DE19922954A1

DE19922954A1 - Anorganische Textilfaserwerkstoffe insbesondere für den Einsatz in Abgaskonvertern für Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE19922954A1
Application number: DE1999122954
Authority: DE
Inventors: Robin Richter; Thomas Focke; Sven Lehr
Original assignee: Belchem Fiber Materials GmbH
Current assignee: Belchem Fiber Materials GmbH
Priority date: 1999-05-19
Filing date: 1999-05-19
Publication date: 2000-11-23
Anticipated expiration: 2019-05-20
Also published as: DE19922954C2; DE19922954C5

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft anorganische Textilfaserwerkstoffe auf der Basis von hochtemperaturbeständigen, hochtextilen, Al¶2¶O¶3¶-modifizierten Kieselsäurestapelfasern, die als Gestricke oder als aus Nadelfliesstoffen gebildete Rundnadelschläuche vorliegen, welche aus hochtemperaturbeständigen, hochtextilen, Al¶2¶O¶3¶-modifizierten Kieselsäurestapelfasern hergestellt wurden, und eine Rohdichte von 60 bis 350 kg/m·3·, eine Dicke von 1 bis 30 mm und, bei Drücken bis 2 MPa, ein Kompressionsverhalten von 10 bis 95%, bezogen auf die Rohdichte und Dicke im unkomprimierten Zustand, aufweisen, die Verwendung dieser Textilfaserwerkstoffe als Ersatz für Federmatten (Quellmatten) in Abgaskonvertern für Brennkraftmaschinen sowie einen Abgaskonverter für Brennkraftmaschinen, welcher solche Textilfaserwerkstoffe enthält.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft anorganische Textil faserwerkstoffe gemäß Patentanspruch 1, die Verwendung die ser Textilfaserwerkstoffe als Ersatz für Federmatten (Quellmatten) in Abgaskonvertern für Brennkraftmaschinen gemäß Patentanspruch 9 sowie einen Abgaskonverter für Brennkraftmaschinen, welcher diese Textilfaserwerkstoffe enthält, gemäß Patentanspruch 15.

Die erfindungsgemäßen Textilfaserwerkstoffe sind Gestricke oder Nadelvliesstoffe in runder Form (Rundnadel schläuche; z. B. sogenannte "Rondex®-Schläuche") aus hoch temperaturbeständigen, hochtextilen, Al₂O₃-modifizierten SiO₂-Stapelfasern, die mit weiteren Textilprodukten auf Basis hochtemperaturbeständiger, hochtextiler, modifizier ter SiO₂-Stapelfasern, wie z. B. Nadelmatten, kombiniert sein können. Die Erfindung betrifft weiterhin den Einsatz der genannten Textilfaserwerkstoffe als Ersatz für Feder matten (Quellmatten) in Abgaskonvertern für Brennkraftma schinen. Unter Abgaskonverter wird hierbei ein keramischer Körper (Monolith) verstanden, der über einen anorganischen Textilfaserwerkstoff auf Basis hochtemperaturbeständiger, hochtextiler, modifizierter SiO₂-Stapelfasern oder eine geeignete Kombination dieser Textilfaserwerkstoffe in einem Metallgehäuse radial und axial fixiert ist. Der Monolith ist vorwiegend mit einer katalytisch aktiven Substanz beschichtet (katalytische Reinigung von Abgasen).

Nach der PCT/DE98/01336 des gegenwärtigen Anmelders ist ein Al₂O₃-haltiges, hochtextiles und hochtemperaturbestän diges Glasstapelfaservorgarn auf Kieselsäurebasis mit einem baumwollartigen, voluminösen Charakter bekanntgeworden, das zu vielfältigen textilen Folgeprodukten, wie Geweben, Nadelmatten, Schnüren, Bändern, Schläuchen, Packungen, Faserpapieren und Faserplatten, verarbeitbar ist. Dieses Glasstapelfaservorgarn auf Kieselsäurebasis und die hieraus hergestellten Textilprodukte können u. a. auch für die ther mische und akustische Dämmung in der Automobilindustrie eingesetzt werden. Gestricke und Vliesstoffe in runder Form (Rundnadelschläuche), die als Ersatz für Federmatten (Quellmatten) in Abgaskonvertern, wo neben der thermischen und akustischen Isolationswirkung auch eine entsprechende Elastizität der Faserwerkstoffe im Einsatzfalle gefordert ist, wurden jedoch noch nicht beschrieben.

Als Federmatten in Abgaskonvertern werden bisher kera mische Faservliesmatten verwendet, die den Spaltbereich zwischen Metallgehäuse und Monolith einnehmen. Diese Quell matten enthalten zusätzlich Expansionsteilchen (Hydroglim mer, z. B. Vermiculit), die sich bei Erwärmung ausdehnen. Hierdurch wird der Spalt ausgefüllt und damit der Monolith innerhalb des metallischen Gehäuses verankert. Diese Anord nung soll verhindern, daß die Lage der Isolationsmatte durch die Wirkung des anblasenden, pulsierenden Abgasstro mes radial und/oder axial verändert wird, wodurch Vibratio nen im Fahrzeugbetrieb verursacht, oder der keramische Kör per sogar zerstört werden können. Für das Erreichen des Expansionszustandes ist zumindest eine einmalige Erwärmung auf 400°C im Regelfall, auf 260°C bei Zündung eines zusätz lichen Reaktionsgemisches (DE 92 00 842), erforderlich. Nachteile dieser, aus dem Stand der Technik bekannten, Quellmatten sind jedoch u. a. folgende:

