DE2613413B2 - Verfahren zur Herstellung von porösen Elementen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines porösen Elements gemäß Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Ein derartiges Verfahren ist aus der DE-OS 24 34 445 bekannt, gemäß dem zwar ebenfalls zerbrechbare Fasern angewandt werden können und das Material auch gepreßt wird, bei dem jedoch ein Zerbrechen der Fasern im eigentlichen Sinne nicht angestrebt wird. Das mit Hilfe dieses vorbekannten Verfahrens erhältliche poröse Element besitzt nicht die gewünschte gleichmäßige feine Porosität, so daß es für Anwendungszwecke, bei denen es auf die Porosität und geringe Dichteunterschiede ankommt, nicht besonders gut geeignet ist.

Weiterhin ist es aus der DE-OS 22 03 252 bekannt, bei üei Ablagerung von Fasern aus einer F

auf einer Form bei dem Naßverfahren, zylindrische, flüssigkeitsdurchlässige Formen zu verwenden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren anzugeben, mit dem es gelingt, poröse, hitzebeständige Elemente zu bilden, die eine extrem gleichmäßige Porosität und äußerst geringe Dichteunterschiede in der Masse aufweisen und die dazu verwendet werden können. Flüssigkeiten, Gase oder Dämpfe gleichmäßig zu dispergieren.

Diese Aufgabe wird nun durch das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Hauptanspruch gelöst.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens erhält man ein poröses Element mit überraschend vorteilhaften Eigenschaften, das aufgrund seiner extrem gleichmäßigen Porosität, seiner äußerst geringen Dichteunterschiede und seiner Hitzebeständigkeit in herausragendem Maße dazu geeignet ist. Flüssigkeiten, Gase oder Dämpfe auch bei hohen Temperaturen zu dispergieren oder zu filtrieren, wie es beispielsweise für Brenner erforderlich ist, die eine besonders gleichmäßige Wärmeabgabe ermöglichen sollen oder für Filter mit hohem Wirkungsgrad erforderlich ist.

Vorteilhafte Ausführungsformen dieses erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüehe 2 bis 4.

Unter den erfindungsgemäß verwendeten »zerbrechbaren Fasern« sind Fasern zu verstehen, die in Form einer Matte von vernetzten Fasern unter Druck brechen können und einer permanenten Umlagerung unterlie-

jo gen, wodurch eine Matte einheitlicher Dichte gebildet wird. Die Eignung irgendwelcher besonderer Fasern kann ohne weiteres durch Versuche ermittelt werden. Die Brüchigkeit der Fasern ist dabei ein bestimmender Faktor für ihre Eignung. Mit Vorteil sind die Fasern polykristallin und besitzen einen engen Bereich des Faserdurchmessers. Hieraus ergibt sich, daß Borsilikatfasern, die herkömnilicherweise zur Herstellung von porösen Elementen verwendet werden, nicht geeignet sind.

Es können jedoch auch nicht zerbrechbare Fasern mit den zerbrechbaren Fasern vermischt werden, vorausgesetzt, daß die einheitliche Porosität des gebildeten porösen Elements nicht beeinträchtigt wird.
Zu geeigneten Fasern, die aus anorganischen Fasern ausgewählt werden können, gehören Aluminiumoxid- und Zirkoniumdioxidfasern. Weitere geeignete anorganische Fasern sind Aluminiumsilikat- und Kaliumpolytitanatfasern. Besonders bevorzugt sind Aluininiumoxidfasern. Sie können einen Faserdurchmesser von 1 bis 5 μιτι aufweisen. Besonders bevorzugte Aluminiumoxidfasern besitzen einen einheitlich feinen Durchmesser, einen kreisrunden Querschnitt und variieren in der Länge von etwa 2 bis 5 cm und weisen in ungleichmäßigen Abständen längs ihrer Länge Kinks auf. Die einzelnen Fasern sind polykristallin und mikroporös und bestehen im wesentlichen aus AbOi mit anderen organischen Oxiden und besitzen eine reaktionsfähige Oberfläche, die die Bindung mit anderen Materialien, wie feuerfesten Klebstoffen und organischen Harzen, beispielsweise Phenolharzen, Epoxidharzen und Polyolefinen, erleichtern. Typische Eigenschaften der bevorzugten Aluminiumoxidfasern sind:

