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Verfahren zur Herstellung von Matten, Platten oder sonstigen Formstücken
aus durch Schweißung miteinander verbundenen Glas-oder thermoplastischen Mineralfasern
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Matten, Platten oder sonstigen
Formstücken aus durch Schweißung miteinander verbundenen Glas- oder thermoplastischen
Mineralfasern.
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Bei einem bekannten Verfahren werden derartige Produkte in der Weise
hergestellt, daß die Fasern durch Hitzeeinwirkung erweicht und unter Druck gebracht
werden, so daß eine Verbindung der Fasern an ihren Berührungspunkten entsteht. Es
hat sich herausgestellt, daß die so erhaltenen Produkte brüchig sind. Auch haben
sie nur eine geringe mechanische Festigkeit, und zwar weil die große Zahl der Berührungspunkte
eine gegenseitige Verschiebung der Fasern nicht gestattet und somit die Eigenelastizität
der Fasern beeinträchtigt. Es ist auch schon ein Verfahren bekanntgeworden, bei
dem mit einem lockeren Glasgespinst mineralische Körner, die einen niedrigeren Schmelzpunkt
als jenes -haben, gemischt und vor dem Zusammendrücken der Mischung in der Form
angeschrnolzen werden. Das nach diesem Verfahren hergestellte Produkt hat eine sehr
ungleichmäßige Struktur. Dies liegt daran, daß bei der Mischung des lockeren Glasgespinstes
mit den mineralischen Körnern letztere keineswegs das Bestreben haben, sich gerade
an den Kreuzungspunkten der Fasern abzulagern. Vielmehr werden die meisten Körner
in den gewissermaßen vorhandenen Maschen des Gespinstes festgehalten. Beim Schmelzen
der Körner fließt die Schmelze zum Teil an den Fasern entlang, ohne diese an den
Kreuzungsstellen miteinander zu verbinden, zum Teil füllt die Schmelze eine oder
mehrere Maschen aus, wodurch an diesen Stellen unerwünschte Knötchen entstehen,
und nur wenige Körner verbinden die Kreuzungsstellen in der gewünschten Weise miteinander.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren so zu leiten,
daß das erzielte Produkt einen guten Zusammenhalt, eine gute mechanische Festigkeit
sowie eine gewisse Elastizität und Porosität aufweist und daß es außerdem eine gleichmäßige
Struktur hat.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist das Verfahren erfindungsgemäß dadurch
gekennzeichnet, daß man wenigstens zwei verschiedene Arten von Fasern aus dem gleichen
Material, aber mit verschiedenen thermoplastischen Eigenschaften vermischt und auf
eine Schweißtemperatur bringt, die vorzugsweise über 300° C liegt.
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Durch Versuche wurde festgestellt, daß man nach diesem erfindungsgemäßen
Verfahren Produkte erhält, die die vorerwähnten Eigenschaften sämtlich in hohem
Maße aufweisen. Unter den erwähnten Fasern aus dem gleichen Material seien dabei
Fasern verstanden, die aus einem Material bestehen, welches die gleiche chemische
Zusammensetzung für alle Fasern hat.
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Eine zweckmäßige Art des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dadurch
gekennzeichnet sein, daß man die Fasern mit verschiedenen thermoplastischen Eigenschaften
dadurch erhält, daß man bei ihrer Herstellung verschiedene Fasererzeugungstemperaturen
anwendet.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner dadurch gekennzeichnet
sein, daß man die Fasern mit verschiedenen thermoplastischen Eigenschaften dadurch
erhält, daß man sie bei ihrer Herstellung verschiedenen Kühlbedingungen aussetzt.
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Durch Versuche wurde festgestellt, daß zwei Fasern aus demselben Stoff
und mit demselben Durchmesser durch die Anwendung verschiedener Erzeugungstemperaturen
und/oder verschiedener Kühlbedingungen unterschiedliche thermoplastische Eigenschaften
haben. Diese Eigenschaften lassen sich in bemerkenswerter Weise beeinflussen, wenn
man bei
der Herstellung die Erzeugungstemperatur und/oder Kühlbedingungen
ändert.
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Eine andere Art des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet,
daß das verwendete Fasergemisch aus feinen Fasern etwa mit einem Durchmesser unter
5 It und gröberen Fasern mit einem Durchmesser von nicht mehr als etwa 30 #t besteht.
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Durch Versuche wurde festgestellt, daß die physikalischen Eigenschaften
der Fasern, insbesondere ihre thermoplastischen Eigenschaften wesentlich vom Faserdurchmesser
abhängig sind. Dies dürfte dadurch zu erklären sein, daß sich die Kühlung von Fasern
von verschiedenem Durchmesser verschieden auswirkt und unterschiedliche physikalische
Strukturen des Glases bedingt. Die Versuche haben ferner gezeigt, daß es für eine
Verschweißung der Fasern günstig ist, wenn diese eine besonders große Oberfläche
haben, also sehr fein sind. Wenn man jedoch nur feine Fasern verwendet, so ergeben
sich nach der Verschweißung Produkte, die sehr dicht und nur wenig elastisch sind.
