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Die Erfindung betrifft eine biologisch abbaubare Schalldämpferwolle für Schalldämpfanlagen von Verbrennungsmotoren sowie die Verwendung der Wolle in Auspuffanlagen.
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Verbrennungsmotoren, insbesondere Otto-Motoren und Dieselmotoren benötigen aufgrund der hohen Betriebsgeräusche eine Schalldämmung der austretenden Verbrennungsgase. Die austretenden Verbrennungsgase werden üblicherweise über ein Schalldämpfersystem mit wenigstens einem sogenannten Schalldämpfertopf abgeführt, wobei gleichzeitig die Lärmemission verringert wird. Die eigentliche Schalldämmung findet dabei im wesentlichen in dem genannten Schalldämpfertopf statt.
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Neben der Abgasführung über Prallbleche, perforierte Rohre und ähnlichem wird der Schalldämpfertopf üblicherweise wenigstens zum Teil mit Mineralwolle versehen. Die Mineralwolle kann dabei in den Topf gestopft oder in Form von vorgefertigten Formteilen eingeführt werden. Zur Schalldämmung dringt wenigstens ein Teil der Verbrennungsgase in die Mineralwollefüllung ein.
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Im Betrieb ist deshalb die Mineralwolle erheblichen Belastungen ausgesetzt. Die Temperatur im Schalldämpfertopf kann 700°C deutlich übersteigen. Durch die mit dem Abgasstrom mitgetragenen Frachten bildet sich innerhalb des Auspufftopfes in kürzester Zeit ein Kondensat mit hohem aggressivem chemischen Potential. Je nach Einrichtung der Abgasanlage, z. B. mit Katalysator oder ohne, kann das Kondensat einen pH-Wert erreichen, der von stark sauer bis basisch reicht. Die korrodierende Wirkung der Abgase wird durch die wechselnden Betriebsbedingungen verstärkt, d. h. hohe Temperaturen nach längerem Betrieb sowie ein feuchtkaltes Klima im Auspuff in der Anlaufphase sowie der Ruheperioden. Hinzu treten häufig Salzfrachten, wodurch ein salzhaltiges Kondensat entstehen kann.
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Eine geeignete Schalldämpferwolle muß weiterhin mechanischen Belastungen Stand halten können. Durch den getakteten Betrieb von Verbrennungsmotoren, insbesondere vom Otto- sowie Diesel-Typ wird der Abgasstrom pulsartig in das Schalldämpfersystem eingeleitet, was zu schockwellenartigen Belastungen der Schalldämpferwolle führt. Dieser Effekt wird durch Lastwechsel noch deutlich verstärkt. Weiterhin wird das Schalldämpfersytem sowie die darin befindliche Schalldämpferwolle durch Motorvibrationen deutlich belastet. Bei Landfahrzeugen treten auf das Fahrzeug übertragene Schläge durch Fahrbahnunebenheiten hinzu.
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Eine geeignete Schalldämpferwolle muß all den zuvor genannten Belastungen über die gesamte Lebensdauer des Schalldämpfersytems, also ggfs. mehrere Jahre ausreichend Stand halten.
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Bei der Verwendung von Steinwolle als Schalldämpferwolle ist als weiteres Problem deren sogenannter Perlengehalt zu beachten. Bei der Herstellung von Steinwolle wird bekanntlich ein Teil der Schmelze nicht zerfasert und fällt als sogenannte Perlen an. Unter Perlen werden in diesem Zusammenhang somit unzerfaserte Schmelzrückstände verstanden, die ein mehrfaches des Faserdurchmessers aufweisen können und keine faserartige Längserstreckung zeigen.
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Derartige Perlen tragen jedoch nicht zur gewünschten akustischen Dämmwirkung der Steinwolle bei, sie erhöhen vielmehr die Masse der Steinwolle in unerwünschter Weise.
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Weiterhin neigen die in einer Schalldämpferwolle befindlichen Perlen dazu, im pulsierenden Abgasstrom relativ zu den Fasern zu schwingen, wobei sie durch ihre erhöhte Masse gegenüber den einzelnen Wollefasern auf diese wirken und zu einer teilweisen Zerstörung des Fasermaterials führen können. Aufgrund der so bedingten Schwächung der Schalldämpferwollefasern wird die Wirkung der Schalldämpferwolle in unerwünschter Weise beeinträchtigt. Hinzu tritt, daß Faseranteile freigesetzt und mit dem Abgasstrom in die Umgebung ausgetragen werden können.
