DE2853397C3

DE2853397C3 - Wärmeisolierungsmaterial auf der Basis einer gasdurchlässigen Filzbahn aus Kohlenstoffasern und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE2853397C3
Application number: DE2853397A
Authority: DE
Inventors: Noboru Iwaki Fukushima Ohyama
Original assignee: Kureha Corp
Current assignee: Kureha Corp
Priority date: 1977-12-14
Filing date: 1978-12-11
Publication date: 1984-09-20
Also published as: GB2012031B; DE2853397A1; FR2411703B1; JPS5829129Y2; US4279952A; GB2012031A; FR2411703A1; CA1102673A; DE2853397B2; SE438032B; JPS5492471U; SE7812778L

Description

Bei hohen Temperaturen arbeitende Wärmeöfen müssen an den Innenwänden zur Aufrechterhaltung der Innentemperatur mit Isoliermaterial ausgekleidet sein. Als Isoliermaterialien sind bisher hierfür Steine aus Graphitpulver oder Aluminiumoxid verwendet worden, jedoch lassen sich mit diesen Materialien nur schwer gleichmäßige Wärir.edämmungseigenschaften erzielen. Insbesondere bei Wärmeöfen, die mit einer nichtoxidierenden Atmosphäre arbeiten, weshalb diese Atmosphäre gegen die Umgebungsluft abgeschirmt werden muß, stellt sich die Anbringung des Isoliermaterials als äußerst kompliziert und schwierig dar.

Angesichts dieses Problems ist die Entwicklung in den letzten Jahren weitgehend dahin gegangen, als Isoliermaterialien anorganische Fasern mit einer ausgezeichneten Wärmebeständigkeit, beispielsweise Kohlenstofffasern, Keramikfasern, Schlackenfasern und Gesteinswolle, in Form einer voluminösen Filzauskleidung zu verwenden.

In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, daß sich bei der Verwendung solcher F'lze aus anorganischen Fasern noch eine Reihe von Problemen ergeben. Insbesondere werden von den Fachleuten folgende Anforderungen für wichtig gehalten:

1) Der Filz muß in sich standfest sein,

2) die Bildung von Staubflocken oder Flor muß verhindert werden,

3) die Außenflächen des Filzes müssen gasdicht sein.

Der Mangel an Standfestigkeit des Filzes macht das Anbringen einer Vielzahl von Stützkonstruktionen in dem Ofen, notwendig, um diesen an den Innenwänden des Ofens festzuhalten. Dies führt zu einer Verkleinerung des nutzbaren Ofenraumes und zu Unterschieden in der Dicke und Dichte der Filzauskleidung, was zu einer weiteren Verkleinerung des ausnutzbaren Ofenraumes führt. Die Bildung von Staubflocken oder Flor muß verhindert werden, da diese(r) sich in losem Zustand mit dem Behandlungsgut mischt bzw. mischen

so und dieses verunreinigt bzw. verunreinigen. Ferner hängt von der Oberflächendichtigkeit des Filzes die Lebensdauer des Isoliermaterials ab. Insbesondere in mit einem Vakuum arbeitenden Schmelzöfen oder Verdampfutigsabscheideöfen neigt das Schmelzgut gelegentlich zum Stoßen (Siedestöße), gelangt an die Wand des Schmelztiegels und setzt sich an dem Isoliermaterial fest; gelegentlich schlägt sich an dem Isoliermaterial auch Metalldampf nieder. Das verspritzte oder verdampfte Material setzt sich jedoch nicht nur auf diese Weise an der Filzoberfläche fest; es dringt darüber hinaus auch zwischen den Fasern hindurch in die inneren Filzschichten ein. Diejenigen Teile des Filzes, in denen sich das zu behandelnde Material auf diese Weise festsetzt, erfahren eine merkliche Minderung ihrer mechanischen Festigkeit und fallen dadurch leicht ab, sobald sie einem Stoß- oder einer Reibung ausgesetzt sind.

Durch diese Empfindlichkeit des Filzes wird seine

Lebensdauer als Wärmedämmungsmaterial erheblich verkürzt, und seine Wärmedämmungseigenschaften werden so weit beeinträchtigt, daß sich Unregelmäßigkeiten in der Ofentemperatur einstellen.

