DE1252570B

DE1252570B -

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Publication number: DE1252570B
Application number: DENDAT1252570D
Authority: DE
Priority date: 1957-02-27
Publication date: 1967-10-19
Also published as: GB871577A; US3077413A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

C 04 b

Deutsche Kl.: 80 b-9/02

!4-3

- 5 D

Nummer: 1 252 570

Aktenzeichen: C 16333 VI b/80 b

Anmeldetag: 20. Februar 1958

Auslegetag: 19. Oktober 1967

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Gegenständen aus keramischen'Fasern, deren Fasern durch kolloidales Siliziumdioxyd gebunden sind.

Es ist bekannt (deutsche Patentschrift 734 346), Körper aus Fasern und einem Siliziumhydrogel herzustellen.

Gemäß der Erfindung werden ein Eindringen von Siliziumdioxid in den Körper und ein Tränken dadurch erreicht, daß die Fasern mit einer wässerigen to Dispersion von Siliziumdioxyd mit kolloidaler Partikelgröße \ ermischt werden und daß die Dispersion wenigstens 10°/₀ der in der Mischung enthaltenen Fasermenge auf Trockenbasis an Siliziumdioxyd enthält, worauf aus der Mischung unter Druck ein Körper geformt wird, der dann getrocknet wird.

Die sich gemäß der Erfindung ergebenden Körper haben eine glatte Oberfläche, und die Zwischenräume zwischen den Fasern sind mit Siliziumdioxid ausgefüllt. In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 eine Seitenansicht der Herstellungsfolge bei der Formgebung für eine Mischung aus keramischen Fasern und einer wässerigen Dispersion von Siliziumdioxid,

F i g. 2 eine Seitenansicht der Herstellungsfolge zur Bindung von Platten aus keramischen Fasern mit einer wässerigen Dispersion von Siliziumdioxid;

F i g. 3 ist eine Abwandlung der Herstellungsfolge gemäß F i g. 2, und

F i g. 4 ist eine weitere Abänderung der Herstellungsfolge nach F i g. 2.

Grundsätzlich besteht die Erfindung darin, daß keramische Fasern mit einer wässerigen Dispersion von Sili/iumdioxid von kolloidaler Partikelgröße vermischt werden, worauf aus der Mischung ein Körper geformt wird, der dann getrocknet wird. Die Menge der den keramischen Fasern zugesetzter, wässerigen Dispersion von Süiziumdioxid kann je nach der gewünschten Elastizität und Festigkeit des Enderzeugnisses gewählt werden. Üblicherweise enthält das Endprodukt 10 bis 50 Volumteile Süiziumdioxid auf 100 Volumteile der Mischung.

Die keramischen Fasern werden in die wässerige Dispersion von Süiziumdioxid mit mechanischen Vorrichtungen eingemischt, oder die keramischen Fasern werden in die wässerige Dispersion von Süiziumdioxid eingetaucht, oder die keramischen Fasern werden mit der Dispersion besprüht.

Nach Sättigung oder Imprägnation der keramischen Fasern wird die Masse in irgendeiner bekannten Art geformt, beispielsweise durch beheizte oder nichtbeheizte Gesenke, Formen, Strangpressen, beheizte Verfahren zur Herstellung von Gegenständen aus keramischen Fasern

Anmelder:

The Carborundum Company,

Niagara Falls, N. J. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. W. Cohausz, Dipl.-Ing. W. Florack und Dipl.-Ing. K. H. Eissei, Patentanwälte, Düsseldorf, Schumannstr. 97

Als Erfinder benannt:

Robert Arthur Campbell, Oak Park, Cook County, JH. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 27. Februar 1957 (642 906)

oder unbeheizte Walzen, Schleudern, oder aber die Masse wird auf eine Form oder auf ein Modell aufgesprüht.

Keramische Fasern bestehen hauptsächlich aus Aluminiumsilikat und sind feuerfest bis zu Temperaturen von 165O⁰C. Sie sind in den USA. unter der Warenbezeichnung »Fiberfrax« bekannt.

