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Titel: Verfahren zur Herstellung von Platten aus Mineralfasern Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Platten aus Mineralfasern auf
nassem Wege. Sie betrifft insbesondere ein Verfahren zur Herstellung von großen
Platten und Akustik-Platten aus wässrigen Suspensionen von Mineralfasern und Bindemitteln;
derartige Platten sind zur Anwendung als Kernmaterial, gegebenenfalls als Mantelteile
von leichten Sandwich-Bauelementen, als Untersicht, Verkleidungen und ähnlichen
geeignet.
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Unter dem Begriff Mineralfasern werden anorganische Kunstfasern verstanden,
die durch Zerfaserung von
geschmolzenen Gesteinen oder Schlacken
hergestellt werden und deren Zusammensetzung gegebenenfalls auf geeigente Weise
unter Berücksichtigung der geforderten Eigenschaften der Fasern gewählt wurde. Diese
Fasern zeichnen sich im allgemeinen durch eine glatte Oberfläche aus und sind nicht
imstande, Wasser zu assimilleren und in analoger Weise wie organische Fasern oder
natürliche Mineralfasern, wie beispielsweise Asbest, zu gelatinieren. Sie sind selbst
ebenfalls nicht befähigt, feste Zwischenfaserbindungen zu bilden, wieegeWpielsweise
bei Zellulosefasern der Fall ist. Zur Erzielung der erforderlichen Endfestigkeiten
des Erzeugnisses ist deshalb das benutzte Bindemittel von großer Wichtigkeit. Vom
Standpunkt der optimalen physikalischmechanischen Parameter der Platten her gesehen
ist außerdem die Fähigkeit sehr wichtig, das Bindemittel an den Fasern festzuhalten
und eine gleichmäßige Verteilung des Bindemittels in der Gesamtmasse im Hinblick
auf die Homogenität der Eigenschaften des Erzeugnisses und auf die maximale Festigkeit
der Zwischenfaserbindungen zu erzielen.
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Es sind mehrere Verfahren zur Bildung von Bauteilen aus Mineralfasern
und Bindemitteln bekannt geworden. Eines von ihnen besteht im Auftragen der Bindemittel
in Form von Ldaungen oder Dispersionen durch Aufspritzen durch Düsen auf die Fasern
während ihrer Herstellung unmittelbar nach der Zerfaserung der Schmelze, noch vor
dem Absetsen der Fasern auf dem Netsförderband der Absatzkammer.
Als
Bindemittel werden einige Naturpolymeren und insbesondere synthetische Harze verwendet.
Bei diesem Verfahren ist es schwierig, in dem Endprodukt eine gleichmäßige Verteilung
des Bindemittels zu erzielen, was sich durch die Nichthomogenität und schwankende
physikaIisch-mechanische Eigenschaften im Endprodukt ungünstig auswirkt, insbesondere
bei Bauteilen mit höherem Volumengewicht. Einen weiteren-Nachteil stellen auch die
beträchtlichen Verluste an dem Bindemittel dar, das mit dem Zerfaserungsmedium mitgerissen
wird.
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Es ist ferner ein Verfahren zur Herstellung von Elementen, wie Platten,
bekannt, und zwar durch Durchgiessen oder Eintauchen des Vlieses der verfilzen Mineralfasern
in Bindemittellösungen oder -dispersionen, durch EntfRrnung des Bindemittelüberschusses
und Trocknen, gegebenenfalls Pressen des auf diese Weise imprägnierten Teppichs,
Die hierbei benutzten Bindemittel sind von ähnlichen Charakter wie die oben erwähnten.
Auf diese Weise ist es möglich, die Verteilung des Bindemittels an den Fasern zu
verbessern und eine höhere Homogenität und eine bessere Qualität des Erzeugnisses
zu erzielen. In diesem Falle wird allerdings eine gute Verfilzung des Ausgangsvlieses
vorausgesetzt, bedingt durch langfaserige Wolle, deren Erzeugung mit einem wirtschaftlich
sehr anspruchsvollen Herstellungsverfahren verbunden ist. Zur Erzeugung von Platten
mit einem höheren Volumengesicht, die beispielsweise zur Schalldämmerung dienen,
wird ein anderes bekanntes Verfahren
benutzt. Es besteht in einer
Formierung aus konzentrierten wässrigen Mineralfaserbreien, welche das entsprechende
Bindemittel, Füllstoffe und Zusätze enthalten. Als Bindemittel wird in diesem Falle
gewöhnlich Stärke verwendet, aus der ein Stärkekleister in einer bestimmten Konzentration
zubereitet wird; in diesem Kleister werden dann Mineralwolle und weitere Komponenten
eingetragen.