Zur Behebung dieser Schwierigkeiten hat einer der Erfinder bereits zu einem früheren Zeitpunkt ein Verfahren zur Herstellung von geformtem Isoliermaterial entwickelt, in welchem ein Filz aus Kohenstoffasern mit einem carbonisierbaren warmhärtbaxen Harz imprägniert und dieses Harz nach dem Verformen und Aushärten carbonisiert wird. Mit diesem Verfahren (japanische Patentveröffentlichung Nr. 35 390/1975) läßt sich ein Isoliermaterial erhalten, bei dem die Bildung von losem Flor aus dem Faserfilz verringert ist und welches eine ausreichende Standfestigkeit aufweist

Weitere Untersuchungen haben jedoch ergeben, daß das vorstehend beschriebene Isoliermaterial aus imprägniertem Kohlenstoffaserfilz noch immer mit einer Reihe von Mängeln behaftet ist Insbesondere weist ein solches Isoliermaterial nur eine Dichte von 0,11 bis 0,13 g/cm³ auf; hierdurch ist zwar die Standfestigkeit nicht beeinträchtigt, doch stellt die wirksame Verhinderung der Bildung von Fior und die Verbesserung der Oberflächendichtigkeit weiterhin ein Problem dar. Beispielsweise wird die Oberfläche des verformten Isoliermaterials durch die Berührung und Reibung mit dem in den Ofen eingespeisten bzw. durch diesen hindurchgeführten Behandlungsgut oder aber durch Erosion aufgrund der hohen Gasströmungsgeschwindigkeit abgetragen, die durch das Ein- und Ausströmen von nichtoxidierenden Gasen, wie Verdrängungs- uüd Abgasen, bedingt ist, oder dadurch, daß während des Betriebs eines Vakuumofens Kühlgas eingespeist wird. Bis heute steht noch kein verformtes Isoliermaterial zur Verfügung, bei dem eine solche Erosion oder Bildung von losem Flor verhindert werden kann.

Ferner ist aufgrund der ungenügenden Oberflächendichtigkeit diese: verformten Isoliermaterials eine Beeinträchtigung seiner Qualität durch verspritztes oder verdampftes Behandlungsgut, welches an diesem haftet oder in dieses eindringt, fast nicht zu verhindern gewesen. Dieses Problem läßt sich zwar bis zu einem gewissen Grad dadurch lösen, daß man zur Heraufsetzung der Dichtigkeit der Filzoberfläche die zugesetzte Menge an kohlenstoffhaltigem Bindemittel erhöht. Jedoch ist das kohlenstoffhaltige Bindemittel, welches durch Carbonisierung eines warmhärtbaren Harzes erhalten wird, se'bst wenig fest, spröde und leicht pulverisierbar. Selbst wenn auf diese Weise die Bildung von Flor verhindert werden kann, besteht doch die Gefahr, daß sich der Anteil an losem, pulvrig gewordenem Bindemittel erhöht. Ein weiteres Problem besteht darin, daß man zwecks Erhöhung des Anteils an Bindemittel den Filz mit einer sehr großen Menge carbonisierbaren Harzes imprägnieren muß, welches der Vorläufer des Bindemittels ist. Aber auch hier findet während der Carbonisierung im Anschluß an die Verformung ein Schrumpfprozeß in Abhängigkeit von dem Grad der Carbonisierung des betreffenden Harzes statt, so daß die Form des Isoliermaterials insgesamt eine Veränderung erfährt.

Bisher konnten daher weder die gewünschten Wärmedämmungseigenschaften noch die drei vorstehend als erforderlich genannten Merkmale der Standfestigkeit, der Widerstandsfähigkeit in bezug auf eine Staub- und Florbildung und der Oberflächendichtigkeit mit einer einzigen Isolierschicht gleichzeitig erzielt werden.