Faserdichte 2,5 gern -*

Schmelzpunkt >2000°C

Maximale Anwendungstemperatur 1400°C
Spezifische Wärme 0,25CaIg-¹⁰C"¹

Zugfestigkeit 1 x 10'MN ill ²

Spezifische Festigkeit
Youngscher Modul
Spezifischer Modul
Durchschnittlicher
Durchmesser
Wirksame Oberfläche
Härte (MOH)

4Ox 103 m
1 χ lO'MNm-²
4xlO*m

3μιτι

10m²g-'

Vorzugsweise bildet man eine verdünnte Dispersion der Aluminiumoxidfasern in einer wäßrigen sauren Lösung mit einem pH-Wert von 2,8 bis 3,5 und insbesondere mit einem pH-Wert von etwa 3.

Bevor man das anorganische Bindemittel zugibt, ist es erforderlich, sicherzustellen, daß der pH-Wert der Dispersion keine vorzeitige oder ungleichmäßige Ausfällung bewirkt. Der pH-Wert d\.r Dispersion beträgt vorzugsweise 7 bis 8.

Das anorganische Bindemittel kann in einer solchen Menge zugegeben werden, daß es 5 bis 40 Gew.-°/o, insbesondere 15bis35Gew.-% Feststoffe auf der Faser, bezogen auf das Fasergewicht, bildet. Es kann zweckmäßig sein, das anorganische Bindemittel in einer solchen Menge zu verwenden, daß man etwa 25 Gew.-% Feststoffe auf der Faser, bezogen auf das Fasergewicht, erhält.

Das anorganische Bindemittel muß dazu geeignet sein, eine Bindung des anorganischen Materials zwischen den Fasern nach dem Trocknen im Kontakt mit den Fasern und Erhitzen bzw. Abbrennen, soweit erforderlich, zu ergeben. Vorzugsweise verwendet man als anorganisches Bindemittel ein anorganisches Oxid, wie beispielsweise ein Silikat. Ein bevorzugtes anorganisches Bindemittel ist ein Aluminiumoxid-(ßöhmit)-sol. Zu weiteren geeigneten anorganischen Oxidbindemitteln gehören Siliciumdioxid- und Zirkoniumdioxid-sole. Das anorganische Bindemittel kann organische Anteile enthalten, vorausgesetzt, daß diese bei dem Trocknen entfernt werden. Beispielsweise kann man ein Organosilikat, wie ein quartäres Ammoniumsilikat, verwenden, weil der organische Bestandteil beim Abbrennen entfernt wird.

Wenn das Kolloid mit den Fasern dispergiert ist, senkt man den pH-Wert der Dispersion, um das Kolloid auf den Fasern auszufällen. In dieser Weise wird das Kolloid gleichmäßig ausgefällt und derart auf den Fasern fixier'., daß eine Wanderung des anorganischen Bindemittels während des anschließenden Trocknens des Filterelements vermieden wird. Der pH-Wert der Dispersion kann durch Zugabe einer Aluminiumsulfatlösung gesenkt werden. Vorzugsweise wird der pH-We-t auf einen Wert von etwa 4 abgesenkt.

Die Konsistenz der Dispersion der Fasern und des anorganischen Bindemittels beträgt vorzugsweise 0,1 bis 0,5%.

Das Dispersionsmedium der mit dem anorganischen Bindemittel beschichteten Fasern wird vorzugsweise unter Überführung der Fasern in ein gewünschtes Formgebilde durch Vakuum abgszogen, wozu man eine zylindrische poröse Form in die Dispersion eintaucht und ein Vakuum an die Form anlegt. Die Fasern werden so zu einem Hohlzylinder geformt, wenngleich darauf hinzuweisen ist, daß eine Vielzahl von Formen hergestellt werden kann. Während der Anwendung des Vakuums wird die Form vorzugsweise gedreht, um die Gleichmäßigkeit des Produkts zu erhöhen.