Wenn man dagegen feine Fasern und gröbere Fasern zusammen verwendet, erhält man
Produkte, die bei gutem Zusammenhalt eine gewisse Elastizität aufweisen.
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Die verwendeten Fasern können nach bekannten Verfahren, insbesondere
durch mechanisches Ausziehen, durch Ausziehen im Gasstrom und/oder durch Schleudern
erzeugt werden.
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Eine vorteilhafte Art des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch
gekennzeichnet, daß ein Gemisch aus Fasern verwendet wird, von dem höchstens 80%
einen mittleren Durchmesser, wenigstens 20'% einen Durchmesser, der kleiner ist
als die Hälfte des Durchmessers der Hauptmenge, und höchstens 10% einen Durchmesser
aufweisen, der doppelt so groß ist wie derjenige des Hauptfaseranteils.
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Eine derartige Faserverteilung hat sich sowohl bei einem geringen
Faserdurchmesser von weniger als 5 @x wie auch bei größeren Durchmessern zwischen
etwa 9 und 12 [t als günstig erwiesen.
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Zum Verschweißen wird das Fasergemisch einer Temperatur unterworfen,
die im allgemeinen zwischen etwa 400 und 700° C liegt. Die Temperatur richtet sich
nach der Glaszusammensetzung.
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Eine zweckmäßige Art des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch
gekennzeichnet, daß die Erweichungspunkte der verschiedenen Fasern um etwa 100°
C oder mehr auseinander liegen.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist
dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzung so schnell durchgeführt wird, daß die
Fasern sich nicht stabilisieren können, d. h. daß eine sonst durch langsames Erhitzen
bedingte Erhöhung des Erweichungspunktes von gekühlten, insbesondere von sehr schnell
gekühlten feinen Fasern vermieden wird.
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Bei einem zu langsamen Erhitzen besteht nämlich die Neigung, daß die
Fasern sich stabilisieren, d. h. daß die Eigenschaft von abgeschreckten (gehärteten)
Fasern, bei einer niedrigeren Temperatur zu erweichen, aufgehoben wird.
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Für die Herstellung der Fasern geeignete Glaszusammensetzungen sind:
Si02 .............. 57 bis 64% A1203 ............ 2 bis 5% B203 ............. 2
bis 12%
Man verwendet beispielsweise eine Glaszusammensetzung, die dem Durschnitt der vorstehend
angeführten Zusammensetzungen entspricht. Aus diesem Glas wird ein Gemisch von Fasern
hergestellt, bei denen der oben angegebene Durchmesser 6 #i beträgt. Aus diesem
Fasergemisch bildet man eine Matte mit einer Dichte von 12 kg/m- und einer Dicke
von 7 cm. Die Temperatur der Matte wird in weniger als 2 Minuten von der umgebenden
Temperatur auf eine solche von 600° C gebracht. Die Behandlung kann ohne Druck oder
unter einem geringen pneumatischen Druck ohne die Verwendung von mechanischen Preß-
oder Formelementen erfolgen.
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Bei dieser Behandlung ergibt sich ein allmähliches Zusammensacken
der Matte in allen Richtungen. Dieses Eingehen ist von einer Erhöhung des Zusammenhaltes
und der Dichte begleitet, und zwar kann letztere von etwa 10 kg/m-" auf 40 kg/m3
und bei Matten aus sehr feinen Fasern von 6 bis 8 kg/m3 auf 600 kg/m3 steigen. Die
Dichte des Endproduktes kann in gewissen Fällen sogar 600 kg/m3 überschreiten und
bis zu 1500 kg/m3 erreichen. Die Behandlung der Matte kann diskontinuierlich oder
kontinuierlich erfolgen.
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Anschließend an die Verschweißung kann gemäß der Erfindung eine Formgebung
erfolgen, indem man die Matte zwischen Kalanderwalzen od. dgl. hindurchführt. Die
hierbei zur Anwendung gelangende Temperatur ist gleich oder niedriger als die Temperatur
der Wärmebehandlung für das Verschweißen. Durch Ändern der Temperatur der Kalanderwalzen
od. dgl. läßt sich auch der Oberächenzustand der Matten und infolgedessen die Qualität
des Produktes beeinflussen.