Aus der US-PS 40 41 116 ist ein Verfahren zur Herstellung von porösen, graphitisierbaren Matten für Isolierzwecke beschrieben, bei dem eine Aufschlämmung von Kohlenstoffasem und gegebenenfalls kohlenstoffhaltigem Pulvermaterial, wie Ruß, in der Lösung eines carbonisierbaren Harzes unter der Einwirkung der natürlichen Schwerkraft oder mittels Zentrifugieren zu einem mattenartigen Gebilde der Feststoffe zum Absitzen gebracht wird, worauf man die Feststoffablagerung unter einem Druck bis zu 686,5 kPa verdichtet und überschüssige Flüssigkeit abtrennt Schon während des Absitzenlassens der Feststoffe kann dem mattenartigen Gebilde dli gewünschte Form gegeben werden, z. B. indem man als Gefäß einen Zylinder oder ein entsprechend geformtes Diaphragma wählt Anschließend wird die abgeschiedene Harzmatrix thermisch gehärtet. Als besonderer Vorteil wird hervorgehoben, daß die Kohlenstoffasem in ihrer Lage völlig statistisch in der Harzmatrix verteilt sind.

Die vorstehend diskutierten Anforderungen an ein Auskleidungsmaterial von Wärmeöfen lassen sich auf diese Weise aber nicht befriedigen.

Weiterhin wird in der DE-PS 18 14 052 eine als Strahlungsschild (Wärmeschild) bei hohen Temperaturen einsetzbare Kombination aus Kohlenstoff-Filz und flexiblen Graphitpia'ten- bzw. -folien beschrieben, welche miteinander verklebt sind und durch Tragkörper gestützt werden, wobei eines dieser Stützorgane die dem Behälterinnern zugekehrte Innenwand bildet. Das den Wärmeschild bildende Isoliermaterial füllt den Innenraum zwischen den beiden Tragkörpern aus, zeigt aber keine eigene Standfestigkeit. Daher löst dieser Stand der Technik nicht die vorstehend erläuterten Nachteile von Auskleidungsmaterial für Wärmeöfen.

Aufgrund weiterer einschlägiger Untersuchungen wurde nunmehr festgestellt, daß eine Bahn aus Graphit eine ausgezeichnete Oberflächendichtigkeit besitzt und sich gleichzeitig mit einem kohlenstoffhaltigen Bindemittel oder dessen Vorläufer, dem carbonisierbaren Harz, imprägnieien läßt. Ferner wurde festgestellt, daß sich eine solche Graphitbahn mittels eines solchen kohlenstoffhaltigen Bindemittels sehr fest an einen Filz aus Kohlenstoffasprn binden läßt. Das auf diese Weise erhaltene mehrschichtige Isoliermaterial entspricht den vorstehend genannten Anforderungen an ein Wärmedämmungsmaterial vollkommen; darüber hinaus wird durch Verbinden einer Graphitbahn mit der Oberfläche des Filzes Strahlungswärme reflektiert, so daß der adiabatische Wirkungsgrad um etwa 20 Prozent steigt (d. h. die für die Behandlung erforderliche Wärmemenge verringert sich um etwa 20 Prozent).

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Warmeisoliermaterial zur Verwendung in Wärmeöfen zu schaffen, in denen eine nichtoxidierende Atmosphäre verwendet wird, wobei das Isoliermaterial sowohl wärmedämmend wirkt als auch bezüglich der Bildung von Staub oder Flor resistent ist, eine eigene Standfestigkeit besitzt sowie eine befriedigende Oberflächendichtigkeit aufweist.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung des vorstehend genannten Isoliermaterials. Das erfindungsgemäße Wärmeisoliermaterial für die Verwendung in mit einer nichtoxidierenden Atmosphäre arbeitenden Wärmeöfen auf der Basis einer gasdurchlässigen Filzbahn aus Kohlenstoffasem ist dadurch gekennzeichnet, daß diese Filzbahn mit einer oberflächendichten Graphitbahn zu einem Mehrschichtenmaterial vereinigt ist. welche mit mindestens einer

Oberfläche der Filzbahn aus Kohlenstoffasern mittels eines kohlenstoffhaltigen Bindemittels verbunden ist, und daß die Filzbahn im Mehrschichtenmaterial eine Dichte im Bereich von 0,13 bis 0,29 g/cm³ aufweist.

