DE102013101144A1

DE102013101144A1 - Verfahren zur Herstellung von Vliesstoffen aus Mineralfasern

Info

Publication number: DE102013101144A1
Application number: DE201310101144
Authority: DE
Inventors: Claus Schierz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-02-05
Filing date: 2013-02-05
Publication date: 2014-08-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Vliesstoffen aus Mineralfasern, bei dem Mineralfasern in einem Vliesbildungsschritt zu einem Vlies gelegt werden und das Vlies später in zumindest einem Verfestigungsschritt verfestigt wird. Erfindungsgemäß werden die Mineralfasern vor dem Vliesbildungsschritt zu Faserbündeln zusammengefasst und texturiert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Vliesstoffen aus Mineralfasern, bei dem Mineralfasern in einem Vliesbildungsschritt zu einem Vlies gelegt werden und das Vlies später in zumindest einem Verfestigungsschritt verfestigt wird.
Im Vliesbildungsschritt werden die Fasern lose zu einem flächigen oder dreidimensionalen Gebilde angeordnet werden. Vliese lassen sich aus Naturfasern sowie aus organischen und anorganischen Kunstfasern herstellen. Je nach Herstellungsprozess weisen diese eine endliche Länge auf oder sind als Endlosfasern ausgebildet. Weiterhin unterscheidet man nach der Orientierung der einzelnen Fasern des Vlieses sogenannte orientierte Vliese, Kreuzlagevliese und Wirrlagevliese.
Ein zweiter wichtiger Bestandteil des Verfahrens besteht in der Verfestigung des Vlieses zu einem Vliesstoff. In diesem Arbeitsschritt werden die einzelnen Fasern miteinander verbunden, so dass sie ein zusammenhängendes Gebilde ergeben. Zur Verfestigung von Vliesen aus Mineralfasern, welche insbesondere Glasfasern, Keramikfasern und Basaltfasern umfassen, sind einerseits chemische Verfestigungsverfahren – etwa durch Phenolharze – und andererseits mechanische Verfestigungsverfahren bekannt. Bei letzteren werden die einzelnen Fasern durch Einwirkung von beispielsweise Nadeln oder Wasserstrahlen ineinander verschlungen und miteinander verknotet.
Nachteilig bei Mineralfasern ist, dass diese häufig sehr glatte Oberflächen aufweisen, welche schwer aneinander haften und daher nicht zu voluminösen Vliesstoffen verarbeitet werden können.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines voluminösen Vliesstoffes aus Mineralfasern anzugeben.
Gegenstand der Erfindung und Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren nach Patentanspruch 1.
Erfindungsgemäß werden die Mineralfasern vor dem Vliesbildungsschritt zu Faserbündeln zusammengefasst und texturiert. Beim Texturieren handelt es sich um ein Verfahren, welches hauptsächlich aus der Verarbeitung von Kunststofffasern bekannt ist. Dabei wird die Oberflächenstruktur einer Faser durch mechanische Einwirkung verändert, so dass sich – beispielsweise für Bekleidungs- oder Wohntextilien – angenehmere haptische Eigenschaften einstellen. Weiterhin wird der Glanz gegenüber einer glatten Kunstfaser reduziert. Bei der vorliegenden Erfindung dient die Behandlung dazu, einerseits die Ausnehmung der Faser quer zur Faserlängenrichtung zu vergrößern und dadurch ein größeres Volumen zu verdrängen. Andererseits weist die behandelte Faseroberfläche eine höhere Haftkraft und einen höheren Reibungswiderstand an anderen Fasern auf, so dass sich die Fasern des Vlieses besser miteinander verbinden lassen und dabei größere Hohlräume einschließen.
Bevorzugt werden die Mineralfasern mittels Luft texturiert und die Faserbündel gleichzeitig durch einen Luftstrom geweitet. Bei der Lufttexturierung werden die Fasern des Faserbündels durch turbulente Luftströmungen verdreht, verdrillt und aus diesen Schlingen gebildet. Durch das parallele "Aufblasen" des Faserbündels wird dessen Volumen noch weiter vergrößert.
In einer bevorzugten Variante wird das Vlies in einem Fixierofen zu einem Vliesstoff verfestigt. Dafür kommen verschiedene, durch Temperatur ausgelöste oder beförderte Verbindungsverfahren in Betracht. Einerseits kann ein thermoplastisches Polymer durch Wärmeeinwirkung aufgeschmolzen werden, welches dann beim Abkühlen die Fasern miteinander verbindet. Andererseits sind auch chemische Verfahren umfasst, bei denen die zur Verfestigung führende chemische Reaktion durch die Wärmeeinwirkung ausgelöst oder beschleunigt wird. Hierbei sind beispielsweise thermisch aushärtende Klebstoffe denkbar. Ebenso ist der Einsatz von mineralischen Bindemitteln, wie beispielsweise Bentonit, möglich.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung mit einem aufschmelzenden Bindemittel sieht vor, dass den Faserbündeln aus Mineralfasern thermoplastische Fäden zugeführt werden. Die thermoplastischen Fäden können durch Wärmeeinwirkung zum Aufschmelzen gebracht werden und verbinden die Mineralfasern miteinander. Durch die Untermischung in den einzelnen Faserbündeln sind die thermoplastischen Fäden bereits bei geringen Anteilen am Gesamtvlies gleichmäßig in diesem verteilt und können so eine optimale Verbindungswirkung erzielen.
