DE2331137A1

DE2331137A1 - Feuerfeste isolierformmasse

Info

Publication number: DE2331137A1
Application number: DE2331137A
Authority: DE
Inventors: Thomas Aquinas Myles
Original assignee: Carborundum Co
Current assignee: Unifrax 1 LLC
Priority date: 1972-06-23
Filing date: 1973-06-19
Publication date: 1974-01-10
Also published as: CA1014290A; JPS4962512A; GB1440265A; DE2331137C2; IN140849B; JPS5614637B2

Description

COHAUSZ & FLGRACK

PATBNTANWALTSBÜRO 4 DÜSSELDORF 8OHUMANN8TR. 97 £ O O I 1 s3 /

PATENTANW^WE: Dipl.-Ιηβ. W. COHAUSZ · Dipl.-Ing. W. FLORA« · Dipl.-Ing. R. KNAUF · Dr.-lng., Dipl.-Wirtsch.-Ing. A. GERBER

The',Carborundum Company 18. Juni 1973

1625 Buffalo Avenue

Niagara Falls, New York / USA

Feuerfeste Isolierformmasse

Die Erfindung betrifft eine feuerfeste IsoHerformmasse für die Verwendung bei Temperaturen bis etwa 15OO ⁰C.

In der Technik besteht ein ständig wachsender Bedarf an immer wirksameren Isolierstoffen, die gegen die in der modernen Technologie vorkommenden Temperaturen beständig sind und leicht in eine Vielzahl von Formen übergeführt werden können. Ein besonderer Bedarf besteht auf dem Gebiet des Schmelzens, Förderns und Gießens von Nichteisenmetallen, wo die Isolierstoffe hohe Festigkeit, hohe Beständigkeit gegen Erosion und Benetzung durch das Metall, gute Temperaturwechselfestigkeit bei den bei der Anwendung vorkommenden hohen Temperaturen haben müssen. Außerdem soll das Material leicht zu verarbeiten und verhältnismäßig billig sein.

Es sind schon verschiedene feuerfeste Massen in Form vorgefertigter Gußformkörper verwendet worden, doch eignen sich diese Produkte wegen ihrer hohen Dichte oder, wenn sie in Form von Leichtsteinen erhältlich sind, wegen ihrer höhen Kosten nicht gut als Umkleidungen, Tiegelausgüsse u. dgl. Außerdem ist die Verwendung von Steinen und anderen vorgeformten Isolier-

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U/Be '■ ■ ·--

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stoffen auf verhältnismäßig einfache Formen und Anwendungen beschränkt, die der Form der Steine angepaßt sind, wie die Verkleidung von Kesseln, Industrieöfen u. dgl.

Zwar gibt es feuerfeste Zemente, die durch Gießen aufgetragen werden können, doch haben diese Materialien normalerweise schlechte Isoliereigenschaften bei hohen Temperaturen, geringe Festigkeit und hohe Dichte - Eigenschaften., die ihren Gebrauch nicht als wünschenswert erscheinen lassen. In dem Bemühen, die Festigkeit dieser Massen zu erhöhen und ihre Formbarkeit zu verbessern, sind Massen entwickelt worden, die Fasermaterial als Hauptbestandteil enthalten. Diese Gemische werden in der Regel mit Wasser angemacht und geben fließfähige Massen mit Dichten im Bereich von 240 bis 1280 kg/nr. Sie lassen sich zwar leicht in die gewünschte Form bringen, schrumpfen aber beim Trocknen um 1 bis 5$, wodurch sich in dem Endprodukt unerwünschte Risse bilden und dieses sich in manchen Fällen von dem Untergrund, auf dem es aufgetragen worden ist, ablöst. Es besteht daher Bedarf an einer feuerfesten Isolierformmasse, deren Dichte so eingestellt werden kann, daß beim Auftragen eine maximale Verarbeitbarkeit und zugleich eine hohe Haftfestigkeit an solchen Flächen erreicht wird, wie sie bei Hochtemperaturanlagen üblicherweise vorkommen. Die Haftfestigkeit der Masse soll beim Trocknen erhalten bleiben, und die Masse soll eine verhältnismäßig rißfreie feuerfeste Isolierung ergeben, die ihre Festigkeit und Haftfestigkeit beim Erhitzen der Hochtemperaturanlage bis auf etwa 1300 ⁰C beibehält.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine derartige feuerfeste Isolierformmasse zur Verfügung zu stellen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer feuerfesten Isolierformmasse der eingangs genannter! Art dadurch gelöst, daß

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sie - vom Lösungsmittel abgesehen - aus etwa 85 bis etwa Füllstoff und etwa 1 bis etwa 15$ eines hochmolekularen Acrylpolymeren besteht.

