DE202022102705U1 - Thermally insulating 3D product made of basalt fiber - Google Patents

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Abstract

Wärmedämmendes 3D-Erzeugnis, hergestellt hauptsächlich aus Basaltstapelfasern, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Fasern, die hauptsächlich aus Basalt bestehen, ein Bindemittel aus wässrigen Lösungen von mineralischen Bindemitteln oder siliziumorganischen Bindemitteln oder deren Kombinationen, mit einer Gesamtdicke nach dem Trocknen von mindestens 5 µm und höchstens 50 |jm, schichtweise auf den Fasern aufweisen.

Figure DE202022102705U1_0000
Thermally insulating 3D product made mainly from basalt staple fibers, characterized in that the fibers, which mainly consist of basalt, are coated with a binder consisting of aqueous solutions of mineral binders or silicon-organic binders or combinations thereof, with a total thickness after drying of at least 5 µm and at most 50 µm, in layers on the fibres.
Figure DE202022102705U1_0000

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf den Bereich des Schiffbaus, Industrie- und Zivilbaus und kann auch zur Herstellung von feuerfesten Elementen von Gebäuden oder architektonischen Strukturen mit einer Feuerwiderstandsdauer von bis zu 120 Minuten verwendet werden.The present invention relates to the field of shipbuilding, industrial and civil construction and can also be used to manufacture refractory elements of buildings or architectural structures with a fire resistance period of up to 120 minutes.

An Wärmedämmstoffe sind hohe Anforderungen gestellt. Vor allem sollen sie über hohe Wärmedämm- und Festigkeitseigenschaften verfügen. Außerdem sollen diese Materialien hohe Brandschutzeigenschaften aufweisen, im Brandfall keine gesundheitsschädlichen Stoffe freisetzen, den Auswirkungen atmosphärischer Niederschläge standhalten und bei Verwendung im Schiffbau seewasserbeständig und leicht zu entsorgen sein. Zusätzlich zu all diesen Bedingungen sollen die Produkte umweltschonend und gesundheitsfreundlich sein.High demands are placed on thermal insulation materials. Above all, they should have high thermal insulation and strength properties. In addition, these materials should have high fire protection properties, not release any harmful substances in the event of fire, withstand the effects of atmospheric precipitation and, when used in shipbuilding, be seawater-resistant and easy to dispose of. In addition to all these conditions, the products should be environmentally friendly and health-friendly.

Die Verwendung von Produkten mit erhöhter Beständigkeit gegen aggressive Medien, einschließlich flüssiger und gasförmiger Medien, sowie die Verwendung von Produkten mit hohen Wärmedämmeigenschaften bei geringer Dichte und hoher mechanischer Festigkeit in den oben genannten Bereichen sind Aufgaben, die durch den Einsatz der vorgeschlagenen technischen Lösung gelöst werden.The use of products with increased resistance to aggressive media, including liquid and gaseous media, as well as the use of products with high thermal insulation properties with low density and high mechanical strength in the above areas are tasks that will be solved using the proposed technical solution .

Hochtemperatur-Wärmeschutzprodukte, die aus Basaltfasern oder mikroporösem Kalziumsilikat oder keramischen Alumosilikatfasern hergestellt werden, sind zum Beispiel aus den folgenden Patenten bekannt: DE4302683A1 , DE19528130B4 , DE000003915170 , RU0002651718 , EP2257503A1 .High-temperature thermal protection products made of basalt fibers or microporous calcium silicate or ceramic aluminosilicate fibers are known, for example, from the following patents: DE4302683A1 , DE19528130B4 , DE000003915170 , RU0002651718 , EP2257503A1 .

Alle aufgezählten Erzeugnisse haben entweder eine unzureichende mechanische Festigkeit oder eine geringe Beständigkeit gegen Seewasser oder eine unzureichende Wärmedämmleistung im Temperaturbereich von - 50 bis +1050°C.All listed products have either insufficient mechanical strength or low resistance to seawater or insufficient thermal insulation performance in the temperature range from -50 to +1050°C.

