DE19922954C5

DE19922954C5 - Verwendung von anorganischen Textilfaserwerkstoffen in Form von Gestricken und Rundnadelschläuchen in Abgaskonvertern für Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE19922954C5
Application number: DE1999122954
Authority: DE
Inventors: Robin Dr. Richter; Thomas Dr. Focke; Sven Dr. 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: 2006-10-12
Anticipated expiration: 2019-05-20
Also published as: DE19922954C2; DE19922954A1

Abstract

Verwendung von anorganischen Textilfaserwerkstoffen auf der Basis von hochtemperaturbeständigen, hochtextilen, Al₂O₃-modifizierten Kieselsäurestapelfasern, wobei diese anorganischen Textilfaserwerkstoffe Gestricke oder aus Nadelvliesstoffen gebildete Rundnadelschläuche sind, die aus hochtemperaturbeständigen, hochtextilen, Al₂O₃-modifizierten Kieselsäurestapelfasern hergestellt wurden, und wobei diese Textilfaserwerkstoffe die folgenden Eigenschaften aufweisen:
a) Rohdichte: 60 bis 350 kg/m³,
b) Dicke: 1 bis 30 mm,
c) Kompressionsverhalten für Drücke bis 2 MPa von 10 bis 95%, bezogen auf die Ausgangswerte von a) und b) in unkomprimierter Form, sowie
– Zugfestigkeit nach DIN 53857: 20 N bis 2500 N (Längsrichtung);
– Zugfestigkeit nach DIN 53857: 10 N bis 2500 N (Querrichtung);
– Maximale Dehnbarkeit in Längsrichtung: 1 bis 100%,
– Maximale Dehnbarkeit in Querrichtung: 1 bis 350%; und
– Flächengewicht: 50 bis 3000 g/m²,
als Ersatz für Federmatten (Quellmatten) in Abgaskonvertern für Brennkraftmaschinen, welche einen Keramikkörper (2) in einem Gehäuse (1) umfassen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung anorganischer Textilfaserwerkstoffe als Ersatz für Federmatten (Quellmatten) in Abgaskonvertern für Brennkraftmaschinen gemäß Patentanspruch 1.
Die erfindungsgemäß verwendeten Textilfaserwerkstoffe sind Gestricke oder Nadelvliesstoffe in runder Form (Rundnadelschlauche; z. B. sogenannte "Rontex^®-Schläuche") aus hochtemperaturbeständigen hochtextilen, Al₂O₃-modifizierten SiO₂-Stapelfasern, die mit weiteren Textilprodukten auf Basis hochtemperaturbeständiger, hochtextiler, modifizierter SiO₂-Stapelfasern, wie z. B. Nadelmatten kombiniert sein können. Die Erfindung betrifft den Einsatz der genannten Textilfaserwerkstoffe als Ersatz für Federmatten (Quellmatten) in Abgaskonvertern für Brennkraftmaschinen. 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 Textilfaserwerkstoff in einem Metallgehäuse radial und axial fixiert ist. Der Monolith ist vorwiegend mit einer katalytisch aktiven Substanz beschichtet (katalytische Reinigung von Abgasen).
Nach der WO 98/51631 A1 sowie der DE 298 23 432 U1 des gegenwärtigen Artmelders ist ein Al₂O₃-haltiges, hochtextiles und hochtemperaturbeständiges 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 thermische 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 keramische Faservliesmatten verwendet, die den Spaltbereich zwischen Metallgehäuse und Monolith einnehmen. Diese Quellmatten enthalten zusätzlich Expansionsteilchen (Hydroglimmer, z. B. Vermiculit), die sich bei Erwärmung ausdehnen. Hierdurch wird der Spalt ausgefüllt und damit der Monolith innerhalb des metallischen Gehäuses verankert. Diese Anordnung soll verhindern, daß die Lage der Isolationsmatte durch die Wirkung des anblasenden, pulsierenden Abgasstromes radial und/oder axial verändert wird, wodurch Vibrationen im Fahrzeugbetrieb verursacht, oder der keramische Körper 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 zusätzlichen Reaktionsgemisches (WO 93/07366 A1), erforderlich. Nachteile dieser, aus dem Stand der Technik bekannten, Quellmatten sind jedoch u. a. folgende:

