DE2359061A1

DE2359061A1 - Faserstruktur

Info

Publication number: DE2359061A1
Application number: DE2359061A
Authority: DE
Inventors: Stuart Philip Hepburn
Original assignee: Imperial Chemical Industries Ltd
Current assignee: Imperial Chemical Industries Ltd
Priority date: 1972-11-29
Filing date: 1973-11-27
Publication date: 1974-06-12
Also published as: IT1001935B; LU68865A1; US3996145A; GB1455563A; IE38527B1; FR2213253A1; BE807687A; JPS4998815A; IE38527L; FR2213253B1

Description

PATENTANWÄLTE DR.-ING. H. FINCKE DIPL.-ING. H. BOHR DIPL.-ING. S. STAEGER

Fernruf; *26 60 ίΟ

Telegramme: Claims München Postscheckkonto: München 270 44-BOZ

Bankverbindung Bayer. Vereinsbank MOnchen, Konto 420 404

Mapp.No. 23386 Dr.K/hö

HENS₁ 27. November 1973

MOIIeritroüo 31

Case MD 25658

IMPERIAL CHEMICAL INDUSTRIES LIMITED .London., Großbritannien

"Faserstruktur"

PRIORITÄT: 29. November 1972 - Großbritannien

Die Erfindung bezieht sich auf Pasermaterialien und Insbesondere auf eine Faserstruktur, welche polykristalline Fasern aus Aluminiumoxyd oder Zirconoxyd enthält.

Gemäß der Erfindung wird eine Faserstruktur vorgeschlagen, die aus Stapelfasern besteht, welche sich aus polykristallinen! Aluminiumoxyd, Aluminiumoxyd/Siliciumoxyd oder Zirconoxyd zusammensetzen, wobei die Fasern einen durchschnittlichen Durchmesser

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ORIGINAL INSPECTED

von 0,5 bis 5/U aufweisen, nicht mehr als 20$ der genannten Pasern einen Durchmesser von mehr als 5/U besitzen und die Fasern einen Klumpengehalt von weniger als 5 Gew.-% aufweisen.

Die Faserstruktur kann eine jede Form aufweisen, die sich für die vorgesehene Anwendung eignet, wie z.B. die Form einer Watte, einer Matte, einer Decke, eines Filzes, eines Tuchs, eines Papiers oder einer Platte. Mit dem Ausdruck "Klumpen" ist ein Material gemeint, das keine Faserstruktur aufweist.

Die Fasern können lose sein, oder sie kennen durch Nähen oder Benadeln konsolidiert sein. Alternativ oder zusätzlich können sie als Folge des Verbindens mit einem geeigneten Binder zusammenhaltend gemacht sein, insbesondere wenn die Integrität der Struktur der Fasermasse unter ungünstigen Bedingungen, wie z.B. unter Vibration beibehalten werden muß. Hierfür können feuerfeste Materialien, wie z.B. feuerfeste Oxyde, verwendet werden. Solche. feuerfeste Oxyde können hergestellt werden aus koloidalen oder gelösten anorganischen sauerstoffhaltigen Verbindungen, wie z.B. hydratisierten Oxydsolen, wie z.B. Solen von Aluminlumoxyd, Siliciumoxyd, Titanoxyd, Zirconoxyd und Gemischen aus zwei oder mehr-derselben, oder zersetzbaren Verbindungen, wie z.B. Alkalimetallsilikaten, organischen Estern von anorganischen Säuren, wie z.B. Alkylsilieaten und Alkyltitanaten, löslichen Verbindungen von Aluminium und Zirconium und Vorläufern von Aluminiumphosphat. Hierbei wird die Struktur einer hohen Temperatur ausgesetzt. Organische Harze können zweckmäßig als Binder für Anwendungen bei niedrigen Temperaturen verwendet werden. Die Konzentration des Bindemittels muß nicht hoch sein, beispielsweise kann sie bis zu 10 Gew.-% betragen. Die Pasern werden vorzugsweise mit einer Packungsdichte von 0,008 bis 0,35 g/cnr verwendet. Für die meisten Anwendungen, wie z.B. die Schwächung von reflektiertem Lärm durch Absorption, wird im allgemeinen eine Packungsdichte von

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0,08 bis 0,16 g/cnr verwendet. Zirconoxydfasern werden vorzugsweise mit einer Packungsdichte von 0,016 bis 0,16 g/cm ^ insbesondere 0,016 bis 0,080 g/cm ,verwendet. Die Faserstrukturen können mit jeder gewünschten Dicke verwendet werden. Es wurde gefunden, daß Dicken von einigen Zentimetern im allgemeinen für die meisten Anwendungen ausreichend sind.

Polykristalline AluminiumoxydrjAluminiumoxyd/Siliciumoxyd- oder Zirconoxydfasern werden vorzugsweise dadurch hergestellt, daß man eine Zusammensetzung, welche eine Viskosität von mehr als 1 Poise aufweist, und welche aus einer wäßrigen Lösung einer Metallverbindung, wie z.B. einem Oxychlorid, einem basichen Acetat, einem basischen Formiat oder einem Kitrat von Aluminium und/oder Zirconium sowie einer kleineren _Menge eines wasserlöslichen organischen Polymers, wie z.B. Polyvinylalkohol, Polyäthylenoxyd oder Polyvinylpyrrolidon, und sofern Alumlniumoxyd/Siliziumoxydfasern erwünscht sind, einer wasserlöslichen organischen Siliziumverbindung, wie z.B.- einem Polyslloxan besteht, in Fasern verarbeitet, die ' hergestellten Fasern trocknet und erhitzt, um die Metallverbindung in das Oxyd umzuwandeln und das Polymer zu zersetzen. Erhitzen in ,Gegenwart von Dampf wird oftmals bevorzugt.

Das Verarbeiten in Fasern wird vorzugsweise durch ein Blasverfahren ausgeführt, welches darin besteht, daß man die in Fasern zu verarbeitende Zusammensetzung durch ein oder mehrere Löcher in mindestens einen Gasstrom extrudiert, der eine Komponente hoher Geschwindigkeit in Laufrichtung der extrudierten Zusammensetzung aüfvreist. Die Abmessungen und die Form des genannten Lochs können stark variieren. Es wird bevorzugt, ein Loch zu verwenden, bei dem mindestens eine Dimension größer als 5 ,u und kleiner als 500 .u ist. Der Gasstrom ist vorzugsweise Luft, lns-

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besondere Luft mit Raumtemperatur. Es ist zweckmäßig, zwei Gasströme zu verwenden, die bei oder in der Nähe des Punkts konvergieren, wo die Zusammensetzung aus dem Loch austritt. Vorzugsweise beträgt der Winkel zwischen den konvergierenden Gasströmen 3° bis 60 . Mindestens ein Teil des V/assers in der Zusammensetzung wird durch den Gasstrom entfernt. Die Geschwindigkeit der Entfernung kann dadurch kontrolliert werden, daß man das Gas mit Wasserdampf mischt. Beispielswelse kann Luft mit einer relativen Feuchte von mehr als 8O£ . verwendet werden. Die Geschwindigkeit des Gasstromes kann innerhalb weiter Grenzen variiert v/erden. Es wird jedoch bevorzugt, Geschwindigkeiten im Bereich von 6l m bis 457 m/sec zu verwenden. Der zum Extrudieren der Zusammensetzung durch die Löcher verwendete Druck hängt von der Viskosität der Zusammensetzung und von der gewünschten Extrusionsgeschwlndigkelt ab. Es wurde

gefunden, daß Drücke von 1,12 bis 7 kg/cm absolut für Zusammensetzungen mit Viskositäten bis zu 100 Poise geeignet sind.

Polykristalline Fasern werden nicht-kristallinen Fasern, wie z.B. glasartigen Fasern, für viele Anwendungen vorgezogen, da sie leichter und billiger mit feinen Durchmessern und mit einer klumpenfreien Qualität hergestellt werden können. Sie besitzen auch bessere physikalische Eigenschaften, insbesondere bei' solchen Ausführungsformen, wo die Strukturen hohen Temperaturen ausgesetzt sind.

Die erfindungsgemäßen Faserstrukturen eignen sich für viele technologischen Anwendungen, insbesondere für - akustische und thermische Isolierung.

Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele näher erläutert.

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Beispiel 1

75 ir.l Aluminiumoxychloridlösung, welche 11,2 Gew.-% Aluminium und 8,1 Gew,-# Chlorid enthielt, wurde mit 45 ml einer 2,lpigen (Gewicht) Lösung eines hochmolekularen Polyvinylpyrrolidone gemischt. Das Gemisch wurde durch Eindampfen unter vermindertem Druck auf eine Viskosität von 45 Poise konzentriert. Die konzentrierte Lösung wurde in eine Paserspinnvorriehtung eingeführt, bei welcher zwei Luftströme hoher. Geschwindigkeit von beiden Seiten mit einem Winkel von 30° auf einem Strom der Lösung, der aus e.inem 200,u weiten Loch unter Druck austrat, auftrafen. Die Luftströme besaßen eine Temperatur von 30° und eine relative Feuchtigkeit von .50$.

Es wurde eine Matte mit sehr feinen Faserlängen bis zu 10 cm und Durchmessern im Bereich von 2-7/U auf einem Drahtnetz gesammelt. Die Matte wurde während 2 Stunden auf-85O°C erhitzt, um Fasern herzustellen, die seidig und flexibel waren.

Durch" dieses Verfahren wurden ausreichend Fasern erhalten, um eine Decke von 6l cm Länge, 30 cm Breite und 2,5 cm Dicke herzustellen. Die Dichte der Decke wurde zu 0,12 g/ciir gemessen,-Faserproben die aus der Decke herausgezogen worden waren, wurden auf Klumpengehalt untersucht (gemäß dem Verfahren, welches in British Ceramic Research Association Technical Note 200 beschrieben ist). Es wurde ein Wert von 0,9 Gew.-% gefunden.

Die Durchmesserverteilung wurde untersucht (durch optische Mikroskopie, 625 Zählungen, gemäß BP 34o6 Part IV, 1963). Die Resultate sind in der Folge angegeben.

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Durchmesser (,u ) . % weniger als

7 99

6 97

. 5 84

h 58

3 27

2 ■ 6

1 O

Beispiel 2

200 ml einer AluminiumoxyChloridlösung, die 11,2 Oew.-£ Aluminium und 8,1 Gew.-% Chlorid enthielt, wurde mit 120 ml einer 2£igen (Gewicht) Lösung eines Polyäthylenoxyds (mittleres Mole-' kulargewicht ungefähr 300 000) gemischt. Das Gemisch wurde durch Eindampfen unter vermindertem Druck auf eine Viskosität von 60 Poise konzentriert. Das Konzentrat wurde dadurch in Pasern versponnen, daß es durch eine Faserblasvorrichtung hindurchgeführt wurde, worin zwei Luftstrcir.e hoher Geschwindigkeit von. beiden Seiten mit einem Winkel von 30° auf einem Strom der Lösung auftrafen, die aus einem 250,u weiten Loch unter Druck herauskam. Die Luftstrahlen besaßen eine relative Feuchte von · 55? und eine Temperatur von 40°C.

Eine Matte aus sehr feinen Fasern mit Längen bis zu 10 cm wurde auf einem Drahtnetz gesammelt, mit verdünnten Amrtioniakgas behandelt, 10 Minuten Wasserdampf mit 35O°C ausgesetzt und eine Stunde bei 85O°C gebrannt. Sie wurden in starke flexible anorganische Pasern überführt.

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■ -7-

Es wurde durch das obige Verfahren eine ausreichende Menge Fasern hergestellt, um Papier auf dem folgenden Weg zu erzeugen.

10 g Fasern wurden zerkleinert und in 10 1 Wasser eingebracht und unter Verwendung eines Laborerhitzers 3 Minuten dispergiert. Zu dieser Dispersion wurden 2 ml eines Acryllatex zugegeben, der 50% Feststoffe'enthielt. Nach einer kurzen Zeitdauer des weiteren Mischens viurde ausreichend Alaun zugesetzt, um den pH auf 4,0 zu bringen. Die Grundlösung wurde in den Vorratsbehälter einer Laborpapierherstellungsmaschine eingebracht, worauf dann ein Papierblatt hergestellt und anschließend 1 Stunde bei 80⁰C getrocknet wurde.

ρ Das Papier war 1 mm dick und besaß ein Gewicht-von 200 g/m

Die Fasern,, aus denen das Papier hergestellt worden war, wurden .durch die Faserdurchmesserverteilung (gemessen gemäß BS 3406 Bart IV 1963) und durch den Klumpengehalt(gemessen gemäß" British Ceramic Research Association Technical Note 200) charakterisiert. Der Klumpengehalt war- 1,1$.

% weniger als

7	98
6	95
5	78
4	"43
3	19
2	5
1	0

Mittlerer Durchmesser 4,2,u

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Beispiel 3

Eine Lösung, die sich zum Spinnen in eine hochtemperaturbeständlge, mit Yttriumoxyd stabilisierten Zirconoxydfaser eignete, wurde aus 750 g Zlrconacetatlösung (22% ZrO₂ (G/G)), 330 ml einer l#igen (G/G) Polyäthylenoxydlösung, 19,2 g Yttriumchlorid-hydrat und 3 ml konzentrierter Salzsäure hergestellt.

Die Lösung wurde durch Verdampfen unter vermindertem Druck auf eine Viskosität von 15 Poise bei 2O⁰C konzentriert und in eine Spinnvorrichtung eingebracht, die eine öffnung mit einem Durchmesser von 0,1 mm aufwies. Luftstrahlen hoher Geschwindigkeit, die mit einem Winkel von 30° von beiden Seiten dieses Lochs konvergierten, zogen den Flüssigkeitsstrahl vom Loch herunter, wobei eine Faser mit einem mittleren Durchmesser von 3»0yU entstand.

Die Pasern wurden bei 85O⁰C 1/2 Stunde lang gebrannt, wobei mit Yttriumoxyd stabilisierte Zr0₂-Fasern erhalten wurden.

250 g dieser Fasern wurden unter Verwendung eines Silverson-Mischers 2 Minuten lang in 15 1 Wasser dispergiert. Zu dieser Dispersion wurden 100 ml Siliciumdioxydsol (30$ Feststoffe (G/V)) und 50 ml eines Ausflockungsmittels (0,02% Polyacrylamid) zugegeben, worauf dann das Ganze eine weitere Minute geschlagen wurde. Nach dem Zusatz von 100 ml gesättigter Aluminiumsulfatlösung wurde das Gemisch eine weitere 1/2 Minute geschlagen und durch einen Metalldrahtfilter gegossen. Das Wasser lief rasch ab, wobei eine Platte von 45»7 x ^5,7 cm zurückbliefr, die 10 Stunden lang bei 60 bis 80°C getrocknet wurde. Sie wurde abschließend 1/2 Stunde lang bei 800°C gebrannt. Die Enddicke der Platte war 6,3 mm und die Dichte war 0,22 g/cm .

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Die Fasern, welche zur Herstellung der Platte verwendet wurden, wurden anhand ihres Paserdürchrcessers (bestimmt durch optisches Mikroskop, gemäß"BS 3406 Part IV, 1963) und Klumpengehalt (bestimmt gemäß British Ceramic Research Association Technical Note 200) charakterisiert.

Der Klumpengehalt war 0,1 Gew.-%.

Faserdurchmesser ( ,u )' % weniger als

.6 ' 100

5 , 99

4 " 94 '

3 65

2 17 ■ ■

1 0 - ■

PATENTANSPRÜCHE

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Claims

-.10- .PATENTANSPRÜCHE

1. Faser struktur, dadurch gekennzeichnet, dall sie aus Stapelfasern besteht, die sich aus polykristallinem Aluminiumoxyd, Aluminlumoxyd/Siliciumoxyd oder Zirconoxyd zusammensetzen, wobei die Fasern einen durchschnittlichen Durchmesser von 0,5 bis 5/U aufweisen, nicht mehr als 20 Gew.-% der genannten Pasern einen Durchmesser von mehr als 5/U besitzen und die Pasern einen Klumpengehalt von weniger als 5% besitzen.

2» Faserstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern dadurch hergestellt worden sind, daß eine Zusammensetzung mit einer Viskosität von mehr als 1 Poise, die aus einer wäßrigen Lösung eines Oxychloride, basischen - Acetats, basischen Formiats. oder Nitrats von Aluminium und/oder Zirconium und einer kleineren Menge eines wasserlöslichen organischen Polymers besteht, in Fasern verarbeitet wird, und die hergestellten Fasern getrocknet und erhitzt werden, um das Polymer zu zersetzen und um das Oxyd von Aluminium und/oder Zirconium herzustellen.

3. Faserstruktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das wasserlösliche organische Polymer aus Polyvinylalkohol, Polyäthylenoxyd, Polyvinylpyrrolidon oder einem Polysiloxan besteht.

4. Faserstruktur nach Anspruch 2 oder 3, dadurch g e k e η η -

w* rd. zei.chnet , daß die Herstelluns der Fasern-dadurch erreicht/

daß man die in Fasern zu verarbeitende Zusammensetzung durch ein oder mehrere Löcher in mindestens einen Gasstrom extrudiert, '- der eine Komponente hoher Geschwindigkeit in Laufrichtung der extrudierten Zusammensetzung aufweist.

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5. Faserstruktur nach Anspruch *J, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas aus Luft besteht und eine relative Feuchte von mehr als 80$ aufweist.

6. Faserstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern mit einem organischen Harzbinder oder einem feuerfesten Oxydbinder gebunden sind.

7. Faserstruktur nach Anspruch 6, dadurch geken'nzei .c h -

n e t, daß der feuerfeste Oxydbinder aus einem Sol von Aluminiumoxyd, Siliciumoxyd, Titanoxyd, Zirconiumoxyd oder einem Gemisch' daraus besteht.

8. -Faserstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern eine Packungsdichte von 0,008 bis 0,l6 g/cm³ aufweisen.

9. Faserstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ' gekennzeichnet, daß sie die Form einer Watte, einer Matte, einer Decke, eines Filzes, eines Tuchs, eines Papiers oder einer. Platte auf weist »-·

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