Besonders bevorzugt werden die thermoplastischen Fasern einer Texturierungsvorrichtung zum Texturieren der Mineralfasern mit einer anderen Laufgeschwindigkeit als die Mineralfasern zugeführt. Damit lassen sich die Elastizitätseigenschaften und das Volumen des texturierten Faserbündels genau einstellen.
In einigen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Faserbündel nach dem Texturieren auf Spulen aufgespult. Die so zwischengelagerten texturierten Faserbündel lassen sich in großer Zahl parallel vorbereiten und können später bei Bedarf flexibel eingesetzt werden.
In einer Ausgestaltung werden zur Vliesbildung von mehreren Spulen gleichzeitig Fäden der texturierten Faserbündel abgezogen und einem Breitschneidewerk zugeführt. In diesem werden die Fäden auf Stapellänge zugeschnitten. Diese beträgt vorzugsweise 50 bis 80 mm. Die geschnitten Fäden fallen auf ein sich bewegendes Transportband und bilden so ein Vlies. Während des Fallens wirbeln die einzelnen Fäden durcheinander und kommen mit zufälliger Ausrichtung zum Liegen. Das entstehende Vlies ist vom Typ her ein Wirrlagenvlies. Über die Vorschubgeschwindigkeit der Fäden und die Bewegungsgeschwindigkeit des Transportbandes lässt sich die Höhe des Vlieses bzw. dessen Flächengewicht festlegen.
Vorzugsweise weist das Transportband luftdurchlässige Bereiche auf. Diese können beispielsweise durch gitterartige Strukturen gebildet sein. Die Aussparungen der Gitterstrukturen sind so bemessen, dass die Mineralfaserbündelabschnitte nicht hindurch fallen können und sicher auf dem Transportband zum Liegen kommen. Übliche Abmessungen sind in etwa im Bereich von 3 × 3 mm bis 6 × 6 mm zu finden.
Besonders bevorzugt wird in Fallrichtung der Fäden durch das Transportband ein Luftstrom abgezogen, welcher die geschnittenen Fäden gleichmäßig auf das Transportband befördert. Hierdurch werden die Fäden bereits auf dem Transportband angedrückt und leicht vorverdichtet. Auch lässt sich die Produktionsgeschwindigkeit hierdurch steigern, da die Fallgeschwindigkeit der Fäden erhöht werden kann.
Zweckmäßigerweise werden die geschnittenen Fäden während des Fallens mit einem Bindemittel besprüht oder bestäubt. Für das Bindemittel kommen insbesondere Stäube, Mehle oder Flocken von thermoplastischen Substanzen, Klebstoffe und Dispersionen mit thermoplastischen Anteilen in Betracht.
Zweckmäßigerweise wird das Vlies vor dem Verfestigen durch ein zweites Transportband verdichtet, welches oberseitig Druck auf das Vlies ausübt. Das Vlies ist sandwichartig zwischen den beiden Transportbändern angeordnet. Hierdurch kann einerseits die Dicke und damit die Dichte des Produktes eingestellt werden; andererseits werden die elastischen texturierten Faserbündel und auch die Gesamtanordnung der Fasern elastisch vorgespannt, wodurch das Endprodukt eine latente mechanische Spannung erhält. Nach dem Wegfall des Bindemittels – etwa durch Pyrolyse – kann sich das Fasermaterial elastisch ausdehnen.
Zweckmäßigerweise ist der Abstand zwischen dem ersten Transportband und dem zweiten Transportband verstellbar.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist zumindest eines der Transportbänder mit PTFE (Polytetrafluorethylen) bzw. einem Polymer, welches Antihafteigenschaften aufweist, beschichtet. Ein mit PTFE behandeltes Transportband kann im Fixierungsofen höheren Temperaturen ausgesetzt werden. Ferner nimmt seine Neigung, mit dem Vlies bzw. mit dem Bindemittel zu verkleben, ab.
Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, dass zumindest ein Verfestigungsschritt mechanisch durch Vernadeln erfolgt. Gerade die durch Texturieren vorbehandelten Fasern zeigen bereits aneinander eine so große Reibung, dass ein mechanisches Verfestigen möglich ist. Diese lassen sich alternativ zum Vernadeln auch mittels Wasserstrahlverfestigung zu einem Vliesstoff verbinden.
Nach der Herstellung wird der Vliesstoff zweckmäßigerweise zu Platten geschnitten oder zu Ballen aufgerollt.