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Die Konzentration dieser Breie beträgt bis etwa 25 Gew.-f der Trockensubstanz.
Die Elemente werden aus diesem Brei durch Formierung und Trockung erzeugt. Sie besitzen
sehr gute Schall- und wärmeisolierende Eigenschaften, sowie eine beträchtliche hohe
mechanische Festigkeit. Die Nachteile dieser Arbeitsweise liegen in der schwierigen
Filtrierbarkeit der Breie, welche für eine nachfolgende Formierung durch Pressen
nicht geeignet sind. Ein weiterer Nachteil liegt darin, daß es sich um einen diskontinuierlichen
Prozeß handelt. Zur Erzeugung von großdimensierten Platten mit hohem Volumengewicht
und mit hohen Festigkeiten ist es von Vorteil, die Formierung aus stark verdünnten
Mineralfaser- und Bindemittelsuspensionen auszuführen. Da man mit Konzentrationen
der Ausgangssuspension von 2 bis 5 % arbeitet, ist eine durchaus homogene Verteilung
des Bindemittels in der Masse und eine vollkommene Verfilzung der Faserkomponenten
sichergestellt, was die Bedingung für eine gleichmäßige Qualität des Enderzeugnisees
darstellt.
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Unter Berücksichtigung des Charakters der Mineralfasern werden diese
gewöhnlich mit einer anderen Art von verfilzbaren Fasern kombiniert, wie Zellulose
oder Ausbest, da es bei den Suspensionen von bloßen Mineralfasern sehr leicht zur
Entwässerung und dadurch zu beträcht]ichen Verlusten an gelösten oder dispergierten
Bindemitteln und weiteren Komponenten kommen kann. Zugleich können die zugesetzten
verfilzbaren Fasern die Funktion eines Bindemittels erfüllen. Als Verdickungsmittel,
welche das Entwässerungsvermögen der Suspensionen herabsetzen, können ebenfalls
nichtfaserige Stoffe, wie z. B. gelatinisierte Stärke, Zellulosederivate, Bentonit
und ähnl., Anwendung finden. Von anderen Bindemittelarten werden auch verschiedene
natürliche und synthetische makromolekulare Stoffe, Asphaltemulsionen oder dggleichen
benutzt.
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Von den verschiedenen Zellulosearten hat sich bei der Herstellung
von Mineralfaserplatten mit hohen Festigkeit ten als Bindemittel für Minerlafasern
insbesondere frische, feinstgemahlene Sulphatxellulose bewährt, deren feine Fibrillen
die einzelnen Mineralfasern überziehen und so den Charakter ihrer Oberfläche und
deren Verhalten während der nachfolgenden Aufarbeitung verändern. Bei der Entwässerung
kommt es dann zu einer gegenseitigen Bindung der Zellulosefasern, welche die Mineralfasern
überziehen, wobei die Bindekräfte ihren Ursprung in der Bildung von Wasserstoffbindungen
haben. Die Existenz von hochgequollenen amorphen Gebieten in der Zellulosefaser
trägt zur
Bildung dieser Bindungen bedeutend bei. Die genannte hochhydratisierte
Zellulose kann entweder allein verwendet oder mit anderen Bindemitteln kombiniert
werden.
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Als Nachteil dieses Verfahrens zeigt es sich, daß es notwendig ist,
eine hochwertige, frisch zubereitete und hochhydratisierte Zellulose zu verwenden.
Es ist ebenfalls bekannt, verschiedene Sorten weniger wertvoller Zellulosefasern
zu verwenden. Die physikalisch-mechanischen Eigenschaften der Enderzeugnisse sind
allerdings im Vergleich mit der Verwendung der erwähnten frischen, feinstgemahlenen
Sulphatzellulose bedeutend schlechter.