Das Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemä-Ben mehrschichtigen Isoliermaterials ist dadurch gekennzeichnet, daß man

1) die Oberfläche einer oberflächendichten Graphitbahn und/oder die Oberfläche einer gasdurchlässigen Filzbahn aus Kohlenstoffas;rn mittels eines carbonisierbaren Harzes in einer Menge zwischen 400 und 800 g carbonisierbares Harz je m² der Verbindungsfläche zwischen der Graphitbahn und der Filzbahn, imprägniert und die beiden Materialbahnen an diesen Oberflächen zu einer Verbundstruktür vereinigt;

2) das carbonisierbare Harz einer Härtungsbehandlung unterwirft und während der Aushärtung des carbonisierbaren Harzes auf die Verbundstruktur einen Druck von 5 bis 30 kPa, bezogen auf die Beriihrungs- bzw. Verbindungsflächen zwischen der Graphitbahn und der Filzbahn ausübt;

3) diese Verbundstruktur einer Cr.rbonisierungsbehandlung bei erhöhter Temperatur unterwirft.

In den Zeichnungen stellen die Fig. 1, 3, 5 und 7 jeweils perspektivische Teilansichten verschiedener Ausführungsformen von hohlzylindrischen Verbundstrukturen des mehrschichtigen Isoliermaterials nach der Erfindung dar.

Die F i g. 2, 4, 6 und 8 zeigen jeweils perspektivische Teilansichten verschiedener Ausführungsformen plattenförmiger Verbundstrukturen des mehrschichtigen Isoliermaterials nach der Erfindung. Solche plattenförmigen Strukturen werden als Isoliermaterial in rechtekkigen Wärmeöfen verwendet, wo sie zu rechtwinkligen Säulen oder Kästen zusammengesetzt werden.

Das erfindungsgemäße Isoliermaterial kann dabei jede beliebige Form aufweisen, vorausgesetzt, es weist eine bestimmte äußere Oberfläche sowie Dicke auf. Die F i g. 1 und 2 zeigen Standardausführungen von Isoliermaterialien mit hohlzylindrischer bzw. plattenförmiger Struktur. Bei diesen Ausführungsformen sind die voneinander abgekehrten Seiten einer Filzbahn aus Kohlenstoffasern 2 mit Hilfe eines nicht gesondert dargestellten kohlenstoffhaltigen Bindemittels mit jeweils einer Graphitbahn 1 verbunden.

Als Filzbahn 2 wird vorzugsweise die in der vorstehend genannten japanischen Patentveröffentlichung Nr. 35 930/1975 offenbarte Filzbahn verwendet. Insbesondere eignet sich als Ausgang !material ein Filz mit einer Dichte im Bereich von 0,06 bis 0,10 g/cm³, der mittels einer Kompressionskraft von 10 bis 20 kPa bis zu einem zweifachen Dichtewert zusammendrückbar ist Grundsätzlich sind der Filzdicke keine Grenzen gesetzt, jedoch ist eine Dicke zwischen 5 und 25 mm zweckmäßig.

Je nach Erfordernis ist das Isoliermaterial so beschaffen, daß, wenn man es laminiert, d.h. wenn man mehrere solcher Schichten übereinander anordnet, die Temperatur an der Außenoberfläche des Isoliermaterials unter normalen Betriebsbedingungen nicht über 300° C ansteigt Diese das Ausgangsmaterial bildenden Bahnen können entweder vor dem Beschichten mit den Graphitbahnen 1 wie vorstehend bescnrieben mit einem carbonisierbaren Harz imprägniert werden, oder aber man carbonisiert das Harz vor dem Aufbringen der Graphitbahn und erhält dann eine imprägnierte Filzbahn aus Kohlenstoffasern gemäß der japanischen Patentveröffentlichuiig Nr. 35 390/1975.

Als Graphitbahn 1 kann jedes biegsame Material verwendet werden, welches miteinander verbundene Graphitteilchen enthält und dessen Dichte zwischen 0,6 und 1,6 g/cm³ beträgt.