– Sie basieren auf keramischen Fasern, die als lungengängige faserförmige Partikel (Fasern gemäß WHO-Definition mit Faserlänge > 5µm, Durchmesser < 3µm und Länge/Durchmesser-Verhältnis > 3/1) potentielle Gesundheitsgefahren auslösen können.
– Sie enthalten einen beträchtlichen Anteil an organischem Bindemittel (z. B. 6–8% Acryl-Latex in der WO 93/07366 A1). Die Freisetzung oder Zersetzung dieser Bindemittel führt im Einsatzfalle zumindest zu einem partiellen Verlust der Elastizität (Federwirkung) der Quellmatte. Außerdem kann die Freisetzung oder oxidative Spaltung dieser Bindemittel ebenfalls eine potentielle Gesundheitsgefährdung darstellen.
– Die Federwirkung reduziert sich in wiederholten Fahrzeugzyklen, 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 (Federwirkung) gerecht zu werden, wurden im Stand der Technik zahlreiche weitere Versuche beschrieben, die von geeigneten Kombinationen verschiedener Materialien und Anordnungen ausgehen. Diese Versuche zielen darauf ab, einen verbesserten Erosionsschutz der Isolationsmatten mit Expansionswirkung 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 C2 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. Des weiteren ist nach der DE 40 09 945 A1 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 vollständige Substitution der Quellmatten herbeizuführen. Zeitlich weiter zurückliegende Versuche mit dem Ziel, die Einbettung des Monolithen in das Metallgehäuse durch keramische Faserschichten sicherzustellen, die sich über den gesamten Konverterbereich erstrecken, konnten sich nicht durchsetzen ( DE 22 13 539 A1 , DE 22 61 663 A1 ). Diese keramischen Fasern (Aluminiumsilicatfasern wie z. B. Fiberfrax^® und Cerafelt^®) werden durch den anblasenden Abgasstrom ausgetragen bzw. zerstört.
Ausgehend von diesem bekannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, geeignete Textilfaserwerkstoffe bereitzustellen, die als Substitute der bekannten Federmatten (Quellmatten) in Abgaskonvertern für Brennkraftmaschinen einsetzbar sind. Diese bekannten Quellmatten sollen dabei möglichst vollständig ersetzt werden können. Die erfindungsgemäßen verwendeten 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 Textilfaserprodukte 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 thermische Beständigkeit (auch bei Temperaturen oberhalb 750°C) und eine sehr gute chemische Beständigkeit aufweisen. Bei Einsatz dieser elastischen Textilfaserwerkstoffe als Quellmattenersatz in Abgaskonvertern soll der keramische Monolith auch in wiederholten Betriebszyklen innerhalb seines metallischen Gehäuses radial und axial sicher fixiert werden 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 erhalten bleiben, um eine Gesundheitsbelastung durch kristallinen Staub zu vermeiden.
Zur Lösung dieser genannten Aufgaben wird zunächst von dem in der WO 98/51631 A1, auf welche in der vorliegenden Anmeldung vollinhaltlich Bezug genommen wird, offenbarten Fasermaterial ausgegangen. Wie in der WO 98/51631 A1 beschrieben, ist dieses Fasermaterial bis zu Temperaturen von ca. 1100°C beständig, ist durch eine Extraktion eines Glasstapelfaservorgarns mit einer anorganischen oder organischen Säure erhältlich und enthält die folgenden Komponenten in den angegebenen Messebestandteilen:
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 Kieselsäurebasis mit baumwollartigem, voluminösem Charakter Gestricke und Rundnadelschläuche auf Stapelfaserbasis fertigen lassen, die sich hervorragend als Quellmattenersatz in Abgaskonvertern für Brennkraftmaschinen eignen. Diese Gestricke und Rundnadelschläuche weisen, aufgrund ihres voluminösen, flauschig-weichen Charakters, eine beachtliche Elastizität bei mechanischer Beanspruchung auf, die nicht erwartet werden 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 anorganischen Textilien bewirkt. Ursache hierfür ist das Abreagieren von OH-Gruppierungen beim Erwärmen auf 500–1000°C, da das SiO₂-Netzwerk des Fasermaterials bis zu 40% endständige 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 Belastung mitunter sogar deutlich zunahm. Nach wiederholten Temperaturwechselzyklen zwischen 25 und 1000°C wurde keine oder nur eine geringe Veränderung der Montagespannung registriert. Auch das elastische Rückstellverhalten war bei diesen Textilfaserwerkstoffen zumindest noch soweit ausgeprägt, daß die Montagespannung deutlich oberhalb der erforderlichen Mindestspannung (Haltespannung) lag. Das überraschend positive Verhalten der Textilfaserwerkstoffe in zahlreichen Temperaturwechselzyklen ist auch durch einen vorteilhaften Wärmeausdehnungskoeffizienten bedingt. Zwischen 200 und 1000°C beträgt dieser z. B. ca. 0,5·10^–6K^–1, woraus eine ausgezeichnete Temperaturwechselbeständigkeit resultiert. Da sich der Wärmeausdehnungskoeffizient 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 Austragen oder gar einer vollständigen Zerstörung der amorphen, modifizierten SiO₂-Stapelfasern führt. Ursache hierfür ist, daß für die anorganischen Textilien eine stabilisierende Struktur im textilen Fertigungsprozeß vorgebildet wurde. Selbst wenn einzelne Fasern aus dem Verbund entfernt werden, bleibt die Funktionswirkung (thermische und akustische Isolierung sowie Kraftwirkung auf den Monolithen) erhalten. Besteht die Isolationseinlage im Spalt zwischen Metallgehäuse und Keramikkörper ausschließlich aus einem 20 mm dicken, einlagigen Nadelvlies (Rohgewicht 80 kg/m³) gemäß der WO 98/51631 A1, wird ein wesentlich schnellerer Abfall der Montagespannung in wiederholten Temperaturwechselzyklen verursacht, da Fasern aus diesem vergleichsweise lockeren Faserverbund leichter ausgetragen werden können. Derartige Nadelmatten sind jedoch ausgezeichnet als Einlage zwischen den erfindungsgemäß verwendeten Gestricken bzw. Rundnadelschläuchen geeignet, da sie die elastische Rückstellkraft erhöhen und die thermische Isolationswirkung verbessern. Beispielsweise betrug die Wärmeleitfähigkeit eines zweilagigen Gestrickes, das monolithseitig zusätzlich ein 4 mm dickes Nadelvlies mit geringer Rohdichte (85 kg/m³) enthielt (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 erfindungsgemäß verwendeten Textilfaserwerkstoffe leicht in die Metallgehäuse 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 ex akt ausgefüllt werden kann. Beispielsweise kann ein zweilagiger Rundnadelschlauch mit einer Gesamtdicke von 8 mm eingesetzt werden, um ein Spaltmaß von 3,5 mm zu realisieren (6). In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist es jedoch auch möglich, die Textilfasermaterialien vorab thermisch zu verdichten und anschließend gegebenfalls als paßgenauen Zuschnitt zu applizieren.