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Vor dem Verschweißen kann man die Fasern durch Besprengen oder Tränken
anfeuchten. Durch eine derartige Befeuchtung läßt sich der Zustand der Faseroberflächen
verbessern. Auch läßt sich dadurch die Dichte erhöhen und infolgedessen die Dicke
der Matte und das Zusammensacken derselben verringern. Überdies kann bei Anwendung
der Befeuchtung die zum Einleiten des Verschweißens nötige Temperatur herabgesetzt
werden.
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Die Ausgangsmatte kann auch durch mehrere aufeinandergelegte Schichten
gebildet werden, von denen jede den oben angegebenen verschiedenen Durchmessern
entspricht. Das Endprodukt ist dann ein Schichtstoff. So kann man beispielsweise
zwei äußere Schichten von Fasern mit kleinem Durchmesser von z. B. 4 u und eine
innere Schicht von Fasern mit einem Durchmesser von etwa 12 w wählen und erhält
dadurch Formstücke, die bei sehr harten Außenflächen eine bemerkenswerte Elastizität
besitzen. Auch kann man in die Ausgangsmatte oder zwischen je zwei Faserschichten
Glasfäden oder Glasgewebe einfügen, die als Bewehrung oder Verstärkung des Endproduktes
dienen.
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Die Herstellung der Produkte durch Verschweißung kann ohne Zusatz
von Bindemitteln erfolgen. Sie sind dann äußerst widerstandsfähig gegen atmosphärische
und chemische Einflüsse sowie auch temperaturbeständig.
Es ist jedoch
gemäß der Erfindung auch vorgesehen, bei der Herstellung der Matten, Platten oder
sonstigen Formstücke nach dem Verschweißen ein Bindemittel, vornehmlich ein wärmehärtbares
oder thermoplastisches Harz, zuzusetzen.
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Die Verbindung der Fasern durch Schweißen braucht dann nur in dem
geringen Maße zu erfolgen, das erforderlich ist, um den Zusammenhalt und die Form
des Produktes für dessen Behandlung mit dem Bindemittel die gegebenenfalls nötige
Polymerisierung des Harzes zu sichern sowie auch für die Formhaltung, wenn das Bindemittel
zerstört oder verschlechtert worden sein sollte.
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Je nach der zugesetzten Harzmenge können diese Produkte eine große
Dichte von beispielsweise etwa 400 bis 800 kg/m3 und eine erhöhte mechanische Festigkeit
haben.
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Das Versetzen des Fasergemisches mit dem Harz kann in irgendeiner
geeigneten Weise, insbesondere durch Einstäuben oder durch Tränken erfolgen, so
daß sich eine gleichmäßige Verteilung es Bindemittels im Innern der Fasermenge ergibt.
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Als Bindemittel eignen sich alle thermoplastischen Harze, wie Polyvinylharze,
oder wärmehärtbare Harze, wie Phenolharze, Melamine, Polystyrole, Polyester, Epoxharze
oder eine Mischung dieser Harze, je nach den chemischen und physikalischen Eigenschaften,
die den Produkten verliehen werden sollen. Als Bindemittel können auch Gummi, Stärke
oder Gelatine verwendet werden. Besonders günstige Ergebnisse wurden durch Verwendung
von Bakelit erzielt.
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Nach dem Zusammensetzen des Bindemittels werden die Matten, Platten
oder Formstücke zwecks Erzielung der Polymerisierung des Harzes wärmebehandelt.
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Die zugesetzte Harzmenge kann sich in weiten Grenzen ändern. Technisch
wertvolle Produkte mit einer guten mechanischen Festigkeit ergeben sich durch eine
Imprägnierung der Fasern mit 0,5 bis 2011/o Harz.
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Produkte von guter mechanischer Festigkeit und einer verhältnismäßig
geringen Dichte von etwa 60 kg/m3 lassen sich durch einen Zusatz von etwa 15% Gelatine
erzielen. Zur Erlangung von dichteren Produkten von etwa 250 kg/m3 kann man einen
Zusatz von 12% Bekalit verwenden. Für Produkte von einer Dichte von etwa 400 kg/m3
eignet sich ein Zusatz von Polyvinylacetat von etwa 10%.
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Bei den gemäß der Erfindung unter Verwendung eines Bindemittels hergestellten
Formstücken dient das Bindemittel praktisch nicht der Formhaltung des Produktes,
vielmehr wird dieses durch die autogene Verschweißung gesichert. Eine etwa eintretende
Verschlechterung des Bindemittels zieht daher praktisch keine Veränderung der Form
des Produktes nach sich.
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Gemäß der Erfindung lassen sich auch Produkte von sehr hoher Dichte,
die bis zu 2000 kg/m3 betragen kann, und von sehr großer mechanischer Festigkeit
erzielen; in diesen Fällen ist der Zusatz an Harz sehr gering.