Die Dispersion von Süiziumdioxid ist in einer 30°/i,igen Lösung unter der Warenbezeichnung »Ludox« erhältlich und hat die folgenden physikalischen Eigenschaften bzw. chemische Zusammensatzung:

SiO₂ 29 bis 31 %

Na₂O 0,09 bis 0,11%

Na₂SO₄ 0,02°/₀

pH bei 25°C 8,2 bis 8,7

Viskosität bei 25⁰C 25 bis 50 cp

Gemäß F i g. 1 werden Mischwannen 5, 6 von einem Behälter 7 aus mit keramischen Fasern gefüllt, und aus den Leitungen 8, 9 tritt eine wässerige Dispersion von Süiziumdioxid in die Wannen. Es werden zwei solcher Wannen nebeneinander vorgesehen, so daß, wenn von einer der Wannen in die Formen abgefüllt wird, in der anderen Wanne die Mischung der Fasern und der Dispersion homogenisiert wird. Man benutzt eine 6- bis 7°/oige Faserkonzentration in der Mischung. Nach g«tem Durchmischen wird die Mischung in die

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oben offenen Formen 10 eingefüllt, die am Abfluß Bodensiebe haben. Die Seitenwände der Formen sind mit einer Aluminiumfolie ausgekleidet oder mit Silikonen belegt, um ein Ankleben zu verhindern. Die gefüllten Formen werden mit einem Förderband 11 nach der Stelle 12 befördert, wo die Mischung durch Stampfen oder Wal/en zusammengedrückt wird zwecks Entfernung von Lufteinschlüssen, wodurch sich auch eine bessere Oberfläche des Endproduktes ergibt. Der geformte Block wird dann in einen Ofen 13 befördert, wo er bei Temperaturen zwischen 150 und 260° C erhitzt wird zwecks Ausscheidens des Wassers in der Mischung. Das Endprodukt enthält vorzugsweise etwa 50 Volumteüe keramische Fasern auf 25 Volumteile der Dispersion von Sili/iumdioxid.

Bei einem derartigen Vorgehen verbleibt ein beträchtlicher Anteil Wasser in dem Körper, der durch Trocknung entfernt werden muß. Praktisch ist etwa ein Gewichtsverhältnis von 5,5 Teilen Siliziumdioxid und 250 mm Länge bestimmt und ergab folgende Daten:

Type

Zerreißfestigkeit kg/cm^!

Ohne Kruste
Mit Kruste .

0,21 0,27

1 · 4,6

Aus der Mischung 7 als Grundmischung wurden eine Anzahl von Körpern hergestellt. Nach Obengesagtem verblieben von 49,5 kg Siliziumdioxiddispersion 15,75 kg in dem zu trocknenden Körper. 33,75 kg der Siliziumdioxiddispersion flössen ab. Dieser Abfluß enthält die gleiche Siliziumdioxidkonzentration wie in dem Körper und kann bei nachfolgenden Körpern wieder verwendet werden. Für den nachfolgenden Gebrauch muß Siliziumdioxid und Wasser zugefügt

werden zwecks Ersatzes der in dem gerade vorher in der Dispersion auf 1 Teil Fasern vorhanden. Dieses 20 gegossenen Körper verbliebenen Menge. Bei 25 Kör-Verhältnis dient zur Errechnung der Siliziumdioxid- pern wurde das Abflußwasser hinsichtlich des Silizium

menge, die in dem Körper vor der Trocknung verbleibt. Um festzustellen, welche Siliziumdioxidmenge nach Verdampfung des Wassers in dem Körper verbleiben würde, wurden verschiedene Konzentrationen von dioxids inhaltlich untersucht mit folgenden Ergebnissen:

7o Siliziumdioxid

„.,. . ...... . , ,, j ,. , , , 1. Siliziumdioxiddispersion bei Beginn 8,8

SilmumdKJXKldKpersioncn hergestellt,und d,efolgende ₂ Siliziumdioxiddispersion vom Block abgelassen 8,8

3. Siliziumdioxiddispersion nach Zusatz zur

Mischung 2 9,09

³⁰ 4. Siliziumdioxiddispersion, abgelassen vom drei-Mischung

4,18 kg Siliziumdioxid
45,3 kg Wasser

Aufführung gibt die Konzentration in der Mischung vor dem Zusatz der Fasern an sowie die errechnete Konzentration in dem Körper nach der Trocknung. p, g
zehnten Block (bei Zusatz nach jedem Block) 7,7

2,9 kg keramische Fasern

Diese Mischung ergibt einen getrockneten Körper mit 40 bis 45°/₀ Siliziumdioxid-Festbestandteilen, auf die Fasern bezogen.

Mischungen

	... .	Wasser	1	Gewichtsprozent	Gewichtsprozent
	Silicium		Siliziumdioxid	Siliciumdioxid
Nr.	dioxid		in der Mischung	(bezogen auf die
		107		Fasern
	0,66	107	0,62	im Körper)
1	1,32	107	1,24	3,27
2	2,64	108,8	2,48	6,54
3	1,2	107,6	1,09	13,08
4	2,41	105,2	2,19	5,0
5	4,82	100,4	4,38	10,0
6	9.65	8,78	20,0
7		40,0

Die Mischungen 3, 5, 6 und 7 zeigten gemeinsam die Eigenschaften einer harten Außenfläche und einer weichen nachgiebigen inneren Struktur. Die Mischungen 1, 2 und 4 waren ziemlich weich und hatten an der äußeren Oberfläche eine weiche Kruste, was eine für die Praxis ungenügende Bindung anzeigt. Bei allen Fällen konnte ein Eindringen des Siliziumdioxids von der Außenkruste her festgestellt werden, wobei dann die jeweilige Härte von dem vorhandenen Siliziumidoxid abhängt.

Muster des Körpers der Mischung 7 wurden hinsichtlich Festigkeit untersucht. Die Zerreißfestigkeit wurde an Mustern von 25 mm Dicke, 152 mm Breite Diese Zahlen zeigen an, daß trotz der den keramischen Fasern eigenen Affinität mit kolloidalem Siliziumdioxid kein zusätzlicher Verlust an Siliziumdioxid eintritt und daß die Bindewirkung des Siliziumdioxids hauptsächlich von dem Trocknen und von dem Wasserentzug aus dem Körper herrührt.

Die Dispersion aus Siliziumdioxid und keramischen Fasern kann zum Gießen von Auskleidungen an Ort und Stelle benutzt werden oder zur Herstellung einfacher Formen.

Für den gewerblichen Gebrauch ist die niedrige Dichte der Auskleidung von Vorteil. Wird die Dichte einer gegossenen Auskleidung lim 0,28 bis 0,32 g/cm³ durch starkes Stampfen vergrößert, so entspricht die Auskleidung etwa einfach geformten Gegenständen, wie z. B. Zylindern, und hält die Form in nassem und auch in nicht getrocknetem Zustand.

Beim Gießen wird eine 10°/_oige Siliziumdioxidmischung verwendet, d.h. 90°/₀ sind Wasser. Der Mischung werden keramische Fasern zugesetzt und so durch Umrühren eine flüssige Masse gebildet. Tm allgemeinen beträgt der Faseranteil in der flüssigen Masse 5%, kann aber zwischen 1 und 15% variieren je nach der benutzten Mischvorrichtung. Auch der Anteil an Siliziumdioxid kann zwischen 1 und 30% variieren je nach der gewünschten Härte bzw. der in Aussicht genommenen Anwendung.

Eine typische Dispersion ist die folgende:

367,2 kg kolloidales Siliciumdioxid 3352 kg Wasser
184 kg keramische Faser

Diese Dispersion wird an Ort und Stelle gegossen oder in Formen mit einfacher Gestaltung eingestampft. Dann wird die Mischung getrocknet, um das Wasser zu entziehen und ein gebundenes Erzeugnis zu erhalten.