Das engste Analogon der beanspruchten Lösung ist das Patent DE202021105451 , in dem zur Erhöhung der Festigkeit und der thermischen Isolationseigenschaften Keramikfasern mit nanoskaligen abwechselnden Schichten aus kohlenstoffhaltigen und siliziumhaltigen Flüssigkomponenten beschichtet werden, die nach Aushärtung und Wärmebehandlung Schichten bilden, in denen starke sauerstofffreie Verbindungen mit mikro- und nanoporöser Struktur dominieren. Die Anzahl der Schichten sollte nicht weniger als drei und nicht mehr als zehn betragen. Diese Struktur ermöglicht es, den Widerstand gegen Gas- und Luftströme zu erhöhen und die Wärmeleitfähigkeit des Produkts bei Temperaturen über 1400°C zu verringern.The closest analogue of the claimed solution is the patent DE202021105451 , in which, to increase strength and thermal insulation properties, ceramic fibers are coated with nanoscale alternating layers of carbonaceous and siliceous liquid components which, after hardening and heat treatment, form layers in which strong oxygen-free compounds with a micro- and nanoporous structure dominate. The number of layers should be no less than three and no more than ten. This structure makes it possible to increase the resistance to gas and air flows and reduce the thermal conductivity of the product at temperatures above 1400°C.

Der größte Nachteil dieses Wärmeschutzprodukts aus Keramikfasern besteht darin, dass es bei Wärmekonvektion keinen ausreichenden Wärmeschutz bei Temperaturen zwischen - 50°C und +900°C bietet.The main disadvantage of this thermal protection product made of ceramic fibers is that it does not provide sufficient thermal protection at temperatures between - 50°C and +900°C under heat convection.

Das beanspruchte Gebrauchsmuster zielt auf die Erhöhung der Wärmedämmleistung im Bereich von - 50 bis +1050°C und die Erhöhung der Seewasserbeständigkeit sowie auf die Umweltfreundlichkeit des Herstellungsprozesses des Produkts, seines späteren Betriebs und seiner Entsorgung ab.The claimed utility model is aimed at increasing the thermal insulation performance in the range from - 50 to +1050°C and increasing seawater resistance, as well as the environmental friendliness of the manufacturing process of the product, its subsequent operation and disposal.

Das technische Ergebnis beruht darauf, dass in diesem Erzeugnis aus keramischen Fasern (hauptsächlich aus Basalt bestehend), das durch Vakuumformen hergestellt wird, als Bindemittel eine wässrige Lösung von mineralischen oder siliziumorganischen Bindemitteln oder Kombination dieser Bindemittel gelten. Diese Bindemittel sollen keine Phenolverbindungen, Alkali- oder Erdalkalioxide enthalten, und die Gesamtdicke der aufgetragenen Bindemittelschichten soll nach dem Trocknen im Bereich von 5 bis 50 µm liegen. Um das Produkt seewasser-, säure- und laugenbeständig zu machen, müssen mindestens zwei der aufgetragenen Schichten aus einer wässrigen Lösung von Kieselsäure bestehen.The technical result is based on the fact that in this product made of ceramic fibers (consisting mainly of basalt), which is manufactured by vacuum forming, the binder is an aqueous solution of mineral or siliceous binders or a combination of these binders. These binders should not contain any phenolic compounds, alkali metal or alkaline earth metal oxides, and the total thickness of the layers of binder applied should be in the range from 5 to 50 μm after drying. In order to make the product resistant to seawater, acids and alkalis, at least two of the layers applied must consist of an aqueous solution of silicic acid.

