DE2728776A1

DE2728776A1 - Anorganische feuerfeste klebemasse

Info

Publication number: DE2728776A1
Application number: DE19772728776
Authority: DE
Inventors: David L Keel; Richard A Waugh
Original assignee: Babcock and Wilcox Co
Current assignee: Babcock and Wilcox Co
Priority date: 1976-06-30
Filing date: 1977-06-25
Publication date: 1978-01-05
Also published as: AU2665477A; IT1081280B; US4090881A; FR2356611A1; DE2728776C2; MX145787A; BR7704249A; SE426579B; CA1085558A; AU504906B2; JPS5330613A; GB1534980A; AR210814A1; SE7707512L; FR2356611B1

Description

PATENTANWALT

23. Juni 1977 Anw.-Akte: 27.127

PATENTANMELDUNG Anmelder; The Babcock & Wilcox Company

161 East 42nd Street, New York, N.Y. 1OO17-USA-

Ti tel: Anorganische feuerfeste Klebemasse

SSSSS =

In der letzten Zeit hat die Verwendung von keramischen Fasern für zahlreiche Hochtemperatureinsätze zugenommen. Die meisten der im Handel erhältlichen ff-Klebemassen haben jedoch im allgemeinen physikalische und chemische Eigenschaften, die dazu führen, daß sie zur Verwendung mit keramischen Faserprodukten ungeeignet sind. Oft enthalten solche Klebemassen Binder, wie z.B. anorganische Silikate, die die keramischen Fasern angreifen und/oder bei hohen Temperaturen elektrisch leitfähig werden können. Solche unerwünschten Eigenschaften begrenzen stark die Einsatzmöglichkeiten solcher Klebemassen.

Trotz derartiger Nachteile ist die zur Begünstigung von anorganischen Klebemassen bestehende Tendenz zu begrüßen, wenn man organische Klebemassen bei hohen Temperaturen benutzt hat und auf die Probleme gestoßen ist, die mit der Verwendung vieler der organischen Klebemassen bei hohen Temperaturen verknüpft sind. Verkokung und Verflüchtigung

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sind typisch für die Nachteile solcher Massen. Erforderlich ist also eine anorganische Klebemasse, die nicht nur bei hohen Temperaturen nützlich ist, sondern auch zahlreiche sonstige wünschenswerte Eigenschaften aufweist, die dazu führen, daß sie für ein breites Verwendungsspektrum geeignet ist. Eine solche Hasse sollte nicht nur ihren Isolierwert bei hohen Temperaturen behalten, sondern sie sollte auch eine ausreichende Steifigkeit behalten, um an Ort und Stelle zu bleiben, wenn sie Beanspruchungen und anderen Kräften bei hohen Temperaturen ausgesetzt wird. Sie sollte auch in Bezug auf die Teile, die sie bindet, inert sein, jedoch sich auch mit denselben bei Wärmewechselspannungen bewegen können.

Es ist bereits eine Masse bekannt, (US-PS 3 231 401) die dadurch gebildet wird, daß man Keramikfasern (vorzugsweise in der Tonerdesilikatart) in einer Kugelmühle vermahlt, bis die Fasern ein Längen-/Durchmesser-Verhältnis von etwa 10 : j bis etwa 50 : 1 haben. Die gekürzten Fasern werden dann mit einem wässrigen Aufschluß aus kolloidalem anorganischem Oxyd- in einer solchen Menge gemischt, daß man einen Oxydgehalt von etwa 3 Gew.-# bis etwa kO Gew.-% des Gemisches auf Trockenbasis erhält. Zahlreiche Eigenschaften der Masse werden durch eine sorgfältige Kontrolle des Längen-/Durchmesser-Verhältnisses begünstigt.