Bei gegossenen Auskleidungen, wie oben beschrieben, enthält das Abflußwasser die gleiche Konzentration an Siliziumdioxid wie die ursprüngliche Mischung.

Die keramischen Fasern können zu Matten, Tafeln, Bändern, Streifen, Schichten, Seilen. Lunten oder Geweben gepreßt werden. Grundsätzlich ist nur notwendig, daß die Fasern mit der Siliziumdioxiddispersion gesättigt oder imprägniert sind und daß die imprägnierte Masse verfestigt ist. Wird das Material nicht verfestigt, ergibt sich ein poröseres und weniger starres Produkt, das für verschiedene Anwendungszwecke nicht die notwendige Festigkeit besitzt.

F i g. 2 zeigt eine Art der-Behandlung der geformten Fasermasse. Ein kontinuierlicher Streifen bzw. eine Matte 14 aus keramischen Fasern wird über eine Zuführungswalze 15 nach unten um eine Tauchwalze 16 auf der entgegengesetzten Seite nach oben über eine andere Walze 17 geführt. Die Tauchwalze. 16 taucht teilweise in eine 30°/₀ige Siliziumdioxiddispersion 18 in den Tank 19 ein. Auf diese Weise wird das keramische Fasermaterial mit der Dispersion gesättigt oder imprägniert,während es sich um die untere Fläche der Walze 16 bewegt. Der Streifen läuft weiter zwischen zwei gegenüberliegende Druckwalzen 20, die die überflüssige Siliziumdioxiddispersion ausdrücken. Diese überflüssige Dispersion fließt zwecks Wiederverwendung in den Tank 19 zurück.

Das imprägnierte Material aus keramischer Faser wird beim Durchlauf zwischen einem oder mehreren Paaren gegenüberliegender beheizter Walzen 21 getrocknet.

Das imprägnierte Material kann auch in Streifen geschnitten werden, die zwischen behei/te Metallplatten gelegt werden und auf diese Weise gepreßt werden. Zur Erzielung einer glatten Oberfläche des Endproduktes ist es aber zweckmäßig, das imprägnierte Material wiederholt zwischen Walzen zu walzen. Das Material kann auch zwischen nicht beheizten Walzen gewalzt und danach in einen Ofen gebracht werden, wo die überflüssige Flüssigkeit durch Hitze entfernt wird. Dies ergibt jedoch eine nicht so glatte Oberfläche wie beim Walzen zwischen beheizten Walzen.

Auf die beschriebene Weise können Rohre, Halbrundstücke und Kegel aus der imprägnierten Fasermatte hergestellt werden. Rohre können durch Umwickeln einer biegsamen Matte um einen Kern oder durch Pressung zwischen den Wänden konzentrischer Zylinder hergestellt werden.

Vor der imprägnation mit der Siliziumdioxiddispersion und vor der Trocknung ist das keramische Fasermaterial weich, und aus diesem Grunde kann es notwendig sein, zusätzlicheStützwalzen zu verwenden beim Durchlaufen der Vorrichtung.

Rei Erhitzung des imprägnierten keramischen Fasermaterials hat sich ergeben, daß die Anwendung einer Temperatur von 26Q"C während 15 bis 60 Minuten genügt, um alles Wasser zu entfernen. Temperatur und Zeitdauer der Erhitzung hängt in erster Linie von der Dicke des Materials und von der Formgebung des Gegenstandes ab.

F i g. 3 zeigt eine Abwandlung zu Fig. 2, bei der die Menge der dem keramischen Fasermaterial zugeführten Siliziumdioxiddispersion besser gesteuert werden kann. Der aufgewickelte Streifen 22 keramischen Fasermaterials (Matte, Streifen, Band, Filz, Gewebe usw.) wird unterhalb einer Zuführungswalze 23 nach oben über eine angetriebene Belagwalze 24 geführt.