- Sie basieren auf keramischen Fasern, die als lungengän gige faserförmige Partikel (Fasern gemäß WHO-Definition mit Faserlänge < 5 µm, Durchmesser < 3 µm und Länge/Durchmesser-Verhältnis < 3/1) potentielle Gesund heitsgefahren auslösen können.
- Sie enthalten einen beträchtlichen Anteil an organi schem Bindemittel (z. B. 6-8% Acryl-Latex in der DE 92 00 842). Die Freisetzung oder Zersetzung dieser Binde mittel führt im Einsatzfalle zumindest zu einem parti ellen Verlust der Elastizität (Federwirkung) der Quell matte. Außerdem kann die Freisetzung oder oxidative Spaltung dieser Bindemittel ebenfalls eine potentielle Gesundheitsgefährdung darstellen.
- Die Federwirkung reduziert sich in wiederholten Fahr zeugzyklen, da die Expansionswirkung der eingelagerten Blähglimmerteilchen nur bis Temperaturen von ca. 750°C reversibel abläuft, im Abgaskonverter jedoch wiederholt Temperaturen oberhalb von 750°C anfallen.
- Die Glimmerpartikel verursachen Reibungen auf den Fasern. Infolge dieser mechanischen Belastungen werden nach und nach zahlreiche Fasern zerstört.

Um den Anforderungen an die thermische und akustische Isolationswirkung bei gleichzeitiger Elastizität (Federwir kung) gerecht zu werden, wurden im Stand der Technik zahl reiche weitere Versuche beschrieben, die von geeigneten Kombinationen verschiedener Materialien und Anordnungen ausgehen. Diese Versuche zielen darauf ab, einen verbesser ten Erosionsschutz der Isolationsmatten mit Expansionswir kung zu erreichen (insbesondere im Bereich der Abgasein- und Austrittsstutzen des Abgaskonverters) oder die gewünschte Federwirkung der entsprechenden Konstruktion einzustellen bzw. zu erhöhen. Die DE 38 35 841 beschreibt z. B. ein Abstützelement, das die Wärmeisolationseinlage unterbricht. Dieses Element besteht aus einem keramischen Faserkern, der einen Anteil von 10-50% weiteren Fasern und/oder Materialien enthält, die die Elastizität erhöhen. Diese Materialien sind Glas- und Drahtfäden (auch in Gestrickform) oder Blähglimmerteilchen. Für die Umhüllung dieses Abstützelementes werden Drahtgewebe, Drahtgestricke, Quarzglasgespinste und -gestricke sowie Keramikgewebe und -gestricke vorgeschlagen. Desweiteren ist nach der DE 40 09 945 ein Faserdichtring bekanntgeworden, der aus Metall-, Mineral- und/oder Keramikfasern in Form von Matten, Vlies, Gestrick und Gewirk, vorzugsweise mit einem stabilen Kern aus Metall oder Keramik, besteht. Jedoch gelingt es mit diesen bereits bekannten Konstruktionen nicht, eine voll ständige Substitution der Quellmatten herbeizuführen. Zeit lich weiter zurückliegende Versuche mit dem Ziel, die Ein bettung des Monolithen in das Metallgehäuse durch kerami sche Faserschichten sicherzustellen, die sich über den gesamten Konverterbereich erstrecken, konnten sich nicht durchsetzen (DE 22 13 539, DE 22 61 663). Diese keramischen Fasern (Aluminiumsilicatfasern wie z. B. Fiberfrax® und Cerafelt®) werden durch den anblasenden Abgasstrom ausge tragen bzw. zerstört.

Ausgehend von diesem bekannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, geeignete Textilfaser werkstoffe bereitzustellen, die als Substitute der bekann ten Federmatten (Quellmatten) in Abgaskonvertern für Brenn kraftmaschinen einsetzbar sind. Diese bekannten Quellmatten sollen dabei möglichst vollständig ersetzt werden können. Die erfindungsgemäßen Textilfaserwerkstoffe sollen aus hochtemperaturbeständigen, amorphen, modifizierten SiO₂- Stapelfasern hergestellt werden, die zusätzlich zu sehr guten thermischen und akustischen Isolationseigenschaften auch eine ausreichende elastische Rückstellfähigkeit gewährleisten. Die Funktionswirkung dieser Textilfaserpro dukte im Konvertereinsatz soll dabei vorliegen, ohne daß zusätzliche Komponenten, wie z. B. organische Bindemittel, Metall- oder Quarzglasfäden etc. eingebracht werden müssen. Die Quellmattensubstitute sollen eine ausgezeichnete ther mische Beständigkeit (auch bei Temperaturen oberhalb 750°C) und eine sehr gute chemische Beständigkeit aufweisen. Bei Einsatz dieser elastischen Textilfaserwerkstoffe als Quell mattenersatz in Abgaskonvertern soll der keramische Mono lith auch in wiederholten Betriebszyklen innerhalb seines metallischen Gehäuses radial und axial sicher fixiert wer den können, ohne daß zusätzliche Maßnahmen, wie z. B. die Einbringung von Expansionsteilchen, erforderlich sind. Das elastische Rückstellvermögen der Textilfaserwerkstoffe soll auch bei hohen Temperaturen soweit erhalten bleiben, daß eine sichere Lagerung des Monolithen ermöglicht wird. Die Faserquerschnitte der eingesetzten anorganischen Fasern sollen dabei in einem gesundheitlich unbedenklichen Bereich liegen. Der amorphe Zustand dieser Fasern soll auch nach dem Einsatz als Quellmattenersatz in Abgaskonvertern erhal ten bleiben, um eine Gesundheitsbelastung durch kristalli nen Staub zu vermeiden.

Zur Lösung dieser genannten Aufgaben wird zunächst von dem in der PCT/DE98/01336, auf welche in der vorliegenden Anmeldung vollinhaltlich Bezug genommen wird, offenbarten Fasermaterial ausgegangen. Wie in der PCT/DE98/01336 beschrieben, ist dieses Fasermaterial bis zu Temperaturen von ca. 1100°C beständig, ist durch eine Extraktion eines Glasstapelfaservorgarns mit einer anorganischen oder orga nischen Säure erhältlich und enthält die folgenden Kompo nenten in den angegebenen Massebestandteilen:
85 bis 99 Masse-% SiO₂
1 bis 5 Masse-% Al₂O₃
0 bis 10 Masse-% Na₂O und/oder K₂O
0 bis 3 Masse-% CaO
0 bis 2 Masse-% MgO
0 bis 2 Masse-% B₂O₃
0 bis 1 Masse-% TiO₂
0 bis 1 Masse-% Fe-Oxide, insbesondere Fe₂O₃
0 bis 1 Masse-% ZrO₂
0 bis 0,5 Masse-% BaO
0 bis 0,5 Masse-% PbO
0 bis 0,5 Masse-% ZnO
0 bis 0,5 Masse-% Cr₂O₃ und
0 bis 0,5 Masse-% F.