Es ist weiterhin ein monolithisches anorganisches Gefüge bekannt (US-PS 3 758 317), die eine homogene Zusammensetzung aus negativ geladenen kolloidalen Kieselsäureteilchen und positiv geladenen kolloidalen Teilchen enthält, die mit ff-Materialien in Teilchen- oder Faserform verbunden werden können. Es bildet sich ein "gelartiges" Gefüge, das beim Trocknen Schrumpfung erfährt.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine billige, anorganische Hochtemperatur-Klebemasse zu schaffen, die Mullit, Tonerde, keramische Pasern, kolloidale Kieselsäure und ein Bindemittel enthält, die innerhalb bestimmter spezifizierter Verhältnisse gemischt werden, um dem Gemisch wünschenswerte und verbesserte Eigenschaften zu verleihen, einschließlich Nichtleitfähigkeit, Verarbeitbarkeit, die Fähigkeit, metallische Elemente an nichtmetallische Elemente bei hohen Temperaturen zu binden und die eine verbesserte Festigkeit im getrockneten Zustand und Einsatzmöglichkeit in einem breiten Spektrum von Fällen aufweist. Mit solchen Eigenschaften kann nunmehr eine durch lange Standzeit gekennzeichnete Masse der Art, wie man sie z.B. bei elektrisch beheizten Tragpolstern vorfindet, hergestellt werden, wobei die wegen der unerwünschten Nachteile der Klebemassen nach dem Stand der Technik eintretende Beeinträchtigung auf ein Geringstmaß herabgesetzt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer ff-Klebemasse dadurch gelöst, daß der Zusammensetzungsbereich auf Trockengewichtsbasis im wesentlichen aus 33 bis 80 % Mullit, 10 bis 43 # Keramikfaser, 5 bis 20 % kolloidaler Kieselsäure, 5 bis 20 % Tonerde sowie 3 bis 13 % Bentonitton besteht. Eine solche Zusammensetzung ergibt wünschenswerte elektrische Eigenschaften, und zwar u.a. mit geeigneter Festigkeit, Gebrauchsfähigkeit und Viskosität.

Die Erfindung ist im allgemeinen auf eine ff-Masse gerichtet, im besonderen aber auf eine anorganische Klebemasse, die bei hohen Temperaturen eingesetzt werden kann. Diese neue anorganische Klebemasse kann so beschrieben werden, daß sie im wesentlichen (auf Trockengewichtsbasiβ) aus 33 bis 80 % Mullit, 10 bis 43 % keramischen Fasern, 5 bis 20 % kolloidaler Kieselsäure, 5 bis 20 % Tonerde und 3 bis 13 % Bentonitton besteht.

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Mullit ist eine kristalline Verbindung aus Tonerde und Kieselsäure; es hat die Formel 3 AIpO- . 2 SiO₂ und ist seit langem dafür bekannt, daß es bei der Herstellung von Hochtemperatur-Feuerfestmaterialien nützlich ist. Neben seinen niedrigen Kosten weist Mullit einen Schmelzpunkt von etwa
keit.

etwa 1800⁰C auf und zeigt eine gute Wärmeschockbeständig-

Tonerde ist auch ein wichtiger Stoff in der Feuerfestindustrie gewesen. Sie ist bei der Lösung vieler Aufgaben auf dem Gebiet der feuerfesten Auskleidungen ein unerläßlicher Stoff, weil sie, ohne zu schmelzen oder zu erweichen, sehr hohen Temperaturen gewachsen ist und weil sie chemisch gegenüber dem Angriff durch Grundstoffe beständig ist.

Es ist festgestellt worden, daß keramische Fasern ein ausschlaggebender Faktor bei der Bildung von ff-Masse sind. Es können zwar viele der im Handel erhältlichen keramischen Fasern für die Herstellung der Klebemasse verwendet werden, jedoch werden die Ergebnisse dabei unterschiedlich sein. Erfindungsgemäß werden vorzugsweise solche keramischen Fasern wie Kaowool verwendet (ein eingetragenem Warenzeichen). Es ist festgestellt worden, daß die Temperaturbegrenzungen für den Einsatz der Klebemasse sich mit den Einsatz-Temperaturbegrenzungen der keramischen Fasern ändern.