Die Herstellung der Gestricke auf Stapelfaserbasis kann von hochtemperaturbeständigen, Al₂O₃-modifizierten Stapelfaservorgarnen, -garnen und -zwirnen ausgehen, wie sie die WO 98/51631 A1 offenbart. Dabei hat es sich gezeigt, daß Stapelfaservorgarne mit Schutzdrehung und hieraus gefertigte Stapelfasergarne, aufgrund ihrer hoher Voluminosität, insbesondere dort verwendbar sind, wo ein hohes elastisches Rückstellvermögen der Gestricke gefragt ist. In einer bevorzugten Ausführungsform werden Glasstapelfaservogarne auf Kieselsäurebasis mit 15–50 Schutzdrehungen (in Z-Richtung) und Stapelfasergarne mit 50–140 Drehungen, bevorzugt in Z-Richtung, eingesetzt. Vorteilhafterweise können Stapelfaservorgarne und -garne mit Feinheiten von 180, 275 bzw. 550 tex verwendet werden. Es sind aber auch andere Vorgarn- und Garnfeinheiten geeignet. Feinheiten zwischen 100 und 2000 tex sind hierbei bevorzugt. Steht jedoch eine höhere mechanische Stabilität der erfindungsgemäß verwendeten Gestricke im Vordergrund, werden vorzugsweise Al₂O₃-modifizierte Stapelfaserzwirne eingesetzt. Vorteilhaft sind dabei Zweifachzwirne, die aus o. g. Stapelfaservorgarnen mit Schutzdrehung oder Stapelfasergarnen gefertigt wurden. Diese Zwirne auf Stapelfaserbasis weisen bevorzugt 80–150 Drehungen in Z- oder S-Richtung auf. Die Stapelfaservorgarne mit Schutzdrehung sowie Stapelfasergarne und -zwirne werden anschließend auf handelsüblichen Strickmaschinen zu Gestricken auf Stapelfaserbasis verarbeitet. Hierbei können grobe oder feine Maschen gebildet werden. Bei der Herstellung vergleichsweise geschlossener Gestricke werden vorzugsweise 1 : 1-Rippen eingesetzt, während für offenere Strickwaren üblicherweise 2:2-Rippen zur Anwendung gelangen. Geschlossenere 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, geschlossenen Strickwaren überwiegend geringere Elastizitäten, aber hohe Fertigkeiten und ebenfalls ein günstiges Kompressionsverhalten aufweisen. Für den Einsatz als Quellmattenersatz in Abgaskonvertern können in diese Gestricke weitere, in der WO 98/51631 A1 beschriebene, anorganische Textilprodukte eingearbeitet werden. Diese Textilprodukte können z. B. Dichtungsschnüre und -schläuche oder Packungen in runder und viereckiger Form sein, die als zusätzliche Verstärkungsstellen dienen. Es sind jedoch auch Materialien aus Metall- oder Quarzglasfaden möglich. Diese Verstärkungsmaterialien können zu einer weiteren Verbesserung des elastischen Rückstellverhalten beitragen. Für die Ausübung der Funktionswirkung sind sie indes nicht zwingend erforderlich. Darüber hinaus ist es ebenfalls vorteilhaft, diese Gestricke mit Metallfolien auszurüsten.
In der WO 98/51631 A1 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 Stapelfasermaterial auch Nadelvliesstoffe in runder Form (Rundnadelschläuche) sehr leicht zugänglich sind, da die anorganischen Fasern auf den verwendeten Rundnadelmaschinen enormen mechanischen Belastungen unterliegen. Überraschenderweise hat sich jedoch gezeigt, daß neuartige Rundnadelschläuche (z. B. Rontex^®-Schläuche) auf der Basis amorpher, Al₂O₃-modifizierter SiO₂-Stapelfasern auf Rundnadelmaschinen (z. B. Typ DILO) gefertigt werden können. Diese Rundnadelschläuche weisen ein überraschend hohes elastisches Rückstellvermögen auf, so daß sie als Quellmattensubstitute in Abgaskonvertern besonders prädestiniert sind. Die Vliesbildung kann dabei auf bekannten Krempel- oder Kardiervorrichtungen erfolgen. Es sind jedoch auch Gebläsevliesmaschinen geeignet, wobei die Vlieslagen im Luftlegeverfahren abgelegt werden. Anschließend kann der Vliesstoff in Streifenform 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 rotierenden Edelstahlrohres geführt werden. Der Rohrquerschnitt bestimmt dabei den Durchmesser des gebildeten Rontex^®-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 zweckmäßigerweise gemeinsam mit organischen Trägerfasern gekrempelt oder kardiert werden. Die Al₂O₃-modifizierten SiO₂-Stapelfasern 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-, Polyamid- oder p-Aramid- oder weitere Fasern eingesetzt werden. Es sind aber organische Fasern bevorzugt, die beim erstmaligem Erwärmen keine gesundheitsgefährdenden Bestandteile freisetzen (z. B. Polyesterfasern). Durch gemeinsame Verarbeitung mit diesen organischen Trägerfasern sind Composite-Rundnadelschläuche mit einem Anteil von z. B. 10 Masse-% Polyester leicht zugänglich. Die Composite-Produkte weisen dabei vorzugsweise nur geringe Anteile an organischen Komponenten auf (maximal 25 Masse-%). Anteile anorganischer Trägerfaser zwischen 5 und 15 Masse-% sind für diese Materialien bevorzugt. Im erstmaligen Einsatz dieser Produkte als Quellmattenersatz 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 Herstellung der erfindungsgemäß verwendeten Rundnadelschläuche möglich, zusätzlichen Materialien und/oder Vorrichtungen einzubeziehen, die als zusätzliche Verstärkungsstellen dienen und das elastische Ruckstellvermögen weiter verbessern können. Diese zusätzlichen Materialien können beispielsweise Metall- und Quarzglasfaden sein. Hierfür sind aber auch hochtemperaturbeständige, Al₂O₃-modifizierte Glasstapelfaserprodukte auf Kieselsäurebasis gemäß WO 98/51631 A1, z. B. in Form von Garnen, Zwirnen, Gewebeabschnitten verschiedener Breiten, Schnüren, Schläuchen oder runden bzw. viereckigen Packungen, sehr gut geeignet. Auch für diese Textilfaserwerkstoffe kann wahlweise eine Ausrüstung mit Metallfolien gegeben sein.
Die Zeichnungen 1 bis 6 zeigen einige vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäß verwendeten Gestricke und Rundnadelschläuche und dienen der weiteren Verdeutlichung der Erfindung.
1
Zwischen einem Metallgehäuse 1 und einem keramischen Monolithen 2 eines Abgaskonverters für Brennkraftmaschinen ist ein zweilagiges Gestrick aus einem einlagigen Gestrick 3 (Dicke 4 mm) und einem einlagigen Gestrick 4 (Dicke 2 mm) angeordnet.
Kompressionsverhalten