Diese Struktur trägt zur Erhöhung der Widerstandsfähigkeit des Erzeugnisses gegen Seewasser und aggressive flüssige und gasförmige Medien, insbesondere gegen Säuren und Laugen, sowie zur Erhöhung des Wärmeschutzes bei Temperaturen von - 50 bis +900°C bei.This structure contributes to increasing the product's resistance to seawater and aggressive liquid and gaseous media, especially acids and alkalis, as well as increasing thermal protection at temperatures from - 50 to +900°C.

Die Seewasserbeständigkeit wurde mittels Bestimmung des Masseverlustes des Erzeugnisses nach Einwirkung der entsprechenden Flüssigkeit auf das Erzeugnis innerhalb von 72 Stunden und 240 Stunden sowie als Bestimmung der Änderung der geometrischen Abmessungen während der Prüfzeit ermittelt. Die tatsächlichen Werte wurden als Masseverlust über einen bestimmten Zeitraum und als Änderung der geometrischen Abmessungen bestimmt.The seawater resistance was determined by determining the mass loss of the product after the product had been exposed to the relevant liquid within 72 hours and 240 hours and by determining the change in the geometric dimensions during the test period. Actual values were determined as mass loss over time and change in geometric dimensions.

Das beanspruchte Gebrauchsmuster wies unter diesen Bedingungen einen Masseverlust von weniger als 0,5 % auf, während das Vergleichsmodell einen Masseverlust von etwa 2 % aufwies.Under these conditions, the claimed utility model had a mass loss of less than 0.5%, while the comparative model had a mass loss of around 2%.

Die geometrischen Abmessungen des beanspruchten Gebrauchsmusters betrugen +0,2 %, die des Vergleichsmodells +2,5 %.The geometric dimensions of the claimed utility model were +0.2%, those of the comparison model +2.5%.

Im Praxishandbuch «Feuerfeste Werkstoffe», Vulkan-Verlag, auf den Seiten 224, 235, 326-333, sind bestimmte Wärmedämmeigenschaften von Materialien beschrieben, die sich je nach Temperaturbereich ändern.In the practical handbook «Refractories», Vulkan-Verlag, on pages 224, 235, 326-333, certain thermal insulation properties are specified ten of materials that change depending on the temperature range.

Die Wärmeübertragung durch Strahlung dominiert in feuerfesten und wärmeisolierenden Materialien bereits bei Temperaturen über 800°C. Dämpfer der Wärmeübertragung durch Strahlung sind fein dispergierte, hauptsächlich nanodisperse Additive, die die Fasern verstärken und einen hohen Wärmeschutz bei Temperaturen über 1400°C gewährleisten.Heat transfer by radiation is dominant in refractory and thermally insulating materials at temperatures above 800°C. Radiative heat transfer dampeners are finely dispersed, mainly nanodispersed, additives that strengthen the fibers and ensure high thermal protection at temperatures above 1400°C.

Bei Temperaturen unter 800°C überwiegt Wärmeübertragung durch Konvektion. Um hohe Wärmedämmeigenschaften in diesem Temperaturbereich zu erreichen, müssen daher Bedingungen geschaffen werden, die die Konvektionswärmeübertragung verringern, was in der beanspruchten technischen Lösung vorgeschlagen wird.At temperatures below 800°C, heat transfer by convection predominates. Therefore, in order to achieve high thermal insulation properties in this temperature range, it is necessary to create conditions that reduce convective heat transfer, which is proposed in the claimed technical solution.

Um die gewünschte Struktur zu bilden, muss die Gesamtdicke der auf die Basaltfasern des Produkts aufgetragenen Bindemittelschichten nach dem Trocknen im Bereich von 5 bis 50 µm liegen.In order to form the desired structure, the total thickness of the layers of binder applied to the basalt fibers of the product after drying must be in the range of 5 to 50 µm.

Um die Basaltfasern seewasserbeständig zu machen, sollen die Bindemittel keine Alkali- und Erdalkalioxide enthalten und mindestens zwei der aufgetragenen Schichten sollen aus einer wässrigen Lösung von Kieselsäure bestehen.In order to make the basalt fibers resistant to seawater, the binder should not contain any alkali metal or alkaline earth metal oxides and at least two of the layers applied should consist of an aqueous solution of silicic acid.