Zusätzlich kann auch SAFFIL (eingetragenes Warenzeichen), ein aus polykristallinen Tonerdefasern bestehendes Gemisch, bei der Bildung der ff-Klebemasse Verwendung finden. Natürlich sind auch Gemische aus den verschiedenen keramischen Fasern nützlich. Üie elektrischen Hochtemperatur-Isoliereigenschaften der erfindungsgemäßen Masse sind darauf zurückzuführen, daß solche Bestandteile wie Zirkonoxyd fehlen, und es wird

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empfohlen, daß bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Masse als Hochtemperatur-Klebemasse Verbindungen, die Zirkon in irgendeiner Form enthalten, vermieden werden. Es sollten auch Gemische aus Tonerde und Chromoxyd oder Vanadiumoxyd nicht vorhanden sein.

Die kolloidale Kieselsäure kann dem Gemisch aus einer Reihe verschiedener Quellen zugesetzt werden, jedoch ist eine bevorzugte Form diejenige, die man in der Masse findet, welche mit Ludox HS (ein eingetragenes Warenzeichen) bezeichnet wird; dies ist ein wässriges kolloidales Sol, welches etwa 30 Gew.-^ des Aufschlusses als Kieselsäure enthält.

Es ist festgestellt worden, daß Bentonitton ein bevorzugter Ton ist, welcher in Verbindung mit den anderen Bestandteilen zu verwenden ist. Er verhindert nicht nur das Absetzen der eine feine Teilchengröße aufweisenden Bestandteile, sondern verleiht auch der Masse die wünschenswerte Viskosität , um die Verwendung des Stoffes als eine Klebemesse zu erleichtern. Wenn die Masse für andere Zwecke eingesetzt wird, dann können andere Tone zur Verwendung kommen, jedoch kann man Änderungen der Eigenschaften erwarten. Es ist auch festgestellt worden, daß sich eine befriedigende Gebrauchsfähigkeitsdauer ergibt, wenn Bentonitton in den empfohlenen Bereichen verwendet wird.

Die erfindungsgemäße Masse iat ein· einmaliges Gemisch aus Bestandteilen; als solche weist sie viele vorteilhafte Eigenschaften auf. Insbesondere ist festgestellt worden, daß diese neue Masse äußerst gut als Klebemasse geeignet ist. Von einer Klebemasse kann man im allgemeinen annehmen, daß es sich um einen Stoff handelt, der eingesetzt wird, um durch

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Oberflächenhaftung zwei oder mehrere Feststoffe zu binden, so daß sie als ein einzelnes Teil wirken oder verwendet werden können. Die erfindungsgemäße Masse weist ausgezeichnete ff-Eigenschaften auf. Es stehen zwar zahlreiche Klebemassen zur Verfügung, es ist aber festgestellt worden, daß diese Klebemassen bei höheren Temperaturen elektrisch leitfähig werden. In vielen Fällen führt eine solche Leitfähigkeit zu negativen Auswirkungen, die ernsthaft dem Produkt schaden können oder die durch die Schwächung der Bindung wesentlich die Standzeit vermindern. In gewissen Fällen entsteht ein Sicherheitsrisiko, wenn die Klebemasse leitfähig wird, denn es besteht dann die gefährliche Wahrscheinlichkeit eines Kurzschlusses. Die erfindungsgemäße Nasse ist in der Lage, ihre Isoliereigenschaften selbst bei denjenigen Temperaturen zu behalten, bei denen andere ff-Klebemassen leitfähig werden. Die Masse bleibt auch in ihrem Gefüge erhalten und ist gegenüber Rißbildung und Abbröckelung beständig, die durch Wärmespannungen auf Grund von Temperaturänderungen entstehen könnten. Die erfindungsgemäße Masse ist mit einer Vielzahl von Stoffen verträglich, so daß ein breites Spektrum für ihre Nutzanwendung besteht. Während eine beliebte z.Zt. im Handel erhältliche Klebemasse eine Verminderung der Bindefestigkeit zeigte, als die einer hohen relativen Feuchtigkeit und hohen Temperaturen während einer längeren Zeit ausgesetzt wurde, zeigt die erfindungsgemäße Masse wenig Änderung bei der Bindefestigkeit. Auch wurde die Bindefestigkeit der erfindungsgemäßen Masse nicht durch eine Wechselbeanspruchung von HOO⁰C bis herunter auf 0° C beeinträchtigt, sondern im Gegenteil erhöht, während die im Handel erhältliche Masse eine eindeutige Verminderung der Bindefestigkeit zeigte.