Um beste Ergebnisse zu erzielen, ist es notwendig, die Fasern gleichmäßig auf der Form abzulagern, wozu es erforderlich ist, den Wasserstrom sehr gleichmäßig durch die Form zu führen. Die zylindrische Form ist daher als Rohr aus rostfreiem Stahl ausgebildet, das einheitlich mit Abzugslöchern bedeckt ist, die durch das Rohr führen, wobei Rohr und Löcher vorzugsweise mit einem Drahtgewebe aus rostfreiem Stahl abgedeckt sind Das Drahtgewebe ist besonders vorteilhaft weil es die leichte Freigabe der FasermaUe ermöglicht, was beispielsweise bei einem perforierten Metall nicht der Fall ist Die Röhre weist einen umlaufenden Ring

»ο definierter Stärke an jedem Ende eines Röhrenabschnitts auf. Vorzugsweise rotiert die Form um ihre Längsachse und es wird an jedem Ende der Form ein Vakuum angelegt Es kann vorteilhaft sein, in Zwischenräumen längs der Röhre ein Vakuum anzulegen.

t5 Um ein zylindrisches poröses Element ohne Abweichungen der Wandungsstärke herzustellen, ist es notwendig, daß der Außendurchmesser des Rohrs von rostfreiem Stahl und die Wandungsstärke der Ringe so eingerichtet sind, daß Rohr und Ringe genau kreisrund

;:o und konzentrisch sind. Ebenso sollte das Drahtgewebe eine gleichmäßige Stärke aufweisen. Wenn der Druckunterschied quer durch die Form erhöht wird, wird der Wasserfluß durch die Form gleichmäßiger. Aus diesem Grund werden höhere Druckunterschiede bevorzugt.

Die auf der Form abgelagerte Fasermatte muß ausreichend gepreßt werden, um wenigstens einen Teil der Fasern zu brechen und dadurch eine Matte einheitlicher Dichte zu bilden, wozu man die Form unter Druck gegen eine Oberfläche, beispielsweise die Oberfläche einer mit Draht abgedeckten Pappe, rollt.

Die beschichteten Aluminiumoxidfasern können ohne Faltung bzw. Einschrumpfen und mit nur geringer Oberflächenablösung zerkleinert und in die gewünschte Form gebracht werden.

Nachdem die beschichteten Fasern abgetropft und, soweit erforderlich, geformt sind, werden sie getrocknet. Dies kann vorteilhafterweise unter Anwendung von Wärme erfolgen, wobei die Fasern vorzugsweise bei einer Temperatur von 90 bis 110°C getrocknet werden.

Die getrocknete Fasermatte kann mit einem Bindemittel imprägniert werden, das eine Bindewirkung zwischen den Fasern bewirkt, ohne die Einheitlichkeit der Porosität des Elements zu beeinträchtigen. Beispielsweise kann das Bindemittel so ausgewählt werden, daß das imprägnierte Element machmenbearbeitbar ist. Beispielsweise kann das Element erfolgreich auf einer Drehbank bearbeitet werden.

Beispielsweise sind die Bindemittel härtbare organische Harze, die gegebenenfalls einen Härtungskatalysator enthalten.

Ein besonders geeignetes organisches Harz ist ein Silikonharz mit guter Härte und einer Hitzebeständigkeit bei Temperaturen bis zu 25O°C. Typische Eigenschaften eines solchen Harzes sind:

Gesamtfeststoffe 60 ±1

% Silikon in den Gesamtfeststoffen 100

Lösungsmittel Toluol

Viskosität cps (Brookfield) 25°C 50 -100

Durchschnitts-S.G.(25°C) 1,09

Flammpunkt im geschlossenen

Behälter <10°C

Zu anderen organischen Harzen, die erfindungsgemäß eingesetzt werden können, zählen die Epoxidharze. Das Harz wird zweckmäßigerweise in einem organischen Lösungsmittel unter Bildung einer verdünnten Lösung gelöst. Beispielsweise kann eine Lösung, die 5 Gcw.-% organische Harzfeststoffe in

einem geeigneten organischen Lösungsmittel aufweist, verwendet werden. Beispiele für geeignete Lösungsmittel sind 1,1,1-Trichlorälhan, Methylethylketon und Toluol.