Aus Umweltschutzgründen soll das Bindemittel keine Phenolverbindungen enthalten.For environmental reasons, the binder should not contain any phenolic compounds.

Die Gesamtschichtdicke sollte nicht weniger als 5 µm betragen, um die Basaltfasern vor der Auswirkung von Seewasser zu schützen. Unterhalb dieses Wertes wird die Beschichtung erodiert, so dass die Basaltfasern durch Seewasser zerstört werden können. Eine Gesamtschichtdicke von mehr als 50 µm verringert das Porenvolumen und erhöht somit die Wärmeübertragung durch Konvektion, was die Wärmedämmeigenschaften des Erzeugnisses verringert.The total layer thickness should not be less than 5 µm to protect the basalt fibers from the impact of sea water. Below this value, the coating is eroded so that the basalt fibers can be destroyed by seawater. A total layer thickness of more than 50 µm reduces the pore volume and thus increases the heat transfer by convection, which reduces the thermal insulation properties of the product.

Eine Kieselsäurelösung in der Beschichtung führt zur Bildung von Filmen aus Siliziumoxid auf der Oberfläche der Fasern, die eine Resistenz gegen aggressive Medien, insbesondere gegen Meerwasser, verleihen.A silicic acid solution in the coating leads to the formation of silicon oxide films on the surface of the fibers, which confer resistance to aggressive media, especially seawater.

Wenn die Anzahl der Filme aus Siliziumoxid weniger als zwei beträgt, steigt die Wahrscheinlichkeit der Zerstörung solcher Filme durch mechanische Einwirkung auf das Erzeugnis und die Basaltfasern werden somit einem direkten Kontakt mit einer aggressiven Umgebung ausgesetzt.If the number of films of silicon oxide is less than two, then the probability of destruction of such films by mechanical impact on the product increases, and thus the basalt fibers are exposed to direct contact with an aggressive environment.

Die Kombination der oben genannten Merkmale ermöglicht es, ein hitzebeständiges Erzeugnis aus keramischen Fasern, hauptsächlich aus Basalt, mit hoher Beständigkeit gegenüber aggressiven Medien, insbesondere Meerwasser, zu erhalten und die Wärmedämmleistung im Temperaturbereich von - 50 bis +1050 °C zu erhöhen.The combination of the above features makes it possible to obtain a heat-resistant product from ceramic fibers, mainly from basalt, with high resistance to aggressive media, especially sea water, and to increase thermal insulation performance in the temperature range from - 50 to +1050 °C.

Das wärmedämmende 3D-Erzeugnis wird aus keramischen Fasern, die überwiegend aus Basalt bestehen, durch Vakuumformen hergestellt. Als Bindemittel kann eine oder mehrere wässrige(n) Lösung(en) von mineralischen oder siliziumorganischen Bindemitteln oder Kombination dieser Bindemittel, die in Schichten aufgetragen werden bereitgestellt sein. Diese Bindemittel dürfen vorzugsweise weder Phenolverbindungen noch Alkali- oder Erdalkalioxide enthalten. Die Gesamtdicke des auf die Fasern aufgetragenen Bindemittels oder der Kombination der Bindemittel soll vorzugsweise nach dem Trocknen im Bereich von 5 bis 50 µm liegen. Um das Produkt seewasser-, säure- und laugenbeständig zu machen, sollten mindestens zwei der aufgetragenen Schichten aus einer wässrigen Lösung von Kieselsäure bestehen. Nach dem Trocknen erhält das Produkt eine ausreichende mechanische Festigkeit und seine Struktur ermöglicht es, Wärmeverluste bei Temperaturen von -50 bis + 1050°C zu reduzieren.The thermally insulating 3D product is made of ceramic fibers, which mainly consist of basalt, by vacuum forming. One or more aqueous solution(s) of mineral or silicon-organic binders or a combination of these binders, which are applied in layers, can be provided as the binder. These binders should preferably contain neither phenolic compounds nor alkali metal or alkaline earth metal oxides. The total thickness of the binder or combination of binders applied to the fibers should preferably be in the range of 5 to 50 µm after drying. In order to make the product resistant to seawater, acids and alkalis, at least two of the layers applied should consist of an aqueous solution of silicic acid. After drying, the product acquires sufficient mechanical strength, and its structure makes it possible to reduce heat losses at temperatures from -50 to + 1050°C.