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Die erfindungsgemäße Masse ist nicht nur billig, sondern auch verhältnismäßig einfach herzustellen. Vorzugsweise werden die Rohstoffe - Tonerde, Mullit und die keramischen Fasern - auf eine Teilchengröße von weniger als 325 Maschen, d. h. weniger als kk Mikron, gemahlen. Es ist festgestellt worden, daß die stabilsten und stärksten Zemente sich aus einem solchen Mahlverfahren ergeben. Eine Mahlung in einer Naßkugelmühle ist zweckmäßig und ergibt ein glattes, homogenes Produkt. Alternativ kann die Klebemasse dadurch hergestellt werden, daß man in der Kugelmühle die trockenen Bestandteile mahlt und später das flüssige kolloidale Kieselsäure-Bindemittel und Wasser in einem Mischvorgang, z.B. in einem Hobart-Mischer, zusetzt.

Innerhalb des Zusammensetzungsbereichs der vorgeschlagenen Masse ist ein bevorzugter Bereich für jeden der Bestandteile festgestellt worden. In diesem bevorzugten Bereich wird auf Trockengewichtsbasis Mullit in einem Anteil von 33 - ^3 % vorhanden sein, keramische Fasern mit 33 - ^3 %, Tonerde mit 8-12 %, kolloidale Kieselsäure mit 8 - 12 % und Ton mit 3-5 7».

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 ein getragenes und zusammengebautes Heizelement, Fig. 2 eine Ansicht entlang der Linie 2-2, Fig. 3 eine Vergrößerung eines Teils von Fig. 2.

Figur 1 zeigt im allgemeinen einen Träger 10 für ein elektrisches Heizelement. Der Träger umfaßt ein Trag-Gußstück

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12, welches aus gegossenen Keramikfasern besteht und eine Öffnung 14 aufweist, deren Boden 13 mit einer Spiralnut 20 in kontinuierlicher Spiralform ausgebildet ist. um das elektrische Heizelement 16 aufzunehmen. Das Heizelement kann aus Eisen oder Nickel-Chrom oder aus einem anderen metallischen Material bestehen, welches für Heizelemente verwendet wird. Elektrische Verbindungen 18 führen zur Stromquelle. Figur 2 zeigt die Spiralnut 20, die im Boden 15 ausgebildet ist. Die Nut ist halbkreisförmig im Querschnitt und hat einen größeren Durchmesser als dasjenige Teil des Heizelements 16, das in die Nut eingesetzt wird. Die ff-Masse 22 kleidet die SpiralnufTuis. Zur Verwendung wird die Masse 22 in die überdimensionierte Spiralnut eingeführt, worauf das Heizelement 16 in die Nut und die Masse eingesetzt wird. Natürlich folgen dann Ausbesserungsarbeiten. Nach genügender Lufttrocknung wirkt die Masse als eine Klebemasse, die das Heizelement 16 an dem Boden 15 des Trägers 10 bindet. Bei einer solchen Endverwendung ist die längere Einwirkung von Temperaturwechselbeanspruchungen für die Festigkeit der gebildeten Klebebindung von großer Bedeutung. In der nachstehenden Tabelle werden die Ergebnisse zusammengefaßt, die von einem unabhängigen Prüflabor zusammengestellt wurden, welches die Bindefestigkeit der erfindungsgemäßen ff-Klebemasse mit einer im Handel erhältlichen erfolgreichen Klebemasse verglichen hat. Siehe die folgende Tabelle:

Zugfestigkeit

(Ausgedrückt in Pfund, die erforderlich sind, um die Bindung zu zerstören, ebenfalls als % der Festigkeit im angelieferten Zustand angegeben)