Die untere Fläche der Belagwalze 24 taucht in eine 30°/₀ige Siliziumdioxiddispersion 25 in dem Tank 26 ein. Ein Teil der Lösung haftet an der Oberfläche der Belagwalze, bewegt sich nach oben und kommt so mit dem keramischen Fasermaterial in Berührung, wenn sich die Belagwalze dreht. Wenn sich der Antrieb der Belagwalze mit gleicher Geschwindigkeit und in gleicher Richtung bewegt wie das keramische Fasermaterial, ist die der Fasermatte zugeführte ίο Menge der Siliziumdioxiddispersion gleich der an der Oberfläche der Belagwalze anhaftenden Menge. Bewegt sich aber die Belagwalze mit größerer Geschwindigkeit als der Vorschub der keramischen Fasermaterials und in gleicher Richtung, wird die Süiziumdioxiddispersion in das keramische Fasermatcrial hineingedrückt, so daß eine vollständige Sättigung oder Imprägnierung des keramischen Fascrmaterials erfolgt. Nach Verlassen der Belagwalze bewegt sich das imprägnierte Material um eine Rolle 27 in entgegengesetzter Richtung, und überschüssiges Siliziumdioxid tropft in den Tank 26 zurück bzw. wird gegen einen sich nach oben erstreckenden Teil in den Tank 26 geschleudert. Der Überschuß an Siliziumdioxid kann also wieder verwendet werden. Dann bewegt sich das Material über eine oder mehrere Stützrollen 28 in eine Formvorrichtung 29. Hier wird das keramische Fasermaterial auf irgendeine der bekannten Arten geformt, beispielsweise durch Gesenke, Formen, Walzen od. dgl. Das imprägnierte Fasermaterial kann die Formvorrichtung 29 auch flach durchlaufen, ohne daß hier eine Formgebung erfolgt.

Das geformte oder flache Material gelangt dann in einen Trockenofen 30, in.dem das Wasser aus der Siliziumdioxiddispersion durch Hitze entfernt wird. Das Formen und/oder Trocknen des imprägnierten Materials kann auch zwischen den gegenüberliegenden Walzen 31 erfolgen, zwischen denen das Material durchläuft. Diese Walzen können an einer beliebigen Stelle des Herstellungsvorganges vorgesehen werden und erzeugen eine glatte Oberfläche des imprägnierten Materials. Die Walzen 31 können beheizt oder nicht beheizt sein, je nach der gewünschten OberflächenbcschafTenheit. Die Walzen können vor oder hinter dem Trockenofen liegen.

Fig. 4 zeigt eine weitere Möglichkeit des Imprägnierens und Formens des keramischen Fasermaterials. Ein Band von keramischem Fasermaterial 32 wird in einer Sprühkammer 33 mit Düsen 34 zugeführt, die einen Strahl 35 Siliziumdioxiddispersion auf das keramische Fasermaterial spritzen, das sich durch den unteren Teil der Sprühkammer hindurchbewegt. Diese Sprühdüsen gestatten eine genaue Mengenregelung des auf das keramische Fasermaterial aufzuspritzenden Siliziumdioxids. Die Sprühkammer hat, wie üblich, untere Sammelplatten 36, die die Lösung zwecks Wiederzuführung zu den Düsen 34 auffangen. Das imprägnierte keramische Fasermaterial gelangt dann durch das Förderband 38 in eine Formvorrichtung 37 beliebiger Art. Hier wird der Faserstreifen auf irgendeine Art geformt, oder er durchläuft diese Vorrichtung flach, falls ein flaches Endprodukt erwünscht ist. Von der Formvorrichtung gelangt das imprägnierte keramische Fasermaterial in einen beheizten Trockenofen 39, in dem das Wasser aus der Siliziumdioxiddispersion entfernt wird. Auch hier können in dem Herstellungsgang beheizte oder unbeheizte Walzen vorgesehen sein, um an dem Endprodukt glatte Oberflächen zu erzeugen.