Wenngleich die vorgenannten Komponenten wesentlich sind, kann die Masse gemä8 der Erfindung - vom Lösungsmittel abgesehen vorzugsweise etwa 6 bis 55 Gew.-^ fein verteilte Kieselsäure, etwa 40 bis etwa 87 Gew.-% Füllstoff und etwa 5 bis etwa 7 Gew.-^ eines hochmolekularen Acrylpolymeren enthalten. Die Füllstoffe können aus verschiedenen keramischen Fasern bestehen und auch zusätzlich Hohlkugeln aus keramischem Material oder Kunststoff enthalten. Geeignete Lösungsmittel für die Formmasse gemäß der Erfindung können Wasser oder lösliche Alkohole sein; Wasser und Äthylenglycol werden bevorzugt. Feuerfeste Formkörper können in der Weise hergestellt werden, daß das lösungsmittelhaltige Gemisch bereitet und in die gewünschte Form gebracht, und das geformte Gebilde dann durch Verdampfen des Lösungsmittels getrocknet wird. Die Formmasse der Erfindung hat eine ausgezeichnete Haftfestigkeit an den zu verkleidenden Flächen und gibt beim Trocknen im wesentlichen rißfreie feuerfeste Formkörper.

Wie erwähnt, enthält die feuerfeste Isolierformmasse gemäß der Erfindung Füllstoffe, wie Aluminiumsilicatfaser, fein verteilte Kieselsäure in kolloidaler amorpher Form, ein wasserlösliches Acrylpolymer von hohem Molekulargewicht in einigeeigneten Lösungsmittel, wie Wasser. Die erhaltene Mischung kann leicht durch Gießen, Spritzen oder auf andere Weise in jede gewünschte Form gebracht werden. Die Dichte des Endproduktes der Masse kann durch Menge und Art des verwendeten Lösungsmittels beeinflußt werden; das spezifische Gewicht kann von etwa 1,1 bis etwa 1,5 reichen.

Wesentlich für die Isolierformmassen der Erfindung ist eine

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Grundmischung aus Füllstoffen und einem hochmolekularen wasserlöslichen Acrylpolymeren mit einem geeigneten Lösungsmittel. Die Mischung kann - vom Lösungsmittel abgesehen - aus etwa 85 bis etwa 99# Füllstoff und etwa 1 bis etwa 15$ hochmolekularem Acrylpolymeren bestehen. Sofern nicht anders angegeben, sind alle Prozentangaben in der Beschreibung und den Ansprüchen Gewichtsprozente.

Eine kolloidale amorphe Kieselsäure wird als Bindemittel verwendet, da deren Teilchen außerordentlich klein sind, etwa in der Größenordnung von 12 bis 15 rrfm. Eine zur Herstellung einer Isolierformmasse gemäß der Erfindung verwendete kolloidale Kieselsäure war ein im Handel erhältliches Produkt, das aus einer wäßrigen Dispersion von hQ% kolloidaler amorpher Kieselsäure bestand, deren Teilchen eine mittlere Größe von 13 bis 14 D/i hatten. Die Dichte der Lösung betrug 1,25. Andere Kieselsäuredispersionen, die ebenfalls verwendet wurden, hatten einen Gehalt von 30, 20 und l<$ kolloidaler amorpher Kieselsäure.

Die bei den Isolierformmassen der Erfindung verwendeten Füllstoffe können keramische Fasern wie solche aus Aluminiumoxid, Aluminiumsilicat, Boroxid, Borcarbid, Bornitrid, Siliciumdioxid, Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Calciumaluminiumsilicat, Glas, Mineralwolle od. dgl. Die Fasern sollen ein Längen/Durchmesser-Verhältnis von mindestens 1000 : 1 und vorzugsweise eine mittlere Länge von etwa 12,5 bis etwa 25 mm und Durchmesser von etwa 1 bis etwa 2.0/cm haben. Von den obengenannten Faserarten werden Aluminiumsilicatfasern bevorzugt.

Zusätzlich zu den als Füllstoffe genannten keramischen Fasern können als weitere Füllstoffe kleine Hohlkugeln aus keramischem Material oder Kunststoff verwendet werden, um die Dichte

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des feuerfesten Endproduktes zu verringern und seine Isoliereigenschaften zu verbessern. Die keramischen Kugeln können aus Aluminiumoxid, Aluminiumsilicat, Siliciumdioxid, Glas od. dgl. bestehen. Falls keramische Kugeln benutzt werden, werden sie der Masse zusammen mit den Pasern zugesetzt, wobei der Anteil der Kugeln etwa die Hälfte bis das Doppelte des Gewichts der eingesetzten Fasern beträgt. Die Kunststoffkugeln können aus Polyurethanen, Polyamiden, Polyäthylenen und PoIypropylenen bestehen. Da sie erheblich leichter als keramische Kugeln sind und eine gleiche Gewichtsmenge infolgedessen einen größeren Raum einnimmt, können sie nur in einer Menge von 1/4 bis zur Hälfte des Gewichtes der Fasern der Masse zugesetzt werden. Wenn das aus der Masse hergestellte Formgebilde hohen Temperaturen ausgesetzt wird, brennen die Kunststoffkugeln aus und hinterlassen eine vorbestimmte Zahl von Hohlräumen, die die Isoliereigenschaften des feuerfesten Materials verbessern.

Bei den Isolierformmassen der Erfindung wird als Dickungsmittel ein wasserlösliches, nichtionisches hochmolekulares Acrylpolymer verwendet. Durch den Zusatz dieses Acrylpolymeren zu der Isolierformmasse der Erfindung wird, wie sich gezeigt hat, die Schrumpfung der Masse beim Trocknen und Aushärten zum Endprodukt wesentlich gehemmt. Isolierformmassen gemäß der Erfindung, die etwa 2 bis etwa 7$ Acrylpolymer enthalten, bezogen auf die lösungsmittelfreie Substanz, zeigen beim Trocknen eine lineare Schrumpfung von weniger als 0,3$, wenn zwischen der Isoliermasse und der Form ein Trennfilm verwendet wird; keine Schrumpfung wird beobachtet, wenn man die Isoliermasse direkt an der Formwand haften läßt. Das Acrylpolymere ergibt eine ausgezeichnete Haftung der Formmasse an Formoberflächen und erteilt dem Gemisch eine gute Verarbeitbarkeit, wenn Lösungsmittel zugesetzt wird. Die Isoliermasse kann -

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je nach der zugesetzten Menge Lösungsmittel - gepumpt, gespritzt oder mit der Kelle aufgetragen werden. Die Masse kann in geeigneten Gefäßen in Form einer fertig gemischten Paste geliefert werden, die am Verwendungsort nur noch mit Lösungsmittel gemischt zu werden braucht. Die Masse kann aber auch in Form gebrauchsfertiger nasser Matten, die in Kunststofffolien eingeschlossen sind, geliefert werden.

Die feuerfeste Masse kann, wie schon erwähnt, ohne Lösungsmittel aus etwa 6 bis etwa 56% fein verteilter Kieselsäure, etwa 40 bis etwa 87$ Füllstoff und etwa 2 bis etwa 7$ hochmolekularem Acrylpolymer bestehen. Eine bevorzugte Zusammensetzung besteht - ohne Lösungsmittel - aus etwa 54 bis etwa 56$ feinverteilter Kieselsäure, etwa 40 bis etwa 42$ Faserfüllstoff und etwa 3 bis etwa k-% hochmolekularem Acrylpolymer. Das diesem Gemisch zugesetzte Lösungsmittel kann Wasser oder ein Gemisch von Wasser und verträglichen Alkoholen, wie Methanol, Äthanol, Äthylenglycol, Diäthylenglycol u. dgl., sein. Die lösungsmittelhaltige Mischung kann dann etwa 45 bis etwa 69# Lösungsmittel enthalten, in dem etwa 55 bis etwa 31# Feststoffe suspendiert sind. Die Feststoffe können, bezogen auf das Gesamtgewicht der Suspension, aus etwa 23 bis etwa 27$ Füllstoffen, etwa 1 bis etwa J>1% feinverteilter Kieselsäure und etwa 1 bis etwa J>% hochmolekularem Acrylpolymer bestehen. Eine bevorzugte Mischung enthält etwa 44 bis etwa 46# Lösungsmittel, in dem etwa 56 bis etwa 54$ Feststoffe suspendiert sind. Die Feststoffe können, bezogen auf das Gesamtgewicht der Suspension, aus etwa 22 bis etwa 2~5% Faserfüllstoffen, etwa 29 bis 31$ feinverteilter Kieselsäure und etwa 1 bis 3$ hochmolekularem Acrylpolymer bestehen.

Die Verwendung des als Dickungsmittel dienenden hochmolekularen Acrylpolymeren ist zur Hemmung der Schrumpfung bei der

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Isolierformmasse gemäß der Erfindung wesentlich. Ähnliche Dickungsmittel, wie Polysaccharidgummis, Polysilicatgemische · aus Kieselsäure und Lithiumoxid sowie aus Kieselsäure und Tonerde, Hydroxypropylcellulose, Hydroxyäthylcellulose und Calciumaluminat, sind als Schrumpfungsinhibitoren unwirksam. Die unerwartete Wirksamkeit des Acrylpolymeren in der Isolierformmasse gemäß der Erfindung kann teilweise auf seine Fähigkeit zurückzuführen sein, klare, gleichmäßige nicht-Newtonsche Lösungen von hoher Viskosität und Zähigkeit zu bilden. Zwar ist das bevorzugte Acrylpolymer im wesentlichen nichtionisch, doch sind auch andere wasserlösliche Acrylpolymere - sowohl solche vom kationischen als auch solche vom anionischen Typ hinsichtlich der Schrumpfungshemmung bei der Isolierformmasse gemäß der Erfindung gleich wirksam. Anscheinend bilden die Acrylpolymere mit den Kolloiden und suspendierten Teilchen der Masse Komplexe. Danach könnte es dann zwischen den Kieselsäureteilchen und den keramischen Fasern zur Bildung langer Ketten kommen, die die zusätzliche Festigkeit liefern, die zur Verhinderung der Schrumpfung bei den getrockneten feuerfesten Formkörpern erforderlich ist.

Obwohl das bei der Isolierformmasse gemäß der Erfindung bevorzugte Lösungsmittel Wasser ist, kann es auch in Verbindung mit anderen verträglichen Lösungsmitteln, wie Äthanol, Äthylenglycol, Diäthylenglycol ü. dgl., verwendet werden. Die Masse kann unter Verwendung von Äthylenglycol und der begrenzten Menge Wasser, die in der kolloidalen Kieselsäurelösung vorhanden ist, als Lösungsmittel zu einer dicken Paste vorgemischt werden, die dann nach Bedarf in geeigneten GefäBen gelagert wird. Am Verwendungsort kann dann später das zusätzlich benötigte Wasser zugesetzt werden, dessen Menge von der Dichte und Viskosität abhängt, die für den ordnungsgemäßen Auftrag der Masse erforderlich sind. NaGh dem Auftrag kann

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die feuchte Masse an der Luft oder, falls die Zeit knapp ist, bei 90 bis 110 ⁰C getrocknet werden.

Die Mischungen für die Isoliermassen gemäß der Erfindung können leicht nach Standardmethoden bereitet werden. Beispiel 1 gibt einen Ansatz für die Herstellung von 5^4 kg Isolierformmasse wieder.

Beispiel 1 Komponenten

Nichtionisches Acrylpolymer 10,9 kg

Äthylenglycol 26,5 1

Kolloidale Kieselsäure-Dispersion JkQ 1

Lose Pasern 150,7 kg

Unter Rühren wird das Äthylenglycol mit dem Acrylpolymeren vermischt. Unter fortgesetztem Rühren wird das Äthylenglycol mit dem Acrylpolymeren vermischt. Unter fortgesetztem Rühren wird sodann die Kieselsäure-Dispersion und anschließend die Fasermenge zugefügt. Das Rühren wird fortgesetzt, bis eine gleichmäßige Mischung entstanden ist.

Die Zusammensetzung der Isoliermasse gemäß der Erfindung kann durch Abänderung des Feststoffgehaltes variiert werden; Mischungen mit niedrigem Feststoffgehalt werden zum Auftragen durch Spritzen bevorzugt. Beispiele von Mischungen in diesen Bereichen, bei denen der Feststoffgehalt der Masse durch Verwendung kolloidaler Kieselsäure-Dispersionen verschiedener Konzentration bei gleichbleibenden Mengen Aluminiumsilicatfaser-Füllstoff und Acrylpolymer verändert wurde, sind in Tabelle 1 aufgeführt.