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Beeinflussung

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Handelsübliches Produkt

Verbesserte Klebemasse

Angelieferter Zustand

Auswirkung der relativen Feuchtigkeit (95 - 100 % relative Feuchtigkeit bei 140⁰F für 168 Stunden)

3,5 (100 °/o)

1,8 ( 51 °h)

Auswirkung der Temperatur

(2000⁰F für 168 Stunden) 3,4 ( 97 %)

4,4 (100 %)

4.3 (98 %)

6.4 (145 %)

Einwirkung der Wechselbeanspruchung (2000 F für 48 Stunden) ( 85 - 90 % relative Feuchtigkeit bei 104 für 48 Stunden) (32 F für 8 Stunden) (85 - 90% relative Feuchtigkeit bei 104 F für 64 Stunden) 2,5 (71 %)

7,8 (177 %)

Prüfungen der elektrischen Standzeit zeigen, daß die erfindungsgemäße Klebemasse elektrische Isoliereigenschaften aufweist, die den erstrebten Zielen entsprechen. Für Prüfzwecke wurden Heizelemente Kanthai D (1575 W bei 236 V) in die Elementtragpolster eingesetzt; die Verrichtungen wurden dann mit Glaskeramikplatten CEU-VIT (Owens-Illinois) abgedeckt und mit 240 V beaufschlagt. Nach einer Wechselprüfung, die eine Einschaltzeit von 2000 Stunden umfaßte (60 Minuten ein, 15 Minuten aus), wurde kein Zeichen einer Verschlechterung in der Verhaltensweise der Vorrichtung festgestellt. Andere Vorrichtungsprüfungen, die aus 500 Stunden Dauereinschaltzeit und anschließender Wechselein-

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schaltzeit von 300 Stunden bestanden, zeigten ebenfalls keine Verschlechterung der Klebemasse oder der Vorrichtung.

Wie man aus den obigen Daten feststellen kann, zeigten andere Massen eine wesentliche Verschlechterung der Bindefestigkeit bei verschiedenen Umweltsänderungen, während jedoch die erfindungsgemäße Masse ziemlich unerwartet verbesserte Bindefestigkeiten zeigte. Es ist leicht begreiflich, daß solche Eigenschaften ein breites Anwendungsgebiet für eine solche Masse nahe legen. Sonstige Verwendungsmöglichkeiten fUr die Klebemasse bestehen darin, Heizdrähte an Glaskeramikflächen zu binden, Faserisolierschichten zu binden, verschiedene vakuumverformte Faserprofile zu binden sowie grundsätzlich fast in jedem Fall eingesetzt zu werden, in welchem eine ff-Bindung zwischen Stoffen erforderlich ist. Im Einsatz kann die Masse aufgetragen, aufgepinselt, aufgespritzt, aufgeschichtet, aufgespachtelt, oder sonstwie verarbeitet werden, um die erforderliche Gleichmäßigkeit und Glätte zu ergeben, wie es in dem jeweiligen Fall erforderlich sein kann.

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Leerseite

Claims

Anw.-Akte: 27.127 PATENTANSPttÜCHE :

1. Anorganische ff-Klebemasse, dadurch gekennzeichnet, daü sie auf Trockengewichtsbasis im wesentlichen aus 33 bis 80 V» Mullit, 10 bis 43 fr Keramikfaser, 5 bis 20 ^L,o Tonerde, 5 bis 20 ',* kolloidaler Kieselsäure und 3 bis 13 > Ton besteht.

2. Anorganische ff-Klebemasse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Ton Bentonit ist.

3. Anorganische ff-Klebemasse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß sie auf Trockengewichtsbasis im wesentlichen aus 33 - kj °/o Mullit, 33 - Ό "Ζ» Keramikfaser, 8 - 12 % Tonerde, 8 - 12 £ kolloidaler Kieselsäure und 3 - 5 % Ton besteht.

4. Anorganische ff-Klebemasse nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet , daß der Ton Bentonit ist.

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