Das technische Ergebnis: höhere Beständigkeit der Basaltfaserprodukte gegenüber aggressiven Umgebungen, insbesondere Süß- und Meerwasser, sauren und alkalischen Lösungen und Wasserdampf, Erhöhung der thermischen Beständigkeit sowie Verringerung der Wärmeleitfähigkeit bei Temperaturen von - 50 bis +1050°C und zunehmende Umweltfreundlichkeit.The technical result: higher resistance of basalt fiber products to aggressive environments, especially fresh and sea water, acidic and alkaline solutions and water vapor, increase in thermal resistance and reduction in thermal conductivity at temperatures from - 50 to +1050°C and increasing environmental friendliness.

Die technische Lösung wird mittels , und veranschaulicht:

  • Gesamtansicht der vorliegenden Erfindung: a - Teil, der geschützt wird; b - wärmegedämmtes 3D-Erzeugnis.
  • Querschnitt einer Keramikfaser mit aufgetragenen Schichten: c - Mineralfaser; d - aufgetragene Bindemittelschichten.
  • Mögliche Varianten der dekorativen Gestaltung eines wärmedämmendes 3D-Erzeugnisses.
The technical solution is , and illustrates:
  • Overall view of the present invention: a - part being protected; b - thermally insulated 3D product.
  • Cross-section of a ceramic fiber with applied layers: c - mineral fiber; d - applied layers of binder.
  • Possible variants of decorative design of a 3D thermal insulation product.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Claims (4)

Wärmedämmendes 3D-Erzeugnis, hergestellt hauptsächlich aus Basaltstapelfasern, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Fasern, die hauptsächlich aus Basalt bestehen, ein Bindemittel aus wässrigen Lösungen von mineralischen Bindemitteln oder siliziumorganischen Bindemitteln oder deren Kombinationen, mit einer Gesamtdicke nach dem Trocknen von mindestens 5 µm und höchstens 50 |jm, schichtweise auf den Fasern aufweisen.Thermally insulating 3D product made mainly from basalt staple fibers, characterized in that the fibers, which mainly consist of basalt, are coated with a binder consisting of aqueous solutions of mineral binders or silicon-organic binders or combinations thereof, with a total thickness after drying of at least 5 µm and at most 50 µm, in layers on the fibres. Wärmedämmendes 3D-Erzeugnis, dadurch gekennzeichnet, dass, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine, vorzugsweise mindestens zwei der aufgetragenen Schichten aus einer wässrigen Lösung von Kieselsäure entspringen.Heat-insulating 3D product, characterized in that, characterized in that at least one, preferably at least two, of the layers applied originate from an aqueous solution of silicic acid. Wärmedämmendes 3D-Erzeugnis nach einem der Ansprüch1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mineralischen oder siliziumorganischen Bindemittel keine Phenolverbindungen sowie Oxide von Alkali- und Erdalkalimaterialien enthalten.Heat-insulating 3D product according to one of Claims 1 or 2, characterized in that the mineral or silicon-organic binders do not contain any phenolic compounds or oxides of alkali or alkaline earth materials. Wärmedämmendes 3D-Erzeugnis nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es einstückig gebildet ist.Thermally insulating 3D product according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that it is formed in one piece.
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