Dabei hat sich überraschenderweise gezeigt, daß sich aus dem bekannten Al₂O₃-haltigen, hochtemperaturbeständigen und hochtextilen Glasstapelfaservorgarn auf Kieselsäureba sis mit baumwollartigem, voluminösem Charakter Gestricke und Rundnadelschläuche auf Stapelfaserbasis fertigen las sen, die sich hervorragend als Quellmattenersatz in Abgas konvertern für Brennkraftmaschinen eignen. Diese Gestricke und Rundnadelschläuche weisen, aufgrund ihres voluminösen, flauschig-weichen Charakters, eine beachtliche Elastizität bei mechanischer Beanspruchung auf, die nicht erwartet wer den konnte. Diese Elastizität geht mit dem gewünschten Rückstellverhalten im Konvertereinsatz einher. Bringt man diese elastischen Textilfaserwerkstoffe in geeigneter Weise, anstelle einer üblichen Quellmatte, in den Spalt zwischen Metallgehäuse und keramischen Monolithen ein, wird beim erstmaligen Aufheizen eine Verfestigung der anorgani schen Textilien bewirkt. Ursache hierfür ist das Abreagie ren von OH-Gruppierungen beim Erwärmen auf 500-1000°C, da das SiO₂-Netzwerk des Fasermaterials bis zu 40% endstän dige Si-OH-Gruppen enthält. Diese Verfestigung war an sich unerwünscht, da hierdurch die Elastizität reduziert wird. Überraschenderweise wurde jedoch beobachtet, daß die von der Textilfaserkonstruktion auf den Keramikkörper ausgeübte Kraftwirkung (Montagespannung) nach der thermischen Bela stung mitunter sogar deutlich zunahm. Nach wiederholten Temperaturwechselzyklen zwischen 25 und 1000°C wurde keine oder nur eine geringe Veränderung der Montagespannung regi striert. Auch das elastische Rückstellverhalten war bei diesen Textilfaserwerkstoffen zumindest noch soweit ausge prägt, daß die Montagespannung deutlich oberhalb der erfor derlichen Mindestspannung (Haltespannung) lag. Das überra schend positive Verhalten der erfindungsgemäßen Textilfa serwerkstoffe in zahlreichen Temperaturwechselzyklen ist auch durch einen vorteilhaften Wärmeausdehnungskoeffizien ten bedingt. Zwischen 200 und 1000°C beträgt dieser z. B. ca. 0,5.10^-6 K^-1, woraus eine ausgezeichnete Temperatur wechselbeständigkeit resultiert. Da sich der Wärmeausdeh nungskoeffizient der Spalteinlage in Abhängigkeit von der Temperatur nicht ändert, ist eine sichere Lagerung des Monolithen im Metallgehäuse möglich. Ebenso unerwartet war, daß der anblasende pulsierende Abgasstrom nicht zum Austra gen oder gar einer vollständigen Zerstörung der amorphen, modifizierten SiO₂-Stapelfasern führt. Ursache hierfür ist, daß für die erfindungsgemäßen anorganischen Textilien eine stabilisierende Struktur im textilen Fertigungsprozeß vor gebildet wurde. Selbst wenn einzelne Fasern aus dem Verbund entfernt werden, bleibt die Funktionswirkung (thermische und akustische Isolierung sowie Kraftwirkung auf den Mono lithen) erhalten. Besteht die Isolationseinlage im Spalt zwischen Metallgehäuse und Keramikkörper ausschließlich aus einem 20 mm dicken, einlagigen Nadelvlies (Rohgewicht 80 kg/m³) gemäß der PCT/DE98/01336, wird ein wesentlich schnellerer Abfall der Montagespannung in wiederholten Tem peraturwechselzyklen verursacht, da Fasern aus diesem ver gleichsweise lockeren Faserverbund leichter ausgetragen werden können. Derartige Nadelmatten sind jedoch ausge zeichnet als Einlage zwischen den erfindungsgemäßen Gestricken bzw. Rundnadelschläuchen geeignet, da sie die elastische Rückstellkraft erhöhen und die thermische Isola tionswirkung verbessern. Beispielsweise betrug die Wärme leitfähigkeit eines zweilagigen erfindungsgemäßen Gestrickes, das monolithseitig zusätzlich ein 4 mm dickes Nadelvlies mit geringer Rohdichte (85 kg/m³) enthielt (Fig. 8b), 0,05 W/mK bei 500°C und 0,35 W/mK bei 1000°C. Bevorzugte Rohdichten der Nadelvlieszwischenlagen sind 60-120 kg/m³.

Bei der Montage der Abgaskonverter können die erfin dungsgemäßen Textilfaserwerkstoffe leicht in die Metallge häuse eingebracht werden. Ob ein- oder mehrschalige Gehäuse vorliegen, ist hierbei nicht von Belang. Die Elastizität der Textilfaserwerkstoffe ist so hoch, daß montageseitig bevorzugt eine ca. zwei- bis dreifache Gesamtdicke als Spalteinlage verwendet wird. Bei erstmaligem thermischen Einsatz erfolgt in der Regel eine Verdichtung, wodurch das Spaltmaß exakt ausgefüllt werden kann. Beispielsweise kann ein zweilagiger Rundnadelschlauch mit einer Gesamtdicke von 8 mm eingesetzt werden, um ein Spaltmaß von 3,5 mm zu rea lisieren (Fig. 6). In einer weiteren vorteilhaften Ausfüh rungsform ist es jedoch auch möglich, die Textilfasermate rialien vorab thermisch zu verdichten und anschließend gegebenfalls als paßgenauen Zuschnitt zu applizieren.