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Neben der Freisetzung von Fasern oder Faserbruch durch die Einwirkung von Perlen, kann es auch im Normalbetrieb zum Ausstoß von Fasern oder Faserbestandteilen aus der Schalldämpferwolle kommen, und zwar aufgrund der Einwirkungen des Abgasstromes. Dies hat im wesentlichen seine Ursache darin, daß aufgrund der zuvor genannten Bedingungen im Schalldämpfertopf sowie der Notwendigkeit, die Schalldämpferwolle hinreichend gasdurchlässig zu halten, es keine befriedigende Möglichkeiten gibt, die Fasern in der Dämpferwolle hinreichend mechanisch zu befestigen, z. B. durch Verkleben.
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Der Austrag von Fasern sowie Faserbruch aus dem Schalldämpfersystem in die Umgebung ist äußerst bedenklich, soweit die Fasern oder Faserbestandteile lungengängig und nicht biologisch abbaubar sind. Die Inhalation derartiger Fasern kann zu einem deutlich erhöhten Gefährdungsrisiko führen und ist folglich abzulehnen.
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Zu der Gefährdung der Umwelt während des Normalbetriebes einer Schalldämpferanlage kann auch noch eine erhöhte Umweltgefährdung bei Betriebsstörungen hinzutreten. Auch ist neben Vorkehrungen beim Verarbeiten von Schalldämpfereinlagen eine erhöhte Aufmerksamkeit bei der fachgerechten Entsorgung von ausgemusterten Dämpferanlagen sowie darin befindlicher Schalldämpferwolle notwendig.
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Nach dem Stande der Technik wird neben E-Glas (Endlosglasfasern) vornehmlich Basaltwolle als Schalldämpfermaterial in Schalldämpfer- bzw. Auspuffanlagen verwendet. Basaltwolle eignet sich aufgrund ihrer hohen chemischen und thermischen Beständigkeit in besonderer Weise für die Verwendung in Schalldämpferanlagen für Verbrennungsmotoren.
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Basaltwolle kann jedoch einen gewissen Anteil an Fasern im lungengängigen Größenbereich aufweisen. Basaltfasern weisen eine biologische Abbaubarkeit auf, die durch eine Halbwertszeit in einem physiologischen Milieu von weniger als 300 Tagen gekennzeichnet ist. Basaltfasern wird somit ein gewisses karzinogenes Gefährdungspotential zugeschrieben. Folglich ist der Einsatz von Basaltwolle als Schalldämpfermaterial mit gesundheitlichen Bedenken verbunden und daher abzulehnen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Material bereitzustellen, das zu Fasern einer Schalldämpferwolle verarbeitet werden kann, physiologisch abbaubar ist und Belastungen in einem Schalldämpfersystem für Verbrennungsmotoren Stand hält.
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Gelöst wird, diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruches 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt, bevorzugte Verwendungen durch die Maßnahmen in den Ansprüchen 8 bis 10.
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Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß eine Zusammensetzung sowie daraus gefertigte Fasern oder Wolle als Schalldämpferwolle in Schalldämpfer- bzw. Auspuffanlagen verwendbar und gleichzeitig in biologischem Milieu abbaubar ist, die gemäß Anspruch 1 gekennzeichnet ist.
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Es sind bereits Zusammensetzungen von Mineralwolle bekannt, die sich mit den beanspruchten Bereichen der erfindungsgemäßen Schalldämpferwolle überschneiden, so beispielsweise die
DE 693 12 857 T2 , die jedoch Mineralwolle für die Wärme- und Schalldämmung von Gebäuden betrifft bei einem maximalen Faserdurchmesser von 3,7 μm für die Mineralwolle. Ferner wird auf die
DE 195 46 180 A1 verwiesen, die allerdings ein aus drei Lagen aufgebautes Brandschutzelement betrifft, bei dem eine Zwischenschicht aus brennbarem Material, welches sich insbesondere bei Temperaturen zwischen 200 und 300°C zersetzt, angeordnet ist.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform besteht die Zusammensetzung aus folgender Zusammensetzung in Gewichtsprozent:
| SiO2 | 58,5 bis 61,0 |
| Al2O3 | 0,9 bis 2,05 |
| CaO | 12 bis 20 |
| MgO | 8,0 bis 18 |
| Na2O | 3,0 bis 5,0 |
| K2O | 0,1 bis 1,0 |
| Fe2O3 | 5,0 bis 7,0 |
| TiO2 | 0 bis 0,4 |
| P2O5 | 0 bis 0,4 |
| MnO | 0 bis 0,4 |
| Verunreinigung | 0 bis 0,4 |
wobei weiterhin gilt, daß die Summe aus Calicumoxid und Magnesiumoxid im Bereich von 26,1 bis 30,1 Gew.-%, bevorzugt im Bereich von 28 bis 30 Gew.-% und die Summe aus Natriumoxid und Kaliumoxid im Bereich von 3,5 bis 6,5 Gew.-%, bevorzugt 3,5 bis 4,5 Gew.-% liegt.