Je nach Ausgestaltung der Erfindung ist es auch möglich, dass die Faserbündel als Endlosfäden zu einem Vlies gelegt werden.
In einer bevorzugten Variante der Verarbeitung von Endlosfäden wird zumindest ein Faserbündel aus Endlosfäden auf einem Kern changierend aufgewickelt, bis die gewünschte Stärke des gewickelten Vlieses erreicht ist. Das gewickelte Vlies wird anschließend in einem Ofen verfestigt. Nach dem Verfestigen wird der Kern aus dem verfestigten Vliesstoff wieder entfernt. Es entsteht ein rohrförmiges Gebilde aus Vliesstoff, welches beispielsweise als Akustikmatte und zu Wärmedämmzwecken in Katalysatoren oder Schalldämpfern für Verbrennungsmotoren eingesetzt werden kann.
Bei diesem Verfahren werden vorzugsweise während des Wickelprozesses die Endlosfäden mit einem Bindemittel besprüht oder bestäubt. Auch hieraus folgt eine gleichmäßige Verteilung in dem gewickelten Vlies.
Ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellter Vliesstoff eignet sich zur Verwendung als Lagerungsmatte für einen Katalysator in Kraftfahrzeugen. Für diese Verwendung wird das Vlies vor dem Verfestigungsprozess stark verdichtet. Beim Verfestigungsschritt wird es anschließend mit einem thermoplastischen Material im gespannt verdichteten Zustand fixiert. Nach Abkühlung des thermoplastischen Materials ist eine Ausdehnung nicht mehr möglicht. Der so hergestellt Vliesstoff wird auf die benötigte Größe zugeschnitten und in das metallische Gehäuse des Katalysators eingelegt. Nach der Montage stützt der erfindungsgemäß hergestellte Vliesstoff eine Katalysatorkeramik in dem metallischen Gehäuse ab. Bei der Inbetriebnahme des Katalysators wird dieser durch die Abgase aufgeheizt. Im Zuge dessen nimmt auch die Temperatur in dem Vliesstoff zu. Das thermoplastische Bindemittel wird dadurch verformbar. Beim Erreichen entsprechender Temperaturen wird es sogar vollständig zersetzt und verflüchtigt sich. Nachdem die Bindungswirkung des Bindemittels wegfällt, können sich die mechanisch vorgespannten, texturierten Faserbündel elastisch ausdehnen. Hierdurch wird die Abstützung der Katalysatorkeramik in dem Gehäuse verbessert. Da die Mineralfasern gegenüber den im Katalysator herrschenden Bedingungen weitgehend unempfindlich sind, verschlechtert sich die Abstützung der Keramik in dem Gehäuse im Laufe der Zeit nicht.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Vliesstoffen aus Mineralfasern, bei dem Mineralfasern in einem Vliesbildungsschritt zu einem Vlies gelegt werden und das Vlies später in zumindest einem Verfestigungsschritt verfestigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Mineralfasern vor dem Vliesbildungsschritt zu Faserbündeln zusammengefasst und texturiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mineralfasern mittels Luft texturiert werden und Faserbündel gleichzeitig durch zumindest einen Luftstrom geweitet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Vlies in einem Fixierofen zu einem Vliesstoff verfestigt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass den Faserbündeln thermoplastische Fäden zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mineralfaserbündel und die thermoplastischen Fäden einer Vorrichtung zur Texturierung mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten zugeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserbündel nach dem Texturieren auf Spulen aufgespult werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Vliesbildungsschritt von mehreren Spulen gleichzeitig Fäden der texturierten Faserbündel abgezogen und einem Breitschneidewerk zugeführt werden, dass die Fäden in dem Breitscheidewerk auf eine Stapellänge geschnitten werden, und dass die geschnittenen Fäden auf ein Transportband fallen und so ein Vlies bilden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Transportband luftdurchlässige Bereiche aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Transportband ein Luftstrom abgezogen wird, welcher die geschnittenen Fäden gleichmäßig auf das Transportband befördert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die geschnittenen Fäden während des Fallens mit einem Bindemittel besprüht oder bestäubt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Vlies vor dem Verfestigen durch ein zweites Transportband verdichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen dem ersten Transportband und dem zweiten Transportband verstellt wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Transportbänder mit PTFE beschichtet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Verfestigungsschritt mechanisch durch Vernadeln erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Vliesstoff anschließend in Plattenform geschnitten oder aufgerollt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserbündel als Endlosfäden zu einem Vlies gelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Faserbündel aus Endlosfäden auf einen Kern changierend aufgewickelt wird bis zum Erreichen der gewünschten Stärke des gewickelten Vlieses, dass das gewickelte Vlies anschließend in einem Ofen verfestigt wird, und dass der Kern nach dem Verfestigen aus dem verfestigten Vliesstoff entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Endlosfäden während des Wickelprozesses mit einem Bindemittel besprüht oder bestäubt werden.