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Vom Standpunkt der physikalisch-mechanischen Eigenschaften des Erzeugnisses
und der Widerstandsfähigkeit gegenüber verschiedenen Einflüssen ist es ferner von
Vorteil, synthetische Harze als Bindemittel zu verwenden. Es finden insbesondere
Thermoseta, gegebenenfalls in Kombination mit anderen Bindemitteln, Anwendung. Bei
der Aufarbeitung von wässrigen Suspensionen von Mineralfasern und gelöstem oder
dispergiertem Kunstharz kommt es gewöhnlich zu Schwierigkeiten infolge der beträchtlichen
Harzverluste mit dem beim Sieben abfiltrierten Wasser, was unter Berücksichtigung
des Preises des Harzes vom ökonomischen Standpunkt aus einen beträchtlichen Nachteil
darstellt. Den zweiten Nachteil stellt die Verunreinigung der Abwässer mit Phenolen
dar.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die angeführten Nachteile
zu beseitigen und ein Verfahren zur Herstellung von Platten mit hoher Zugfestigkeit
bei Biegung und hoher Oberflächenhärte zu schaffen, wobei die Platten aus einer
wässrigen Suspension, enthaltend (bezogen auf die Trockensubstanz) 5 bis 85 Gew.-%
Mineralfasern, 0?2 bis 2,0 Gew.-% einer Paraffin-, Wachs-, bzw. Asphaltemulsion,
0,01 bis 0,1 Gew.-% eines Konservierungsmittels und 0,01 bis 0,1 Gew.-fO eines Flokulierungsmittels,
ferner 2 bis 20 Gew.-% Zellulosefasermasse, native Stärke in einer Menge (bezogen
auf die Trockensubstanz) bis zu 10 Gew.-, Bentonit in einer Menge bis zu 10 Gew.-%
und Diatomitin einer Menge bis zu 20 Gew.-%, bestehen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsmäßig dadurch gelöst, daß man der Suspension
unter stetigem Rühren 2 bis 10 Gew.-eines gepulverten oder vorher verkleisterten
Reaktionsproduktes, welches durch Einwirkung der Phosphorsäure, deren Salzen oder
deren Derivate auf Stärke oder auf deren Derivate entsteht, zusetzt, wonach man
die Konzentration der Suspension auf 0,5 bis 5,0 Gew.-% der Trockensubstanz einstellt,
die Suspension nach eventueller Zugabe von Aluminiumsulfat zwecks Einstellung des
pH-Wertes auf 4 bis 6 entwässert und gegebenenfalls unter Bildung eines nassen faserigen
Teppichs preßt, den man trocknet und einer weiteren Aufarbeitung, wie beispielsweise
Kalibrierung, Formierung, Perforierung oder Oberflächenbearbeitung unterwirft.
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Die Erfindung stellt eine wesentliche Verbesserung der physikalisch-mechanischen
Eigenschaften von Mineralfaserplatten-dar, welche aus verdünnten Faser-Bindemittel-Suspensionen
hergestellt werden. Dadurch wird die Anwendung derselben als Kern-, gegebenenfalls
als Mantelwerkstoffe für leichte Sandwich-Bauelemente, ferner für Untersichtplatten,
Verkleidungen, Akustik-Platten usw. ermöglicht, ohne daß es zu Verlusten an teueren
Bindemitteln, zur Verunreinigung von Abwässern mit synthetischen Thermosetten (Thermo6olen)
und tu weiteren unerwünschten Erscheinungen käme. Ferner ist es erfindungsgemäß
möglich, die Verwendung der teuren hochwertigen frischen Sulfatzellulose bei Aufrechterhaltung
derselben physikalisch-mechanichen Eigaschaften der Endprodukte, in erster Linie
der Fsstigkeiten, unnötig zu machen.
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Das Reaktionsprodukt aus Stärke und Phosphorsäure, gegebenenfalls
deren Salzen oder Derivaten (im weiteren als Phosphorstärke bezeichnet3 kann beispielsweise
so hergestellt werden, daß man auf Kartoffelstärke mit einer gesättigten wässrigen
KH2PO4-Na2HPO4-Lösung bei erhöhter Temperatur einwirkt. Hiernach wird die überschüssige
Phosphatlösung entfernt und das phosphorylierte Produkt bei erhöhter Temperatur
getrocknet. Das so erhaltene Reaktionsprodukt kann bei der Anwendung leicht unter
Bildung von sehr viskosen Kleistern verkleistert werden.