Die Herstellung der erfindungsgemäßen Gestricke auf Stapelfaserbasis kann von hochtemperaturbeständigen, Al₂O₃- modifizierten Stapelfaservorgarnen, -garnen und -zwirnen ausgehen, wie sie die PCT/DE98/01336 offenbart. Dabei hat es sich gezeigt, daß Stapelfaservorgarne mit Schutzdrehung und hieraus gefertigte Stapelfasergarne, aufgrund ihrer hohen Voluminosität, insbesondere dort verwendbar sind, wo ein hohes elastisches Rückstellvermögen der erfindungsgemä ßen Gestricke gefragt ist. In einer bevorzugten Ausfüh rungsform werden Glasstapelfaservorgarne auf Kieselsäureba sis mit 15-50 Schutzdrehungen (in Z-Richtung) und Stapelfa sergarne mit 50-140 Drehungen, bevorzugt in Z-Richtung, eingesetzt. Vorteilhafterweise können Stapelfaservorgarne und -garne mit Feinheiten von 180, 275 bzw. 550 tex verwen det werden. Es sind aber auch andere Vorgarn- und Garnfein heiten geeignet. Feinheiten zwischen 100 und 2000 tex sind hierbei bevorzugt. Steht jedoch eine höhere mechanische Stabilität der erfindungsgemäßen Gestricke im Vordergrund, werden vorzugsweise Al₂O₃-modifizierte Stapelfaserzwirne eingesetzt. Vorteilhaft sind dabei Zweifachzwirne, die aus o. g. Stapelfaservorgarnen mit Schutzdrehung oder Stapelfa sergarnen gefertigt wurden. Diese Zwirne auf Stapelfaserba sis weisen bevorzugt 80-150 Drehungen in Z- oder S-Richtung auf. Die Stapelfaservorgarne mit Schutzdrehung sowie Sta pelfasergarne und -zwirne werden anschließend auf handels üblichen Strickmaschinen zu erfindungsgemäßen Gestricken auf Stapelfaserbasis verarbeitet. Hierbei können grobe oder feine Maschen gebildet werden. Bei der Herstellung ver gleichsweise geschlossener Gestricke werden vorzugsweise 1 : 1-Rippen eingesetzt, während für offenere Strickwaren üblicherweise 2 : 2-Rippen zur Anwendung gelangen. Geschlos senere Gestricke sind jedoch bevorzugt, da sie in der Regel eine höhere Montagespannung auf den Monolithen ausüben. Vorteilhaft können aber auch Ausführungen in Single-Bindung sein, wobei die auf diese Weise hergestellten, geschlosse nen Strickwaren überwiegend geringere Elastizitäten, aber hohe Festigkeiten und ebenfalls ein günstiges Kompressions verhalten aufweisen. Für den Einsatz als Quellmattenersatz in Abgaskonvertern können in diese Gestricke weitere, in der PCT/DE98/01336 beschriebene, anorganische Textilproduk te eingearbeitet werden. Diese Textilprodukte können z. B. Dichtungsschnüre und -schläuche oder Packungen in runder und viereckiger Form sein, die als zusätzliche Verstär kungsstellen dienen. Es sind jedoch auch Materialien aus Metall- oder Quarzglasfäden möglich. Diese Verstärkungsma terialien können zu einer weiteren Verbesserung des elasti schen Rückstellverhalten beitragen. Für die Ausübung der Funktionswirkung sind sie indes nicht zwingend erforder lich. Darüberhinaus ist es ebenfalls vorteilhaft, diese erfindungsgemäßen Gestricke mit Metallfolien auszurüsten.

In der PCT/DE98/01336 wurde bereits darauf hingewiesen, daß sich das beschriebene anorganische Fasermaterial auf Kieselsäurebasis in textilen Fertigungsstufen wie eine Baumwollfaser verarbeiten läßt. Es konnte jedoch nicht erwartet werden, daß aus diesem bekannten Stapelfasermate rial auch Nadelvliesstoffe in runder Form (Rundnadel schläuche) sehr leicht zugänglich sind, da die anorgani schen Fasern auf den verwendeten Rundnadelmaschinen enormen mechanischen Belastungen unterliegen. Überraschenderweise hat sich jedoch gezeigt, daß neuartige Rundnadelschläuche (z. B. Rondex®-Schläuche) auf der Basis amorpher, Al₂O₃- modifizierter SiO₂-Stapelfasern auf Rundnadelmaschinen (z. B. Typ DILO) gefertigt werden können. Diese Rundnadel schläuche weisen ein überraschend hohes elastisches Rück stellvermögen auf, so daß sie als Quellmattensubstitute in Abgaskonvertern besonders prädestiniert sind. Die Vliesbil dung kann dabei auf bekannten Krempel- oder Kardiervorrich tungen erfolgen. Es sind jedoch auch Gebläsevliesmaschinen geeignet, wobei die Vlieslagen im Luftlegeverfahren abge legt werden. Anschließend kann der Vliesstoff in Streifen form geschnitten und weiterverarbeitet werden, vorzugsweise wird er jedoch als Rollenware eingesetzt. Rollenbreiten bis 40 cm sind dabei bevorzugt. Die anschließende mechanische Verfestigung erfolgt auf Rundnadelmaschinen, indem Nadeln eines Nadelbalkens durch die Lochperforationen eines rctie renden Edelstahlrohres geführt werden. Der Rohrquerschnitt bestimmt dabei den Durchmesser des gebildeten Rondex®- Schlauches. Es sind z. B. Schlauchdurchmesser zwischen 20 und 180 mm möglich. Bevorzugt sind Durchmesser zwischen 60 und 100 mm, vorzugsweise 80 bis 90 mm. Der Abzug des gebildeten Vlieses erfolgt über einen Schneckenantrieb.