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Die Zusammensetzung läßt sich in üblichen und bekannten Faserherstellungsvorrichtungen zu Fasern bzw. Wolle verarbeiten.
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Ein geeignetes Verfahren zur Faserherstellung aus den erfindungsgemäßen Zusammensetzungen ist das Düsenblasverfahren, wie es aus der Steinwolleherstellung bekannt ist.
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Als besonders geeignet für die Verwendung als Schalldämpferwolle zeigten sich Fasern mit einem mittleren Durchmesser im Bereich von 8 μm bis 15 μm.
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Die erfindungsgemäße Zusammensetzung zeigt bei der Faserherstellung in überraschender und vorteilhafter Weise eine geringe Neigung zur Perlenbildung. Bei der Faserherstellung im Düsenblasverfahren weisen die erstellten Fasern einen Anteil von weniger als 20 Gew.-%, bevorzugt weniger als 15 Gew.-% an Perlen von < 250 μm auf, bezogen auf die Gesamtmasse der erstellten Fasern, ohne dass weitere Maßnahmen zur Verhinderung der Perlenbildung oder Entfernung von Perlen ergriffen werden müssen.
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Ein Perlenanteil mit Perlen von < 250 μm und von weniger als 20 Gew.-% ist ausreichend, um Zerstörungen oder Beeinträchtigungen der Schalldämpferwolle durch Perlen zu vermeiden. Folglich müssen bei der erfindungsgemäßen Faserzusammensetzung keine weiteren Maßnahmen zur Verhinderung der Perlenbildung oder der Entfernung von Perlen aus der Schalldämpferwolle ergriffen werden.
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Schalldämpferwollefasern der erfindungsgemäßen Zusammensetzung weisen eine hohe biologische Abbaubarkeit auf, wobei deren Halbwertszeit weniger als 40 Tage, bevorzugt weniger als 35 Tage beträgt. Die Halbwertszeit wird dabei gemäß der Gefahrstoffverordnung, Anhang V, Nr. 7 vom 12. Juni 1998 bestimmt, wonach 2 mg einer Fasersuspension einer Faserfraktion mit einer Länge > 5 μm, einem Durchmesser < 3 μm und einem Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis von > 3:1 (WHO-Faser) Versuchstieren intratracheal instilliert wird.
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Zur besseren Handhabung bei der Weiterverarbeitung und/oder zur Herstellung von Formteilen kann der erfindungsgemäßen Schalldämpferwolle ein Bindemittelgehalt von bis zu 2,5 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtzusammensetzung der erfindungsgemäßen Wolle zugegeben werden. Bevorzugt ist ein Phenolharz als Bindemittel. Das Bindemittel verbrennt rückstandsfrei bei dem erstmaligem Erreichen der Betriebstemperatur von etwa 700°C der Schalldämpferwolle.
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Das Bindemittel dient allein zur Vereinfachung der Handhabung der Schalldämpferwolle während der Verarbeitung im Schalldämpfertopf, wobei der Wolle eine verstärkte Formsteifigkeit verliehen wird.
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Die Schalldämpferwolle kann in einfacher und bekannter Weise durch Stopfen der Wolle in die dafür vorgesehenen Bereiche des Auspufftopfes verarbeitet werden. In einer weiteren Ausführungsform kann die Schalldämpferwolle in einem zusätzlichen Arbeitsschritt mittels bekannter Preß- und Formungstechniken zu einem Formteil verarbeitet werden, das anschließend in den dafür vorgesehenen Bereich des Auspufftopfes eingebracht wird.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Schalldämpferwolle besteht darin, das diese im wesentlichen die gleichen Eigenschaften hinsichtlich der Verarbeitung sowie der physikalischen und chemischen Beständigkeit wie die bekannte und übliche Basaltwolle aufweist. Auch entspricht das Schalldämmverhalten dem von üblicher Basaltwolle.
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Durch diese vorteilhafte Übereinstimmung der genannten Eigenschaften der erfindungsgemäßen Schalldämpferwolle mit Basaltwolle entfällt die Notwendigkeit zur Umrüstung der Vorrichtungen zur Herstellung von Schalldämpfanlagen, insbesondere von Schalldämpfertöpfen. Auch sind Veränderungen an der Geometrie der Schalldämpfertöpfe nicht notwendig.