70% Dickenkompression bei Kompressionsdruck 1 MPa (bezogen auf Dicke 6 mm und Rohdichte 80 kg/m³ im unkomprimierten Zustand)
Verwendetes Garnmaterial: 550 tex Z110 × 2 S100 (Stapelfaserzwirn nach WO 98/51631 A1)
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 vertauschbar. Es können auch zwei oder mehrere Lagen des gleichen Gestricktyps eingesetzt werden, insbesondere wenn eine höhere Dicke der Konstruktion gewünscht wird.
2
Der Spaltbereich zwischen Metallgehäuse 1 und Keramikkörper 2 wird durch ein einlagiges Gestrick 3 (Dicke 3 mm) und eine einlagige Nadelvliesschicht 4' (Dicke 4 mm, Rohdichte 85 kg/m³) gemäß WO 98/51631 A1 ausgefüllt. Die Nadelvliesschicht 4' befindet sich bei dieser Anordnung auf der Monolithseite, die Komponenten 3 und 4' können jedoch auch vertauscht werden.
Kompressionsverhalten

80% Dickenkompression bei Kompressionsdruck 0,7 MPa (bezogen auf Dicke 7 mm und Rohdichte 100 kg/m³ im unkomprimierten Zustand)
Verwendetes Garnmaterial: 550 tex Z100 (Stapelfasergarn nach WO 98/51631 A1)
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 Maschenstäbchen anstelle von 52).
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 Kompressionsdruck 2 MPa (bezogen auf Dicke 6,5 mm und Rohdichte 250 kg/m³ im unkomprimierten Zustand)
Verwendetes Garnmaterial: 550 tex Z110 × 2 S90 (Stapelfaserzwirn nach WO 98/51631 A1)
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%