Das Trocknen des imprägnierten keramischen Fasermaterials erfolgt, gleichgültig ob dieses geformt oder flach ist, zwischen Raumtemperatur und 1100⁰C, vorzugsweise bei Temperaturen zwischen 200 und 370"C. Wenn kurzzeitiges Trocknen angewendet wird, so erfolgt dies bei 430 bis HOO⁰C.

Das auf diese Weise hergestellte Erzeugnis kann noch weiter behandelt werden, beispielsweise kann das getrocknete Erzeugnis zusätzlich mit einer Siliziumdioxiddispersion bespritzt und leicht gewalzt werden, um eine glatte, im wesentlichen wasserabstoßende Oberfläche zu erzeugen.

Zur Erzeugung einer besonders großen Festigkeit im Endprodukt werden zwei imprägnierte Faserstreifen auf die gegenüberliegenden Seiten eines gewebten Faserglasbogens gelegt. Die Schichten werden dann zusätzlich mit Siliziumdioxiddispersion getränkt, zwischen zwei Walzen gewalzt und dann getrocknet. Das Material kann auch zwischen beheizten Walzen gewalzt werden, um das Wasser zu entziehen, so daß sich ein sehr festes Erzeugnis mit glatter Oberfläche ergibt. Das getrocknete Fasererzeugnis kann auch mit bekannten Mitteln wasserundurchlässig gemacht werden.

Das imprägnierte keramische Fasermaterial ist besonders geeignet zur Herstellung von wieder verwendbaren Formen für die Schnellfabrikation in Gießereien. Besonders ist das Material geeignet für das Vergießen von NE-Metallen, beispielsweise Aluminium oder Messing. Das Material kann aber auch für Eisen und Stahlguß verwendet werden, obwohl die Temperaturen dieser Metalle im geschmolzenen Zustand viel höher sind als Aluminium oder Messing.

Das gebundene keramische Fasermaterial kann bei hohen Temperaturen für Dichtungen und Packungen verwendet werden, da es genügend elastisch ist. Weiter ist das Material sehr geeignet für Hitze- oder elektrische Isolierung von Kabeln oder Kesseln. Das Material kann beispielsweise auch für Geschosse mit hoher Geschwindigkeit verwendet werden, wo ein hoher Hitzewiderstand erwünscht ist.

Der wesentliche Vorteil ist die hohe Festigkeit und das geringe Schrumpfen bei Erhitzung auf 1260⁰C.

Eine weitere Verwendungsart das Materials ist die Herstellung von Gegenständen, welche den Schall schlucken bzw. feuerfest oder sonst isolierend sind. Das Belegen der Oberflächen der Gegenstände mit einer Zusammensetzung von 60 Gewichtsprozent keramischen Fasermaterials und 40 Gewichtsprozent Siliziumdioxids kann mit üblichen Spritzpistolen erfolgen. Der belegte Gegenstand kann in der Luft oder in einem Ofen oder durch infrarote Lampen getrocknet werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Gegenständen aus keramischen Fasern, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern mit einer wässerigen Dispersion von Siliziumdioxid mit kolloidaler Partikelgröße vermischt werden und daß die Dispersion wenigstens 10% der in der Mischung enthaltenen Fasermenge auf Trockenbasis an Siliziumdioxid enthält, worauf aus der Mischung unter Druck ein Körper geformt wird, der dann getrocknet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trocknen bei einer Temperatur von Raumtemperatur bis 37O⁰C erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trocknen durch kurze Anwendung einer Temperatur von 430 bis 1100⁰C erfolgt.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 734 346;

Unterlagen der deutschen Patentanmeldung
Sch 12902, (bekanntgemacht am 28. 7. 1955);

Hallemann-Wiberg, Lehrbuch der anorganischen Chemie«, 1956, S. 338.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen