP> 0,00001
<tb> 1 <SEP> X <SEP> 10<B>11</B> <SEP> Hertz <SEP> 0,00010 <SEP> 0,00003 Die aus erhitzten, dehydratisierten Fasern hergestell ten Gebilde haben selbstverständlich unterschiedliche Arbeitseigenschaften, die von der Art der Herstellung, der Dichte der Fasern und davon abhängig sind, ob sich der Wellenleiter unter Vakuum befindet oder eine gasför mige Atmosphäre enthält.
Das wichtigste Mass für Verluste stellt die Signaldämpfung bei gegebener Wellen leiterlänge dar, und in dieser Hinsicht haben sich die gemäss der vorliegenden Erfindung hergestellten Fasern als klar überlegen (indem sie nämlich geringere Dämp fung zeigen) erwiesen.
Die bei Kieselsäurefasern auftretenden Erscheinun gen, dass nämlich die Gewichtsaufnahmefähigkeit von der Beziehung zwischen Gewichtsverlust und Oberflä chenschrumpfung abhängig ist, hat man noch nicht vollständig begriffen. Man vermutet jedoch einen Zusam menhang zwischen der Art der Schrumpfung und allfällig vorhandenen oberflächlichen Entglasungserscheinun- gen.
Es wurde auch erkannt, dass das Vorhandensein verschiedener Gase und der vorherrschende thermische Zustand einer glasartigen Kieselsäure sich auf deren Kristallisation auswirken. Es wurde in Betracht gezogen, dass die Kombination des Auslaugens, Waschens und Trocknens mit der Erhitzung in der oben beschriebenen Art wesentlich zur Erzielung gleichmässiger Ergebnisse beiträgt.
Da bisher angeommen wurde, dass die Fähigkeit der Kieselsäurefasern zur Hydration zweckmässig durch Er hitzung auf Temperaturen zwischen 205 C u. 260 C und anderseits bei Temperaturen unter 195 C nutzbar ge macht werden kann, sollte man nun beachten, dass durch diese Annahmen nicht die Art und Weise, mit der eine maximale Aufnahme erzielt werden kann, und auch nicht die Faktoren erkannt worden sind, welche die Steuerung der Aufnahme beeinflussen. Wiewohl es Aus einandersetzungen über die Anwendung unterschiedli cher Temperaturbereiche beim Erhitzen gab, wurden in keiner Weise die Beziehungen verstanden, die von Bedeu tung sind, wenn man die Gewichtsaufnahme möglichst klein halten will.
Man wird feststellen, dass die Bedin gungen für die Gewichtsaufnahme nicht genau beschrie ben sind, .und dass die Art der Feuchtigkeitsmessung nicht definiert ist. Wenn also von Feuchtigkeitsgehalt gesprochen wird, so kann damit freie oder/und auch gebundene Feuchtigkeit gemeint sein, wobei diese Benen nung im Grunde genommen keinen Bezug zu den oben auseinandergesetzten Resorptionsproblemen haben. Dar über hinaus können die Zeichnungen nichts über das Vorhandensein oder Fehlen vorheriger Erhitzungsvor- gänge über 100 C aussagen.
Viele der bisher verfügbaren Untersuchungen befassen sich nur mit bestimmten Teilen der vorhandenen Feuchtigkeit, wie etwa mit dem Hydra tionswasser, und behandeln diese zusammen mit äussern Faktoren wie etwa Harzüberzügen.