Eine solche Graphitbahn kann beispielsweise durch Strangpressen und Walzen von Graphitpulver hergestellt werden, das durch Behandeln mit Schwefelsäure gebläht worden ist.

Wie bereits vorstehend erwähnt, wird die Graphitbahn vorzugsweise ohne Bindemittel hergestellt. Wenn nämlich eine Graphitschicht überhaupt kein oder fast kein Bindemittel enthält, so steht etwas Raum, wenn auch wenig, zwischen den einzelnen Graphitteilchen für die Imprägnierung mit der carbonisierbaren Harzflüssigkeit zur Verfügung, und dieser für die Imprägnierung zur Verfügung stehende Raum ist die eigentliche Ursache dafür, warum man die Graphitbahn überhaupt mit dem Filz aus Kohlenstoffasern fest verbinden kann.

Für die Graphitbahn sind die auf dem Markt angebotenen Materialien durchaus geeignet. Eine solche Graphitschicht bzw. -bahn weist geeigneterweise eine Dicke von weniger als 1 mm und vorzugsweise zwischen 0,5 und 0,2 mm auf. Ist die Schicht zu dick, so führt dies zu einer Beeinträchtigung der Biegsamkeit, und die Haftfähigkeit ist bei dem geringen Anteil an carbonisierbarem Harz, welches die Graphitschicht aufnehmen kann, nicht mehr groß genug. Darüber hinaus hat die Dichte der Graphitschicht den 6- bis lOfachen Wert des in Kombination mit dieser zu verwendenden Faserfilzes. Daher empfiehlt es sich nicht, die Graphitschicht zu dick zu wählen, da damit die Wärmeabsorptionsfähigkeit insgesamt als auch die Wärmeleitzahl erheblich zunehmen und die Zeiten zur Herab- und Heraufsetzung der' Ofentemperaturen zu lang werden.

Das carbonisierbare Harz wird als Überzug auf die Außenoberfläche bzw. die zu verbindende Oberfläche der vorstehend beschriebenen Filzbahn aus Kohlenstoffasern und/oder der Graphitbahn aufgebracht und die beiden Bahnen werden miteinander verbunden bzw. verklebt. Als carbonisierbares Harz kann jedes Harz verwendet werden, vorausgesetzt, daß die Carbonisierungsausbeute beim Erhitzen und Carbonisieren in einer inerten Atmosphäre bei Temperaturen bis zu 1000° C mehr als 30 Gewichtsprozent beträgt. Beispiele geeigneter Harze sind warmhärtbare Harze, wie Phenolharze, Epoxidharze und Furanharze. Je nach Erfordernis verwendet man ein solches Harz in einem Lösungsmittel gelöst, wobei ein Gewichtsteil Harz in 0.8 bis 3, vorzugsweise 1,5 bis 3, Gewichtsteilen eines Lösungsmitteis gelöst ist. Die Verwendung eines in einem niedrigen Alkohol, beispielsweise Methanol oder Äthanol, gelösten Phenolharzes vom Resoltyp ist besonders vorteilhaft, da dieses sich gut zur Aufbringung und Imprägnierung eignet und zudem wirtschaftlich ist Die vorgenannten Alkohole können jedoch auch verdünnt mit Wasser und somit in Form verdünnter Flüssigkeiten verwendet werden. Solange der Alkoholgehalt in einer verdünnten Flüssigkeit über 40 Gewichtsprozent beträgt, entstehen hier bei der Beschichtung und Imprägnierung keinerlei Probleme.

Hinsichtlich der Imprägnierung des Filzes aus Kohlenstoffasern und/oder der Graphitbahn(en) mit dem carbonisierbaren Harz empfiehlt es sich, zur Erzielung einer guten Haftung den carbonisierbaren Harzüberzug in Mengen zwischen 400 g und 800 g Harz, ausschließlich des Lösungsmittels, pro m² zu verbinden-

der Fläche aufzutragen. Darüber hinaus sollte die Menge an carbonisierbarem Harz für diesen Verklebevorgang immer so bemessen sein, daß in den Fällen, in denen der Filz aus Kohlenstoffasern mit diesem carbonisierbaren Harz oder dessen Carbonisierungsprodukt als kohlenstoffhaltigem Bindemittel bereits vorher imprägniert worden ist, die Dichte der schließlich erhaltenen Filzbahn e.nen Wert zwischen 0,13 g/cm³ und 0,20 g/cm³ hat.