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Es wurde festgestellt, daß bei der Verwendung von Phosphorstärke anstelle
der nativen Stärke oder in Kombination mit derselben, die Zugfestigkeit beim Biegen
drei- bis vierfach und die Oberflächenhärte zwei- bis dreifach erhöht wird. Es läßt
sich deshalb die hochwertige feinatgemahlene Sulfatzellulose durch einen hochwertigen
Zellulosefaserstoff ersetzen, beispielsweise durch den Abfall aus der Papierfabrikation,
bei Aufrechterhaltung der gleichen mechanischen Eigenschaften des Endproduktes und
bei einem beträchtlichen ökonomischen Effekt, der aus den Ersparnissen an hochwertiger
Zellulose hervorgeht. Bei der Anwendung des genannten Reaktionsproduktes aus Stärke
in Kombination mit der feinstgemahlenen Sulfatzellulese ist es möglich, bei den
gleichen mechanischen Eigenschaften des Erzeugnisses die Menge derselben wesentlich
herabzusetzen, was gleichzeitig eine Herabsetzung des Anteils von brennbaren Stoffen
im Erzeugnis und eine Verbesserung seiner Feuerbeständigkeit bedeutet. Für bestimmte
Zwecke, beispielsweise für die Erzeugung von Platten mit möglichst kleine Gehalt
an organischen Anteilen, ist es möglich, den Zusatz des Zellolosefaserstoffs wegzulassen
und als Bindemittel nur die Phospharstärke zu benutzen, wobei die Rolle eines Verdickungsmittels
eine geeignete anorganische Komponente, wie beispielsweise Bentonit, übernimmt.
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Ein weiterer Vorteil der Anwendung der Phosphorstärke anstatt der
nativen Stärke ergibt sich aus ihrer Fähigkeit, bei wesentlich niedrigerer Temperatur
zu verkleistern, wodurch es ermöglicht wird, die Temperatur bei Dampfbehandlung
zu erniedrigen und den Dampfbehandlungsprozeß wesentlich zu verkürzen oder gänzlich
wegzulassen.
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Das Prinzip der außerordentlich günstigen Wirkung des Reaktionsproduktes
aus Stärke und Phosphorsäure, gegebenenfalls aus deren Salzen, auf die Festigkeit
des Endproduktes ist nicht genau bekannt; es läßt sich aber eine gewisse Art der
Bindung zwischen Stärkemolekülen und Fasern, wahrscheinlich mit Hilfe der Reste
der gebundenen Phosphorsäure, sorausaotseno Von den Mineralfasern sind Gestein-
oder Schlackenfasern mit einem Durchmesser von 3 bis 12 Mikron geeignet, hergestellt
durch Zerfasern von geschmolzenen korrigierten Schlacken, Basalt, gegebenenfalls
von anderen Rohstoffen oder deren Kombinationen.
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Die Zellulosefasern lassen sich in Form von weniger wertvollen Produkten
oder Abfallprodukten benutzen, wie beispielsweise zerfasertem Altpapier, Abfall
sedimenten aus der Papierfabrik und ähnl. Für die Herstellung von Platten mit besonders
hohen Festigkeiten (Mantelplatten
von Sandwich-Teilen) oder von
solchen mit hoher Feuerbeständigkeit ist es möglich, eine kleinere Menge an frischer,
feinstgemahlener Sulfatzellulose zu verwenden.
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Als einen weiteren nichtfaserigen Zusatz kann man Bantonit gebrauchen,
der die Feuerbeständigkeit des Erzeugnisses und einige physikalisch-mechanische
Charakteristiken verbessert und der zugleich als Verdickungsmittel dient; ferner
lassen sich Füllstoffe, wie Diatomit und ähnl. zusetzen, welche die Entwässerung
der Ausgangssuspension beschleunigen.
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Ferner gibt man zwecks Herabsetzung des Wasseraufnahmevermögens des
Erzeugnisses ein Hydrophobierungsmittel zu, wie eine Paraff in-, Wachs-, bzw. Asphaltemulsion;
zwecks Regulierung des pH-Wertes der Suspension gibt man Alsun, gegebenenfalls Aluminiumsulfat
oder -chlorid zu. Zur Verbesserung der Entwässerungsfähigkeit gibt man ein Flokulierungsmittel,
wie beispielsweise Polyakrylamid und ähnl.,zu. Schließlich können Konservierungsmittel
zugesetzt werden.