Ist eine zusätzliche Elastizitätserhöhung gewünscht, können die anorganischen Stapelfasern auch zweckmäßiger weise gemeinsam mit organischen Trägerfasern gekrempelt oder kardiert werden. Die Al₂O₃-modifizierten SiO₂-Stapel fasern sind dabei sehr gut mit organischen Fasern mischbar, da die anorganischen Fasern eine vergleichsweise geringe Dichte (2,1 g/cm³) und eine hohe Voluminosität aufweisen (Schüttdichte von 6 mm-Schnittfasern z. B. 50 kg/m³). Als organische Fasern können beipielsweise Polyester-, Polya mid- oder p-Aramid- oder weitere Fasern eingesetzt werden. Es sind aber organische Fasern bevorzugt, die beim erstma ligem Erwärmen keine gesundheitsgefährdenden Bestandteile freisetzen (z. B. Polyesterfasern). Durch gemeinsame Verar beitung mit diesen organischen Trägerfasern sind Composite- Rundnadelschläuche mit einem Anteil von z. B. 10% Polyester leicht zugänglich. Die Composite-Produkte weisen dabei vor zugsweise nur geringe Anteile an organischen Komponenten auf (maximal 25%). Anteile an organischer Trägerfaser zwi schen ca. 5 und 15% sind für diese Materialien bevorzugt. Im erstmaligen Einsatz dieser Produkte als Quellmattener satz in Abgaskonvertern werden die organischen Komponenten bzw. hieraus gebildete Zersetzungsprodukte freigesetzt. Die Funktionswirkung der anorganischen Textilfaserwerkstoffe bleibt dabei jedoch vollständig erhalten. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist es auch bei der Herstel lung der erfindungsgemäßen Rundnadelschläuche möglich, zusätzliche Materialien und/oder Vorrichtungen einzubezie hen, die als zusätzliche Verstärkungsstellen dienen und das elastische Rückstellvermögen weiter verbessern können. Diese zusätzliche Materialien können beispielsweise Metall- und Quarzglasfäden sein. Hierfür sind aber auch hochtempe raturbeständige, Al₂O₃-modifizierte Glasstapelfaserprodukte auf Kieselsäurebasis gemäß PCT/DE98/01336, z. B. in Form von Garnen, Zwirnen, Gewebeabschnitten verschiedener Breiten, Schnüren, Schläuchen oder runden bzw. viereckigen Packun gen, sehr gut geeignet. Auch für diese Textilfaserwerkstof fe kann wahlweise eine Ausrüstung mit Metallfolien gegeben sein.

Die Zeichnungen 1 bis 6 zeigen einige vorteilhafte Aus führungsformen und dienen der weiteren Verdeutlichung der Erfindung.

Fig. 1

Zwischen einem Metallgehäuse 1 und einem keramischen Monolithen 2 eines Abgaskonverters für Brennkraftmaschinen ist ein zweilagiges erfindungsgemäßes Gestrick aus einem einlagigen erfindungsgemäßen Gestrick 3 (Dicke 4 mm) und einem einlagigen erfindungsgemäßen Gestrick 4 (Dicke 2 mm) angeordnet.

Kompressionsverhalten: 70% Dickenkompression bei Kom pressionsdruck 1 MPa (bezogen auf Dicke 6 mm und Roh dichte 80 kg/m³ im unkomprimierten Zustand)
Verwendetes Garnmaterial: 550 tex Z110 × 2 S100 (Sta pelfaserzwirn nach PCT/DE98/01336)
Bindung: 1 : 1-Rippe

Gestrick 3:
Zugfestigkeit in Längsrichtung (DIN 53857, Dicke 4 mm): 600 N
Zugfestigkeit in Querrichtung (DIN 53857, Dicke 4 mm): 250 N
Flächengewicht: 1900 g/m² (Dicke 4 mm)
Maximale Dehnbarkeit in Längsrichtung: 70%
Maximale Dehnbarkeit in Querrichtung: 300

Gestrick 4:
Zugfestigkeit in Längsrichtung (DIN 53857, Dicke 2 mm): 400 N
Zugfestigkeit in Querrichtung (DIN 53857, Dicke 2 mm): 150 N
Flächengewicht: 1500 g/m² (Dicke 2 mm)
Maximale Dehnbarkeit in Längsrichtung: 50
Maximale Dehnbarkeit in Querrichtung: 240%

Die Gestricke 3 und 4 sind in ihrer Anordnung innerhalb des Abgaskonverters für Brennkraftmaschinen auch vertausch bar. Es können auch zwei oder mehrere Lagen des gleichen Gestricktyps eingesetzt werden, insbesondere wenn eine höhere Dicke der Konstruktion gewünscht wird.

Fig. 2

Der Spaltbereich zwischen Metallgehäuse 1 und Keramik körper 2 wird durch ein einlagiges erfindungsgemäßes Gestrick 3 (Dicke 3 mm) und eine einlagige Nadelvlies schicht 4' (Dicke 4 mm, Rohdichte 85 kg/m³) gemäß PCT/DE98/01336 ausgefüllt. Die Nadelvliesschicht 4' befin det sich bei dieser Anordnung auf der Monolithseite, die Komponenten 3 und 4' können jedoch auch vertauscht werden.

Kompressionsverhalten: 80% Dickenkompression bei Kom pressionsdruck 0,7 MPa (bezogen auf Dicke 7 mm und Roh dichte 100 kg/m³ im unkomprimierten Zustand)
Verwendetes Garnmaterial: 550 tex Z100 (Stapelfasergarn nach PCT/DE98/01336)
Bindung: 1 : 1-Rippe

Gestrick 3:
Zugfestigkeit in Längsrichtung (DIN 53857, Dicke 3 mm): 150 N
Zugfestigkeit in Querrichtung (DIN 53857, Dicke 3 mm): 80 N
Flächengewicht: 800 g/m² (Dicke 3 mm)
Maximale Dehnbarkeit in Längsrichtung: 50%
Maximale Dehnbarkeit in Querrichtung: 200%

Alternativ kann als Garnmaterial auch beispielsweise ein Stapelfasergarn 180 tex Z90 verwendet werden. Hierdurch kann das Flächengewicht um bis zu 40% weiter reduziert werden. Ein Abfall der Zugfestigkeit kann durch Erhöhung der Maschenanzahl verhindert werden (z. B. 84 Maschenstäb chen anstelle von 52).

Fig. 3

Die Spalteinlage zwischen dem Metallgehäuse 1 und dem Katalysatorkörper 2 besteht lediglich aus einem einlagigen Rundnadelschlauch 3 der Dicke 6,5 mm.

Kompressionsverhalten: 10% Dickenkompression bei Kom pressionsdruck 2 MPa (bezogen auf Dicke 6,5 mm und Roh dichte 250 kg/m³ im unkomprimierten Zustand)
Verwendetes Garnmaterial: 550 tex Z110 × 2 S90 (Stapel faserzwirn nach PCT/DE98/01336)
Organische Trägerfaser: Polyestergarn 167 dtex Z330 (10%)
Durchmesser: 90 mm
Zugfestigkeit in Längsrichtung (DIN 53857, Dicke 6,5 mm): 2350 N
Zugfestigkeit in Querrichtung (DIN 53857, Dicke 6,5 mm): 2200 N
Flächengewicht: 2000 g/m² (Dicke 6,5 mm)
Maximale Dehnbarkeit in Längsrichtung: 2%
Maximale Dehnbarkeit in Querrichtung: 5%

Fig. 4

Aus einer Lage eines erfindungsgemäßen Rundnadelschlau ches 3 und einer Nadelvlieslage 4' gemäß PCT/DE98/01336 wird eine Spalteinlage aufgebaut. Die Dicke des Rundnadel schlauches 3 beträgt 3 mm, die Dicke des Nadelvlieses 4' ist 6 mm (Rohdichte 80 kg/m³). Auch bei dieser Ausführungs form ist im Sinne dieser Erfindung nicht von Belang, ob monolithseitig die Rundnadelschlauchlage 3 oder die Nadel vlieslage 4' angeordnet ist.

Kompressionsverhalten: 20% Dickenkompression bei Kom pressionsdruck 1,4 MPa (bezogen auf Dicke 8 mm und Roh dichte 95 kg/m³ im unkomprimierten Zustand)
Verwendetes Garnmaterial: 550 tex Z90 × 2 S100 (Stapel faserzwirn nach PCT/DE98/01336)
Durchmesser: 80 mm
Zugfestigkeit in Längsrichtung (DIN 53857, Dicke 3 mm): 1750 N
Zugfestigkeit in Querrichtung (DIN 53857, Dicke 3 mm): 1700 N
Flächengewicht: 1900 g/m² (Dicke 2 mm)
Maximale Dehnbarkeit in Längsrichtung: 5%
Maximale Dehnbarkeit in Querrichtung: 8%

Fig. 5

Vorteilhaft im Sinne dieser Erfindung ist auch eine Kombination aus jeweils einer Lage Rundnadelschlauch 4 und Gestrick 3. Die Dicken betragen beispielsweise 3,5 mm (Rundnadelschlauch) und 2 mm (Gestrick). Die Reihenfolge der Anordnung der Textilfaserwerkstoffe 3 und 4 innerhalb des Spaltbereiches kann hierbei auch vertauscht sein.

Kompressionsverhalten: 30% Dickenkompression bei Kom pressionsdruck 0,85 MPa (bezogen auf Dicke 5,5 mm und Rohdichte 130 kg/m³ im unkomprimierten Zustand)

Gestrick:
Verwendetes Garnmaterial: 275 tex Z100 × 2 S100 (Sta pelfasergarn nach PCT/DE98/01336)
Bindung: 1 : 1-Rippe
Zugfestigkeit in Längsrichtung (DIN 53857, Dicke 2 mm): 350 N
Zugfestigkeit in Querrichtung (DIN 53857, Dicke 2 mm): 150 N
Flächengewicht: 1450 g/m² (Dicke 2 mm)
Maximale Dehnbarkeit in Längsrichtung: 60%
Maximale Dehnbarkeit in Querrichtung: 220%

Rundnadelschlauch:
Verwendetes Garnmaterial: 275 tex Z80 × 2 S110 (Stapel faserzwirn nach PCT/DE98/01336)
Durchmesser: 100 mm
Zugfestigkeit in Längsrichtung (DIN 53857, Dicke 3,5 mm): 850 N
Zugfestigkeit in Querrichtung (DIN 53857, Dicke 3,5 mm): 800 N
Flächengewicht: 1400 g/m² (Dicke 3,5 mm)
Maximale Dehnbarkeit in Längsrichtung: 8%
Maximale Dehnbarkeit in Querrichtung: 7%

Fig. 6

Zweckmäßig können auch mehrere Lagen eines erfindungs gemäßen Rundnadelschlauches 3 und 4 sein. Beispielsweise können 2 Lagen Rundnadelschlauch der Dicke 3,5 und 4,5 mm miteinander kombiniert werden. Ob dabei der Rundnadel schlauch 3 oder 4 monolithseitig angeordnet ist, ist nicht von Belang. Es können auch zwei oder mehrere Lagen des gleichen Rundnadelschlauchtyps verwendet werden.