Dann wird das Harz in dieser nur vorläufigen Verbundstruktur ausgehärtet und damit eine Dauerverbindung erzielt. Die Härtungstemperatur variiert je nach Art des Harzes und beträgt beispielsweise bei Phenolharz vom Resoltyp zwischen 150 und 220°C. Durch Anwendung eines Drucks von 5 bis 30 kPa, :s vorzugsweise von 10 bis 20 kFa, bezogen auf die miteinander zu verklebenden Flächen, auf die Verbundstruktur in dem Augenblick, in dem das Harz hart wird, läßt sich eine ausgezeichnete Haftung zwischen der Graphit- und der Faserfilzbahn erzielen. Dieser Druck gewährleistet ein gutes Aneinanderhaften und entspricht gleichzeitig dem Druck, der erforderlich ist, um den Dichtewert der Faserfilzbahn von zum Beispiel 0,09 g/cm³ auf 0,13 bis 0,20 g/cm³ zu erhöhen.

Die auf diese Weise hergestellte Verbundstruktur wird zum Erhalt eines festen Verbunds in einer inerten Atmosphäre auf eine Temperatur erhitzt, die über der Carbonisierungstemperatur des carbonisierbaren Harzes, beispielsweise über 800°C, liegt, um das Harz zu carbonisieren. Ferner wird die Verbundstruktur zum Erhalt des erfindungsgemäßen laminierten Isoliermaterials gegebenenfalls graphitiert.

In dem erfindungsgemäßen Isoliermaterial müssen die Graphitschicht und der Filz aus Kohlenstoffasern sehr fest miteinander verbunden sein. Andernfalls kann ein wesentliches Ziel der Erfindung nicht verwirklicht werden, nämlich zu verhindern, daß Behandlungsgut in den Filz eindringt. Ferner darf in den Fällen, in denen es auf eine hohe Dichtigkeit der gesamten Aiißenoberfläche des Filzes ankommt, kein Isoliermaterial verwendet werden, in dem kein sicheres Haften der einzelnen Schichten aneinander gewährleistet ist.

In diesem Zusammenhang wurde festgestellt, daß eine genügend huhe Haftfähigkeit bei hohen Temperaturen nur dann erzielt werden kann, wenn man die Graphitschicht mittels eines kohlenstoffhaltigen Bindemittels mit der Oberfläche des Faserfilzes verbindet. Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß auch eine Graphitschicht mit hoher Oberflächendichtigkeit noch mit einer verdünnten Lösung des zu carbonisierenden

Grundlage der vorliegenden Erfindung.

In diesem Zusammenhang sei bemerkt, daß es zwar an sich möglich ist, mittels der vorstehend beschriebenen Methode auch zwei oder mehr Graphitbahnen miteinander zu verbinden, die Berührungsflächen zwischen diesen Bahnen aber fast keine Bindungsstärke aufweisen. Die Bindungsstärke zwischen dem Faserfilz und der Graphitbahn des erfindungsgemäß beanspruchten Isoliermaterials ist hingegen genügend hoch, um eine Trennung der Bahnen voneinander zu verhindern, auch wenn die Verbundstruktur mehr als zehnmal hintereinander in einem Vakuumofen Temperaturschwankungen zwischen HOO⁰C und Zimmertemperatur unterworfen wird. Im Gegensatz dazu lösen sich die Klebeflächen der Graphitbahnen bereits bei einer einzigen Herauf- und Herabsetzung der Temperatur fast völlig voneinander. Dies ist auf die geringe Menge an zu carbonisicrcndem Harz zurückzuführen, mit welcher die Graphitbahnen imprägnierbar sind.