Zur Verkürzung der Härtungszeit mid zur Verbesserung der Wärmebehandlung wird ein Katalysator, beispielsweise eine öllösliche organische Metallverbindung, wie Zinkoctoat, Zinknaphthenat und Dibutylzinndilaurat verwendet Zinkoctoat ist ein für Silikonharz besonders geeigneter Katalysator. Das Harz wird vorzugsweise zum Härten erhitzt Beispielsweise kann das oben beschriebene Silikonharz in zufriedenstellender Weise durch einstündiges Erhitzen auf 200⁰C gehärtet werden. Weiterhin können härtbare organische Harze, anorganische Bindemittel, beispielsweise Siliciumdioxidbindemittel, eingesetzt werden.

Die erfindungsgemäß hergestellten porösen Elemente werden aufgrund ihrer extrem gleichmäßigen Porosität und ihrer einheitlichen Dichte insbesondere zum Lösen von Gasen oder Dämpfen in Flüssigkeiten verwendet, sofern es zweckmäßig ist, daß das Gas mit einer großen wirksamen Oberfläche der Flüssigkeit dargeboten wird. Dies macht eine große Anzahl kleiner Gas- oder Dampfperlen erforderlich, die ihrerseits Verteilungselemente voraussetzen mit einer großen Anzahl kleiner Poren, die gleichmäßig in der Oberfläche des Elements verteilt sind, wie es bei den erfindungsgemäß hergestellten Elementen der Fall ist. die daher einen erhöhten Wirkungsgrad für diese Verteilung besitzen. Mit Vorteil werden die erfindungsgemäß hergestellten Elemente für die Belüftung/Ozonisierung von Flüssigkeiten, zum Beispiel bei der Abwasserbehandlung, eingesetzt.

Die erfindungsgemäß hergestellten Elemente sind ebenso wertvoll als Gasdiffusionsmittel, sofern es erforderlich ist, das Gas gleichmäßig zu diffundieren. Beispielsweise kann ein zylindrisches Element mit Vorteil dazu verwendet werden, einen gleichmäßigen radialen Luftstrom zum Kühlen von synthetischen Fasern bei deren Herstellung zu bilden.

Das folgende Beispiel verdeutlicht eine spezifische Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Beispiel

Man bereitet eine homogene Dispersion von Aluminiumoxidfasern, wie sie oben beschrieben worden sind, in einer wäßrigen sauren Lösung mit einem pH-Wert von 3. Dann stellt man den pH-Wert der Dispersion auf einen Wert zwischen 7 und 8 und setzt ausreichend Aluminiumoxidsol zu, um einen Feststoffgehalt auf den Fasern von 25% (GewVGew.) zu erhalten. Das Aluminiumoxidsol wird gleichmäßig zwischen den Fasern dispergiert, wonach eine Aluminiumsulfatlösung zugegeben wird, um den pH-Wert der Dispersion auf 4 zu senken und damit das Kolloid auf den Fasern auszufällen.

Dann wird eine zylindrische Vakuumform oder formbildende Patrone in die Dispersion eingeführt. Die Form umfaßt ein genau bearbeitetes Rohr aus rostfreiem Stahl mit einem Außendurchmesser iron 19,05 mm und einem Innendurchmesser von 12,7 mm. An jedem Ende ist das Rohr mit einem umlaufenden Ring versehen, der die Stärke der fertigen Fasermatte definiert Jeder Ring ist genau auf eine Stärke von

ίο 2,72 mm bearbeitet Die Länge des Rohrs zwischen den Ringen beträgt 22,86 mm, wobei dieser Teil des Rohrs einheitlich mit umlaufenden Abzugslöchern bedeckt ist von denen jedes einen Durchmesser von 3,18 mm aufweist, wobei die Mittelpunkte der Löcher einen Abstand von 3,4 mm besitzen. Der Teil des Rohres zwischen den Ringen ist mit einem engmaschigen Drahtgewebe aus rostfreiem Stahl abgedeckt dessen Naht durch Verschweißen der einzelnen Drahtbündel gebildet wurde, um die Einheitlichkeit der Strömung in der Nähe der Naht sicherzustellen. Das Drahtgewebe besitzt eine Maschengröße, die einer lichten Maschenweite von 0,250 mm entspricht

Das Rohr ist drehbar angebracht und an jedem Ende mit einer Vakuumquelle verbunden. Beim Arbeiten wird das Rohr gedreht und Vakuum an beide Enden angelegt, wodurch die beschichteten Fasern der Dispersion einheitlich an der Oberfläche des Drahtgewebes abgelagert werden. Die Maßnahme wird fortgesetzt, bis die Fasertiefe ausreichend höher ist als die Höhe der Ringe.