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Tabelle 1

20% # Kieselsäure Kieselsäure Kieselsäure Kieselsäure

Aluminium silicatfaser	g 1026	86,3	g 1026	3	g IO26	3	g 1026	3
Kieselsäure	3428	2617 ml	2385	ml	1480	ml	696	ml
Wasser	-		795	ml	1480	ml	2088	ml
Acrylpolymer	54,65g	86,	6%	86,	6%	86,	4#
Kieselsäure- Lösung	1821	II30	531
Zugesetztes Wasser	795	1480	2088
Peststoffe in der Masse	42,	34,	30,

Obgleich in der vorstehenden Rezeptur Aluminiumsilicatfaser als Füllstoff aufgeführt ist, können auch andere hitzebeständige Stoffe verwendet werden. Isoliermassen von geringerer Dichte können durch Ersatz eines Teils der Pasern durch Hohlkugeln aus keramischem Material oder Kunststoff erhalten werden.

Die Zusammensetzung der Isoliermassen gemäß der Erfindung kann so gewählt werden, daß die hergestellten feuerfesten Formkörper bei Temperaturen bis 130O ⁰C beständig sind. Sie können beispielsweise bei öfen zur Isolierung von Verbindungsrohren und anderen freiliegenden Metallteilen, zur Isolierungvon Brennerblöcken oder zum Verschließen von Rissen in den Verbindungen zwischen Isolierblöcken verwendet werden. Die Masse ist ferner zum Beschichten und Isolieren vieler anderer Arten von Hochtemperaturanlagen brauchbar, insbesondere in Fällen, wo eine direkte Haftung der Masse von Bedeutung ist und wo das Schrumpfen beim Trocknen so gering wie möglich gehalten oder ganz vermieden werden muß.

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Claims

18·6·ΨΙ31137 Ansprüche

1. Feuerfeste Isolierformmasse für die Verwendung bei Temperaturen bis etwa 13ΟΟ ⁰C, dadurch gekennzeichnet, daß sie - vom Lösungsmittel abgesehen - aus etwa 85 bis etwa 99# Füllstoff und etwa 1 bis 15# eines hochmolekularen Acrylpolymeren besteht.

2. Isol-ierformmasse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie - vom Lösungsmittel abgesehen - aus etwa 6 bis etwa 56# feinverteilter Kieselsäure, etwa 40 bis etwa 87$ Füllstoff und etwa 2 bis etwa 7# eines hochmolekularen Acrylpolymeren besteht.

J5. Isolierformmasse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff aus feuerfesten Fasern besteht, die aus der Gruppe Aluminiumoxid, Aluminiumsilicat, Boroxid, Borcarbid, Bornitrid, Siliciumdioxid, Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Calciumaluminiumsilicat, Glas und Mineralwolle ausgewählt sind.

4. Isolierformmasse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff außer aus Fasern auch noch aus Hohlkugeln von keramischem Material besteht, das aus der Gruppe Aluminium, Aluminiumsilicat, Siliciumdioxid und Glas ausgewählt ist.

5. Isolierformmasse nach Anspruch ;5, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff außer aus Fasern auch noch aus Hohlkugeln aus Kunststoff besteht, der aus einer Polyurethane, Polyamide, Polyäthylene und Polypropylene ausgewählt ist.

6. Isolierformmasse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

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daß sie - vom Lösungsmittel abgesehen - aus etwa 54 bis etwa 5656 feinverteilter Kieselsäure, etwa 40 bis etwa PaserfUllstoff und etwa 3 bis etwa 4# hochmolekularem Acrylpolymeren besteht.

7. Isolierformmasse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse ein Lösungsmittel enthält, das aus der Gruppe Wasser, Methanol, Äthanol, Äthylenglycol und Diäthylenglycol ausgewählt ist.

8. Isolierformmasse nach Anspruch 7* dadurch gekennzeichnet, daß das Lösungsmittel Wasser und Äthylenglycol ist.

9. Verfahren zur Herstellung feuerfester Isolierformkörper aus der Isolierformmasse nach Anspruoh 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Mischung aus etwa 45 bis etwa 69$ Lösungsmittel und etwa 55 bis etwa J51# einer zweiten Mischung hergestellt wird, wobei die zweite Mischung aus etwa 85 bis etwa 995ε Füllstoffen und etwa 1 bis etwa 15# eines hochmolekularen Acrylpolymeren besteht, die erste Mischung in die gewünschte Form gebracht und anschließend durch Verdampfen des Lösungsmittels getrocknet wird.

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