Kompressionsverhalten: 15% Dickenkompression bei Kom pressionsdruck 1,1 MPa (bezogen auf Dicke 8 mm und Roh dichte 150 kg/m³ im unkomprimierten Zustand)
Rundnadelschlauch 3:
Verwendetes Garnmaterial: 180 tex Z90 × 2 S120 (Stapel faserzwirn nach PCT/DE98/01336)
Durchmesser: 90 mm
Zugfestigkeit in Längsrichtung (DIN 53857, Dicke 3,5 mm): 850 N
Zugfestigkeit in Querrichtung (DIN 53857, Dicke 3,5 mm): 750 N
Flächengewicht: 1550 g/m² (Dicke 3,5 mm)
Maximale Dehnbarkeit in Längsrichtung: 3%
Maximale Dehnbarkeit in Querrichtung: 5%

Rundnadelschlauch 4:
Verwendetes Garnmaterial: 550 tex S100 (Stapelfasergarn nach PCT/DE98/01336)
Durchmesser: 100 mm
Zugfestigkeit in Längsrichtung (DIN 53857, Dicke 4,5 mm): 400 N
Zugfestigkeit in Querrichtung (DIN 53857, Dicke 4,5 mm): 250 N
Flächengewicht: 680 g/m² (Dicke 4,5 mm)
Maximale Dehnbarkeit in Längsrichtung: 7%
Maximale Dehnbarkeit in Querrichtung: 6%

Anmerkung: Zusätzlich können bei allen Konstruktionen Metallfolien sowie weitere Materialien, vor allem Textilfa serprodukte gemäß der PCT/DE98/01336, in den Spaltbereich zwischen Metallgehäuse und Keramikkörper eingebracht werden (in den Zeichnungen nicht dargestellt). Die Zugfestig keitsprüfungen wurden an 50 mm breiten Flächenstreifen bei einer Einspannlänge von 200 mm durchgeführt. Die Vorkraft geschwindigkeit betrug 200 mm/min.

Die erfindungsgemäßen Gestricke und Rundnadelschläuche zeichnen sich aufgrund ihres vollständig anorganischen Cha rakters durch eine ausgezeichnete Temperaturbeständigkeit im Einsatzfalle aus. Bezüglich der in Abgaskonvertern anfallenden Minimum- und Maximumtemperaturen unterliegen die neuartigen Quellmattensubstitute keinen Beschränkungen. Weder ist für die erstmalige Funktionswirkung das Erreichen einer "Zündtemperatur" erforderlich (z. B. 400°C für übli cherweise eingesetzte Quellmatten), noch ist ein Verlust der thermischen und akustischen Isolationswirkung und des elastischen Rückstellvermögens bei wiederholt auftretenden, sehr hohen Temperaturen (z. B. 800-1000°C) zu verzeichnen. Unter Temperaturverhältnissen, wie sie für Abgaskonverter relevant sind, wird der amorphe Zustand des zugrundeliegen den Fasermaterials auch bei hohen Temperaturen, z. B. bei wiederholt anfallenden Temperaturen zwischen 600 und 850°C, vollständig erhalten. Dadurch wird kein gesundheitsgefähr dender kristalliner Faserstaub, z. B. in Form von α-Cristo balit, aus den Quellmattensubstituten freigesetzt. Der mittlere Faserdurchmesser des Stapelfasermaterials beträgt vorzugsweise ca. 9 µm. Zudem liegt eine enge Faserquer schnittsverteilung vor (Standardabweichung ca. 0,4 µm). Auch nach dem Einsatz im Abgaskonverter werden keine Faser partikel gefunden, die die Kriterien von lungengängigen faserförmigen Partikeln (LFP) gemäß WHO-Definition erfüllen (Faserlänge < 5 µm, Faserdurchmesser < 3 µm und Länge/ Durchmesser-Verhältnis < 3 : 1). Damit liegen alle Faser durchmesser für die erfindungsgemäßen Quellmattensubstitute im gesundheitlich unbedenklichen Bereich. Für bisher ver fügbare Quellmatten auf keramischer Basis wird dies nicht gewährleistet.

Fig. 7 und Fig. 8a verdeutlichen die potentielle Eig nung erfindungsgemäßer Textilfaserwerkstoffe als Quellmat tenersatz in Abgaskonvertern für Brennkraftmaschinen. Diese Grafiken zeigen Ergebnisse von Druckkompressionsmessungen an einem einlagigen Rundnadelschlauch der Gesamtdicke 8,4 mm (Fig. 7) bzw. an einer Anordnung gemäß Fig. 8b. Fol gende Versuchsbedingungen lagen dabei vor:

Fig. 7

Rundnadelschlauch ohne organische Trägerfaser (1-lagig, Gesamtdicke 8,4 mm)
Verwendetes Garnmaterial: 550 tex Z100 × 2 S120 (Sta pelfaserzwirn nach PCT/DE98/01336)
Durchmesser: 90 mm
Rohdichte: 150 kg/m³

Für diese Anordnung wurde ein Kompressionsverhalten gemäß Fig. 7 erhalten.

Fig. 8a

Es wurde das Kompressionsverhalten für eine Anordnung gemäß Fig. 8b ermittelt. Diese Anordnung besteht aus einem erfindungsgemäßen zweilagigen Gestrick 3 (Gesamtdicke 4,6 mm) und einer monolithseitig angeordneten, Nadelvlieslage 4' (Dicke 4 mm, Rohdichte 85 kg/m') gemäß PCT/DE98/01336.

Gestrick 3:
verwendetes Garnmaterial: 550 tex Z90 × 2 S100 (Stapel faserzwirn nach PCT/DE98/01336)
Bindung: 1 : 1-Rippe
Flächengewicht: 1250 g/m² (1-lagig)

Für die in Fig. 8b aufgeführte Anordnung ergab sich das in Fig. 8a visualisierte Kompressionsverhalten.

Claims

1. Anorganische Textilfaserwerkstoffe auf der Basis von hochtemperaturbeständigen, hochtextilen, Al₂O₃-modifi zierten Kieselsäurestapelfasern, dadurch gekennzeich net, daß diese anorganischen Textilfaserwerkstoffe Gestricke oder aus Nadelvliesstoffen gebildete Rundna delschläuche sind, die aus hochtemperaturbeständigen, hochtextilen, Al₂O₃-modifizierten Kieselsäurestapelfa sern hergestellt wurden, und wobei diese Textilfaser werkstoffe die folgenden Eigenschaften aufweisen:

a) Rohdichte: 60 bis 350 kg/m³, bevorzugt 80 bis 180 kg/m³
b) Dicke: 1 bis 30 mm, bevorzugt 3 bis 10 mm, und
c) Kompressionsverhalten für Drücke bis 2 MPa von 10 bis 95%, bevorzugt 10 bis 50% bezogen auf die Ausgangswerte von a) und b) in unkomprimierter Form.

2. Anorganische Textilfaserwerkstoffe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese Textilfaserwerkstoffe die folgenden Eigenschaften aufweisen:

- Zugfestigkeit nach DIN 53857: 20 N bis 2500 N (Längs richtung);
- Zugfestigkeit nach DIN 53857: 10 N bis 2500 N (Quer richtung);
- Maximale Dehnbarkeit in Längsrichtung: 1 bis 100%;
- Maximale Dehnbarkeit in Querrichtung: 1 bis 350%; und
- Flächengewicht: 50 bis 3000 g/m².

3. Anorganische Textilfaserwerkstoffe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Textilfaserwerkstof fe in Form von Gestricken vorliegen und folgende Eigen schaften aufweisen:

- Zugfestigkeit nach DIN 53857: 200 N bis 1000 N (Längs richtung);
- Zugfestigkeit nach DIN 53857: 50 N bis 500 N (Quer richtung);
- Maximale Dehnbarkeit in Längsrichtung: 20 bis 100%;
- Maximale Dehnbarkeit in Querrichtung: 20 bis 350%; und
- Flächengewicht: 50 bis 3000 g/m².

4. Anorganische Textilfaserwerkstoffe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Textilfaserwerkstof fe in Form von Rundnadelschläuchen vorliegen und fol gende Eigenschaften aufweisen:

- Zugfestigkeit nach DIN 53857: 20 N bis 2500 N (Längs richtung);
- Zugfestigkeit nach DIN 53857: 10 N bis 2500 N (Quer richtung);
- Maximale Dehnbarkeit in Längsrichtung: 1 bis 25%;
- Maximale Dehnbarkeit in Querrichtung: 1 bis 50%; und
- Flächengewicht: 50 bis 3000 g/m².

5. Anorganische Textilfaserwerkstoffe nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie keine gesundheitsgefährdenden Fasern enthalten, die eine Faserlänge < 5 µm, einen Faserdurchmesser < 3 µm und ein Verhältnis von Faserlänge zu Faserquer schnitt < 3 : 1 (WHO-Fasern) aufweisen.

6. Anorganische Textilfaserwerkstoffe nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß diese im Einsatz bei hohen Temperaturen keine gesundheitsgefährdenden kristallinen Faserpartikel freisetzen.

7. Anorganische Textilfaserwerkstoffe nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung dieser Textilfaserwerkstoffe gemeinsam mit organischen Textilfasern erfolgt, wobei der Anteil der organischen Textilfasern vorzugsweise 5 bis 25%, bevorzugt 5 bis 15%, beträgt.

8. Anorganische Textilfaserwerkstoffe nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle und/oder zusätzlich zu organischen Textil fasern Metall- oder Quarzglasfäden, Metallfolien und/oder weitere Verstärkungsmaterialien in die Textil faserwerkstoffe eingearbeitet sind.

9. Verwendung der Textilfaserwerkstoffe nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8 als Ersatz für Federmatten (Quellmatten) in Abgaskonvertern für Brennkraftmaschi nen, welche einen Keramikkörper (2) in einem Gehäuse (1) umfassen.

10. Verwendung der Textilfaserwerkstoffe als Ersatz für Federmatten (Quellmatten) in Abgaskonvertern für Brenn kraftmaschinen nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß diese Federmatten (Quellmatten) vollständig ersetzt werden, und daß diese Textilfaserwerkstoffe nach minde stens einem der Ansprüche 1 bis 8 keine weiteren Bestandteile und/oder Vorrichtungen enthalten müssen, um die Funktionswirkung nach Anspruch 9 zu entfalten.

11. Verwendung der Textilfaserwerkstoffe als Ersatz für Federmatten (Quellmatten) in Abgaskonvertern für Brenn kraftmaschinen nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß diese Textilfaser werkstoffe (3, 4) ein- oder mehrlagig und/oder in geeigneter Kombination in den Spalt zwischen Gehäuse (1) und Keramikkörper (2) eingebracht werden.

12. Verwendung der Textilfaserwerkstoffe als Ersatz für Federmatten (Quellmatten) in Abgaskonvertern für Brenn kraftmaschinen nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lage dieser Textilfaserwerkstoffe (3, 4) eine Dicke von 1 bis 8 mm, bevorzugt 2 bis 5 mm, aufweist.

13. Verwendung der Textilfaserwerkstoffe als Ersatz für Federmatten (Quellmatten) in Abgaskonvertern für Brenn kraftmaschinen nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß in den Spalt zwi schen Gehäuse (1) und Keramikkörper (2) zusätzlich ein und/oder mehrere Lagen eines Nadelvlieses (4') aus hochtemperaturbeständigen, amorpher, Al₂O₃-modifizier ten Kieselsäurestapelfasern eingebracht werden.

14. Verwendung der Textilfaserwerkstoffe als Ersatz für Federmatten (Quellmatten) in Abgaskonvertern für Brenn kraftmaschinen nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß diese Nadelvliese vorzugsweise Rohdichten zwischen 50-120 kg/m³, bevor zugt 60-90 kg/m³, und Dicken zwischen 2 und 8 mm, bevorzugt 4 bis 6 mm aufweisen.

15. Abgaskonverter für Brennkraftmaschinen, welcher einen Keramikkörper (2) in einem Gehäuse (1) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikkörper (2) von einem anorganischen Textilfaserwerkstoff (3, 4) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 umgeben ist und durch diesen in dem Gehäuse (1) fixiert wird.