4
Aus einer Lage eines Rundnadelschlauches 3 und einer Nadelvlieslage 4' gemäß WO 98/51631 A1 wird eine Spalteinlage aufgebaut. Die Dicke des Rundnadelschlauches 3 beträgt 3 mm, die Dicke des Nadelvlieses 4' ist 6 mm (Rohdichte 80 kg/m³). Auch bei dieser Ausführungsform ist im Sinne dieser Erfindung nicht von Belang, ob monolithseitig die Rundnadelschlauchlage 3 oder die Nadelvlieslage 4' angeordnet ist.
Kompressionsverhalten

20% Dickenkompression bei Kompressionsdruck 1,4 MPa (bezogen auf Dicke 8 mm und Rohdichte 95 kg/m³ im unkomprimierten Zustand)
Verwendetes Garnmaterial: 550 tex Z90 × 2 S100 (Stapelfaserzwirn nach WO 98/51631 A1)
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%

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 Kompressionsdruck 0,85 MPa (bezogen auf Dicke 5,5 mm und Rohdichte 130 kg/m im unkomprimierten Zustand)

Gestrick

Verwendetes Garnmaterial: 275 tex Z100 × 2 S100 (Stapelfasergarn nach WO 98/51631 A1)
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 (Stapelfaserzwirn nach WO 98/51631 A1)
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%