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Die Übereinstimmung der fertigungstechnisch relevanten Parameter sowie der für den Betrieb relevanten physikalischen und chemischen Parameter zwischen der erfindungsgemäßen Schalldämpferwolle und Basaltwolle werden durch die Tabelle 1 verdeutlicht. Tabelle 1
| Parameter | erfindungsgemäße | Basaltwolle |
| | Dämpferwolle | |
| Feuchte | ≤ 0,5% | ≤ 0,5% |
| Bindemittelgehalt | ≤ 2,5% | ≤ 2,5% |
| Perlen (> 250 μm) | ≤ 20% | ≤ 20% |
| mittlerer Faserdurchmesser | ≥ 8 μm | ≥ 8 μm |
| Rohdichte | 120 kg/m3 | 120 kg/m3 |
| Säurebeständigkeit (Rückstand) | ≥ 90% | ≥ 90% |
| Glühverlust | ≤ 2,5% | ≤ 2,5% |
| Rekristallisationsverhalten, 720°C, 10 Min., oxidierende Bedingungen, Rohrprüfung | keine Sinter- und Rekristallisationseffekte | keine Sinter- und Rekristallisationseffekte |
| Rekristallisationsverhalten, 650°C, 2 h, oxidierende Bedingungen | keine Sinter- und Rekristallisationseffekte | keine Sinter- und Rekristallisationseffekte |
| Ausblasrate nach Gillet | < 15% | < 15% |
| akkustisches Verhalten – Kundsches Rohr
500–70 Hz
> 1000 Hz | > 60%
> 90% | > 60%
> 90% |
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Die Bestimmung der Ausblasrate erfolgte mit einer in der einschlägigen Industrie üblichen Vorrichtung.
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Hierbei wird die Ausblasrate als prozentualer Verlust des Wollkörpers bzw. der getesteten Wolle zwischen Versuchsbeginn und nach Versuchsende angegeben.
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Beispiel 1: Bestimmung der Ausblasrate
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Eine erfindungsgemäße Schalldämpferwolle mit der Zusammensetzung gemäß Tabelle 2 zeigte nach 8000 Zyklen eine Ausblasrate von < 10%. Tabelle 2 getestete Faserzusammensetzung
| SiO2 | 58,5 Gew.-% |
| Al2O3 | 2,0 Gew.-% |
| CaO | 19,5 Gew.-% |
| MgO | 9,5 Gew.-% |
| Na2O | 3,5 Gew.-% |
| K2O | 0,2 Gew.-% |
| Fe2O3 | 6,5 Gew.-% |
| TiO2 | 0,3 Gew.-% |
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Beispiel 2: Bestimmung der Ausblasrate
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Eine erfindungsgemäße Schalldämpferwolle mit der Zusammensetzung gemäß Tabelle 3 zeigte nach 8000 Zyklen eine Ausblasrate von < 10%. Tabelle 3 getestete Faserzusammensetzung
| SiO2 | 58,5 Gew.-% |
| Al2O3 | 2,0 Gew.-% |
| CaO | 12 Gew.-% |
| MgO | 17 Gew.-% |
| Na2O | 3,5 Gew.-% |
| K2O | 0,2 Gew.-% |
| Fe2O3 | 6,5 Gew.-% |
| TiO2 | 0,3 Gew.-% |
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Beispiel 3
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Biologische Abbaubarkeit der erfindungsgemäßen Faserzusammensetzung
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Die biologische Beständigkeit der erfindungsgemäßen Fasern wird im Tierversuch überprüft. Die Untersuchungen werden an einer Faserfraktion gemäß der Definition der World Health Organisation (WHO-Fasern) durchgeführt. Die Fasern der Faserfraktion haben dabei eine Länge von > 5 μm, einen Durchmesser < 3 μm und ein Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis von > 3:1. Von der Faserfraktion werden 2 mg einer Fasersuspension den Versuchstieren intratracheal instilliert.
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Die Zusammensetzung der getesteten Faserfraktion ist in Tabelle 3 gezeigt: Tabelle 4
| SiO2 | 60,23 Gew.-% |
| Al2O3 | 1,05 Gew.-% |
| Fe2O3 | 5,45 Gew.-% |
| TiO2 | -- |
| CaO | 19,3 Gew.-% |
| MgO | 8,8 Gew.-% |
| Na2O | 4,6 Gew.-% |
| K2O | 0,4 Gew.-% |
| Verunreinigungen | Rest |
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Die Halbwertszeit der getesteten Faserfraktion der erfindungsgemäßen Faserzusammensetzung betrug 34 Tage.