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Die Zusammensetzung der Ausgangssuspension kann sich in folgenden
Grenzen bewegen (in Gew.-%, bezogen auf den Trockensubstanzgehalt):
Mineralwolle
50 - 90 Zellulosefaserstoff O - 20 Phosphorstärke 2 - 10 Nativstärke Q - 10 Bentonit
O - 10 Diatomit O - 20 Paraffin- bzw. Wachsemulsion o,2 - 2,0 Aluminiumsulfat 0,2
- 2,0 Konservierungsmittel 0,01 - 0,1 Flokulierungsmittel 0,01 - 0,1 Man geht so
vor, daß man zunächst den Zellulosefaserstoff in der notwendigen Menge Wasser verrührt
und den pH-Wert der Suspension gegebenenfalls durch Zusatz einer Aluminiumsulfatlösung
einstellt. Zum Verrühren läßt sich das abfiltrierte Wasser verwenden. In der Suspension
verrührt man ferner nach und nach Mineralwolle, Stärke, Füllstoffe und Zusätze.
Es ist zweckmäßig, zuerst Bentonit und weitere Füllstoffe getrennt mit Wasser zu
verrühren und den zubereiteten homogenen Brei in die Faserstoffsuspension einzumischen,
Es int ebenfalls vorteilhaft, die Nativstärkesuspension separat torzubereiten. Danach
wird die Paraffinemulsion und das Yonservierungsmittel zugesetzt und schließlich
wird in dem Gemisch die Phosphorstärke verrührt.
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Die Konzentration der Suspension wird auf 0,5 bis 5,0 Gew.-% der Trockensubstanz
eingestellt und nach Zusatz
von Alsun als Flokulierungsmittel wird
die Entwässerung auf einer geeigneten Vorrichtung, wie zum Beispiel einer Horizontalsiehmaschine,
einen Trommelsieb, einer vertikale Siebentwässerungsanlage oder dergleichen durchgeführt.
Der erhaltene nasse Teppich wird nach Kalibrierung der Dieke getrocknet und der
weiteren Aufarbeitung, wie Formgebung, Perforierung (falls Akustik-Platten fabriziert
werden), Oberflächenbehandlung und ähnl, unterworfen.
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Beispiele: Es wurden Suspensionen mit nachfolgender Zusammensetzung
(bezogen auf den Trockensubstanzgehalt) bereitet: Tebelle 1 A B C D E Rohstoff Menge
in g Mineralwolle 500 500 500 500 500 Abfallzellulose 40 40 40 40 40 Kartoffelstärke
40 - - - 20 Phosphorstärke - 40 40 40 20 Konservierungsmittel 0,23 0,23 0,23 0,23
0,23 Phosphosäure - 0,4ml 0,2ml -' -Aluminiumsulfat 1,4 - 0,35 1,4 1,4 Paraffinemulsion
57ml 57ml 57ml 57ml 57ml
Man geht so vor, daß man in den Mischer
zunächst 7 Liter Wasser, Abfallzellulose (Abfallsediment aus Papierfabriken) und
Konservierungsmittel vorlegt. Wían vermischt dieses Gemisch 10 Minuten und setzt
Kartoffelstärke (Suspension A - E) oder Phosphorstärke (Suspension B - D), ferner
Paraffinemulsion und Aluminiumsulfat hierzu. Nach Auffüllen auf 10 Liter saugt man
die Suspension auf einem Büchnertrichterab. Nach Absaugen wird der Filterkuchen
mit eigenem Gewicht der Preßmatritze zum Teil gepreßt. Nach dem Pressen werden die
Filterkuchen 10 Minuten lang mit Dampf behandelt, bei 1050C bis zu konstantem Gewicht
getrocknet und nach dem Zerschneiden physikalisch-mechanischen Prüfungen unterworfen.
Von jeder Suspension wurden je drei Proben hergestellt.
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Während der Probenherstellung wurden folgende Werte ermittelt: Gewicht
nach Absaugen, Gewicht nach Pressen, Gewicht nach Trocknen. Die Mittelwerte für
-die Drei-Proben-Serie sind in der nachfolgenden Tablle angeführt: Zusammen Gewicht
nach Trocken- Gewicht n. Trocken- Gew.n.
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setzung Absaugen in substanz Pressen in substanz Trocken - g % g %
in g A 1607 35,5 1422 40,1 570 B 1731 33,5 1422 39,8 574 C 1590 35,9 1445 39,5 571
D 1567 35,8 1431 39,2 562 E 1507 35,9 1439 39,5 553
Die Proben
wiesen folgende Eigenschaften auf: Zusammen- Volusengewicht Zugfestigkeit Oberflächensetzung
beim Bieger härte kg/m3 kp/cm2 kp/mm2 A 208,4 5,72 0,037 B 193,5 15,36 0,091 C 225,7
17,82 0,082 D 235,5 19,84 0,087 E 212,8 12,82 0,078