6
Zweckmäßig können auch mehrere Lagen eines Rundnadelschlauches 3 und 4 sein. Beispielsweise können 2 Lagen Rundnadelschlauch der Dicke 3,5 und 4,5 mm miteinander kombiniert werden. Ob dabei der Rundnadelschlauch 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 Kompressionsdruck 1,1 MPa (bezogen auf Dicke 8 mm und Rohdichte 150 kg/m³ im unkomprimierten Zustand)

Rundnadelschlauch 3

Verwendetes Garnmaterial: 180 tex Z90 × 2 S120 (Stapelfaserzwirn WO 98/51631 A1)
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 WO 98/51631 A1)
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 Textilfaserprodukte gemäß der WO 98/51631 A1, in den Spaltbereich zwischen Metallgehäuse und Keramikkörper eingebracht werden (in den Zeichnungen nicht dargestellt). Die Zugfestigkeitsprüfungen wurden an 50 mm breiten Flächenstreifen bei einer Einspannlänge von 200 mm durchgeführt. Die Vorkraftgeschwindigkeit betrug 200 mm/min.
Die erfindungsgemäß verwendeten Gestricke und Rundnadelschläuche zeichnen sich aufgrund ihres anorganischen Charakters 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 üblicherweise 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 zugrundeliegenden Fasermaterials auch bei hohen Temperaturen, z. B. bei wiederholt anfallenden Temperaturen zwischen 600 und 850°C, vollständig erhalten. Dadurch wird kein gesundheitsgefährdender kristalliner Faserstaub, z. B. in Form von α-Cristobalit, aus den Quellmattensubstituten freigesetzt. Der mittlere Faserdurchmesser des Stapelfasermaterials beträgt vorzugsweise ca. 9 μm. Zudem liegt eine enge Faserquerschnittsverteilung vor (Standardabweichung ca. 0,4 µm). Auch nach dem Einsatz im Abgaskonverter werden keine Faserpartikel 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 Faserdurchmesser für die erfindungsgemäß verwendeten Quellmattensubstitute im gesundheitlich unbedenklichen Bereich. Für bisher verfügbare Quellmatten auf keramischer Basis wird dies nicht gewährleistet.
7 und 8a verdeutlichen die potentielle Eignung erfindungsgemäß verwendeten Textilfaserwerkstoffe als Quellmattenersatz in Abgaskonvertern für Brennkraftmaschinen. Diese Grafiken zeigen Ergebnisse von Druckkompressionsmessungen an einem einlagigen Rundnadelschlauch der Gesamtdicke 8,4 mm (7) bzw. an einer Anordnung gemäß 8b. Folgende Versuchsbedingungen lagen dabei vor:
7

Rundnadelschlauch ohne organische Trägerfaser (1-lagig, Gesamtdicke 8,4 mm)
Verwendetes Garnmaterial: 550 tex Z100 × 2 S120 (Stapelfaserzwirn nach WO 98/51631 A1)
Durchmesser: 90 mm
Rohdichte: 150 kg/m³

Für diese Anordnung wurde ein Kompressionsverhalten gemäß 7 erhalten.
8a
Es wurde das Kompressionsverhalten für eine Anordnung gemäß 8b ermittelt. Diese Anordnung besteht aus einem zweilagigen Gestrick 3 (Gesamtdicke 4,6 mm) und einer monolithseitig angeordneten, Nadelvlieslage 4' (Dicke 4 mm, Rohdichte 85 kg/m³) gemäß WO 98/51631 A1.
Gestrick 3

verwendetes Garnmaterial: 550 tex Z90 × 2 S100 (Stapelfaserzwirn nach WO 98/51631 A1)
Bindung: 1 : 1-Rippe
Flächengewicht: 1250 g/m (1-lagig)

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

Claims

Verwendung von anorganischen Textilfaserwerkstoffen auf der Basis von hochtemperaturbeständigen, hochtextilen, Al₂O₃-modifizierten Kieselsäurestapelfasern, wobei diese anorganischen Textilfaserwerkstoffe Gestricke oder aus Nadelvliesstoffen gebildete Rundnadelschläuche sind, die aus hochtemperaturbeständigen, hochtextilen, Al₂O₃-modifizierten Kieselsäurestapelfasern hergestellt wurden, und wobei diese Textilfaserwerkstoffe die folgenden Eigenschaften aufweisen: a) Rohdichte: 60 bis 350 kg/m³, b) Dicke: 1 bis 30 mm, c) Kompressionsverhalten für Drücke bis 2 MPa von 10 bis 95%, bezogen auf die Ausgangswerte von a) und b) in unkomprimierter Form, sowie – Zugfestigkeit nach DIN 53857: 20 N bis 2500 N (Längsrichtung); – Zugfestigkeit nach DIN 53857: 10 N bis 2500 N (Querrichtung); – Maximale Dehnbarkeit in Längsrichtung: 1 bis 100%, – Maximale Dehnbarkeit in Querrichtung: 1 bis 350%; und – Flächengewicht: 50 bis 3000 g/m², als Ersatz für Federmatten (Quellmatten) in Abgaskonvertern für Brennkraftmaschinen, welche einen Keramikkörper (2) in einem Gehäuse (1) umfassen.
Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Textilfaserwerkstoffe die folgenden Eigenschaften aufweisen: a) Rohdichte: 80 bis 180 kg/m³, b) Dicke: 3 bis 10 mm, c) Kompressionsverhalten für Drücke bis 2 MPa von 10 bis 50%, bezogen auf die Ausgangswerte von a) und b) in unkomprimierter Form.
Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Textilfaserwerkstof fe in Form von Gestricken vorliegen und folgende Eigenschaften aufweisen: – Zugfestigkeit nach DIN 53857: 200 N bis 1000 N (Längsrichtung); – Zugfestigkeit nach DIN 53857: 50 N bis 500 N (Querrichtung); – Maximale Dehnbarkeit in Längsrichtung: 20 bis 100%; – Maximale Dehnbarkeit in Querrichtung: 20 bis 350%; und – Flächengewicht: 50 bis 3000 g/m².
Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Textilfaserwerkstoffe in Form von Rundnadelschläuchen vorliegen und folgende Eigenschaften aufweisen: – Zugfestigkeit nach DIN 53857: 20 N bis 2500 N (Längsrichtung); – Zugfestigkeit nach DIN 53857: 10 N bis 2500 N (Querrichtung); – Maximale Dehnbarkeit in Längsrichtung: 1 bis 25%; – Maximale Dehnbarkeit in Querrichtung: 1 bis 50%; und – Flächengewicht: 50 bis 3000 g/m².
Verwendung 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 Faserquerschnitt > 3 : 1 (WHO-Fasern) aufweisen.
Verwendung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung dieser Textilfaserwerkstoffe gemeinsam mit organischen Textilfasern erfolgt, wobei der Anteil der organischen Textilfasern 5 bis 25 Masse-%, bevorzugt 5 bis 15 Masse-%, beträgt.
Verwendung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle und/oder zusätzlich zu organischen Textilfasern Metall- oder Quarzglasfäden, Metallfolien und/oder weitere Verstärkungsmaterialien in die Textilfaserwerkstoffe eingearbeitet sind.
Verwendung der Textilfaserwerkstoffe als Ersatz für Federmatten (Quellmatten) in Abgaskonvertern für Brennkraftmaschinen nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß diese Textilfaserwerkstoffe (3, 4) ein- oder mehrlagig und/oder in geeigneter Kombination in den Spalt zwischen Gehäuse (1) und Keramikkörper (2) eingebracht werden.
Verwendung der Textilfaserwerkstoffe als Ersatz für Federmatten (Quellmatten) in Abgaskonvertern für Brennkraftmaschinen nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lage dieser Textilfaserwerkstoffe (3, 4) eine Dicke von 1 bis 8 mm, bevorzugt 2 bis 5 mm, aufweist.
Verwendung der Textilfaserwerkstoffe als Ersatz für Federmatten (Quellmatten) in Abgaskonvertern für Brennkraftmaschinen nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in den Spalt zwischen Gehäuse (1) und Keramikkörper (2) zusätzlich ein und/oder mehrere Lagen eines Nadelvlieses (4') aus hochtemperaturbeständigen, amorphen, Al₂O₃-modifizierten Kieselsäurestapelfasern eingebracht werden.
Verwendung der Textilfaserwerkstoffe als Ersatz für Federmatten (Quellmatten) in Abgaskonvertern für Brennkraftmaschinen nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß diese Nadelvliese Rohdichten zwischen 50–120 kg/m³, bevorzugt 60–90 kg/m³, und Dicken zwischen 2 und 8 mm, bevorzugt 4 bis 6 mm aufweisen.