Dann wird die Vakuumform aus der Dispersion entnommen und es wird die überschüssige Flüssigkeit von der auf der Form abgelagerten Matte aus vernetzten Fasern dadurch entfernt daß man das Vakuum noch eine gewisse Weile angelegt läßt. Die Oberfläche der erhaltenen Fasermalte ist geriffelt.

Die Fasermatte wird dann durch Walzen der Form über eine mit Draht beschichtete Pappe gepreßt. Das Walzen wird so lange fortgesetzt, bis die Stärke der Matte auf die Stärke der Ringe an dem Rohr verringer; ist, die eine weitere Verringerung der Stärke verhindern und sicherstellen, daß die Fasermatte in Form einer Röhre eine einheitliche Stärke aufweist. Die Oberfläche der Matte ist nunmehr glatt und ohne Spuren der zuvor vorhandenen Riffelungen.

Die in dieser Weise gebildete Faserröhre wird durch Erhitzen in einem Ofen bei einer Temperatur von 100⁰C getrocknet.

Die getrocknete Röhre wird mit einer 5 Gew.-°/oigen Lösung eines Silikonharzes, wie es oben definiert wurde, in 1,1,1-Trichloräthan als Lösungsmittel unter Verwendung von Zinkoctoat als Härtungskatalysator imprägniert. Die imprägnierte Röhre wird durch einstündiges Erhitzen auf 200⁰C gehärtet.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur herstellung eines porösen Elements durch Dispergieren von zerbrechbaren Fasern mit einem Durchmesser von 0,001 bis 10 μπι in einem wäßrigen Medium; erforderlichenfalls Erhöhen des pH-Werts der Dispersion auf wenigstens 7; Zugeben einer kolloidalen Lösung eines anorganischen Bindemittels das die Eigenschaft besitzt, sich beim Absenken des pH-Werts auf den Fasern niederzuschlagen; gemeinsames Dispergieren der Fasern und des Kolloids; Absenken des pH-Werts der Dispersion, um das Bindemittel auf den Fasern auszufallen; anschließendes Ablagern der Fasern aus der Dispersion unter Bildung einer Matte aus miteinander verbundenen Fasern; und Trocknen der erhaltenen Fasermatte, dadurch gekennzeichnet, daß man die mit dem Bindemittel beschichteten Fasern gleichmäßig auf der Oberfläche einer zylindrischen porösen Form, die einheitlich mit Abzugslöchern zum gleichmäßigen Abziehen des Wassers von den Fasern versehen ist und an beiden Enden umlaufende Ringe definierter Stärke aufweist, ablagert, unter Bildung einer röhrenförmigen Fasermatte, deren Fasertiefe ausreichend höher ist als die Höhe der Ringe, und durch Verpressen der Fasermatte vor dem Trocknen durch Walzen der Form unter Druck gegen eine Oberfläche, bis die Stärke der Fasermatte auf die Stärke der Ringe vermindert ist und mindestens ein Teil der Fasern gebrochen ist, wodurch man eine Fasermatte einheitlicher Dicke und Porosität mit glatter Oberfläche bildet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die zylindrische poröse Form in die Dispersion der mit dem anorganischen Bindemittel beschichteten Fasern taucht und durch Anlegen eines Vakuums über das Innere der Form die röhrenförmige Fasermatte auf der Oberfläche der Form bildet.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man eine zylindrische poröse Form verwendet, die mit einem engmaschigen Drahtgewebe abgedeckt ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Form unter Druck gegen die Oberfläche einer mit Draht abgedeckten Pappe walzt.