Die Struktur des erfindungsgemäßen Isoliermaterials und das Verfahren zur Herstellung desselben sind vorstehend für die Ausführungsformen gemäß den Fig. 1 und 2 der Erfindung beschrieben worden; das erfindungsgemäß¹ Material kann jedoch auch noch für eine Reihe ander, r Strukturen oder Formen verwendet werden. Beispielsweise kann das erfindungsgemäße Material so ausgebildet sein, daß ein Faserfilz aus Kohlenstoffasern das Ausgangsmaterial bildet und auf seine gesamte Außenoberfläche Graphitschichten bzw. -bahnen aufgebracht werden, und daß mindestens eine Graphitschicht je nach Bedarf nur an einer bestimmten Stelle des Ausgangsmaterials aufgebracht wird. Darüber hinaus läßt sich das erfindungsgemäße Isoliermaterial auch für Sandwichkonstruktionen verwenden, in denen eine oder mehrere Graphitbahnen als Verstärkungsschicht bzw. -schichten zwischen Filzbahnen dienen, wobei solche Sandwichkonstruktionen als Deckenauskleidu:ig in Horizontalofen sowie in lasttragenden Teilen verwendbar sind.

Anhand von F i g. 3 sowie der folgenden Figuren werden nachstehend eine Reihe weiterer erfindungsgemäßer Ausführungsformen beschrieben.

Die in den F i g. 3 und 4 dargestellten isoiiermaterialien liegen entweder in Form von Hohlzylindern oder als Platten vor. Sie sind jeweils Ausführungsformen, in denen eine Graphitschicht 1 als Verstärkungselement in der Mittelschicht der Zylinderwand bzw. in der Mittelschicht der Platte, in Richtung der Dicke des Isoliermaterials gesehen, verwendet wird. In diesem Fall besteht das Isoliermaterial aus mehreren Schichten oder Bahnen, nämlici zwei Faserfilzbahnen 2 und drei Graphitbahnen 1.

Die in den Fig. 5 und 6 gezeigten Isoliermaterialien mit Hohlzylinder- oder Plattenform sind Beispiele für die einfachsten Strukturen des verformten Isoliermaterials nach der Erfindung, in dem nur eine Oberfläche eine bestimmte Dichtigkeit aufweisen muß (nämlich die dem Ofeninneren zugewandte Seite) und somit jeweils mit einer dichtenden Graphitschicht 1 versehen wird, wobei das Isoliermaterial hier jeweils nur aus zwei Schichten besteht, nämlich einer Graphitschicht 1 und einer Faserfilzbahn 2.

Bei den in de.i Fig. 7 und 8 dargestellten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Isoliermaterials in Form von Hoülzylindern oder Platten sind alle Außenoberflächen einer Faserfilzbahn 2 mit Graphitbahnen 1 verbunden, um der gesamten Außenoberfläche des isoliermaterial Dichtigkeit zu verleihen.

Während vorstehend einige Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Isoliermaterials anhand der Fig. 1 bis 8 beschrieben worden sind, ist das erfindungsgemäße Isoliermaterial keineswegs auf diese speziellen Formen beschränkt. Vielmehr kann das erfindungsgemäße Isoliermaterial eine Vielzahl anderer Strukturen und Formen eines mehrschichtigen Verbundmaterials annehmen, welches mindestens eine Graphit- und mindestens eine Filzbahn aus Kohlenstoffasern aufweist, wobei die Graphitbahn und die Faserfilzbahn mittels eines kohlenstoffhaltigen Bindemittels miteinander verbunden sind

Ferner besteht nach den vorstehenden Ausführungsformen der Filz 2 aus einer einzigen Schicht, jedoch kann dieser auch laminiert sein und aus einer Vielzahl zu einer Einheit zusammengefaßter Filzbahnen aus Kohlenstoffasern bestehen, wie bereits vorstehend beschrie-

ben worden ist. Wie ohne weiteres ersich'lich ist, erweist sich hier das vorstehend beschriebene carbonisierbare Harz beim Verbinden dieser Filzschii hten miteinander als äußerst wirksam. Wie ebenfalls vorstehend beschrieben worden ist, kann das erfindungsgemäße Isoliermaterial auch in der Weise hergestellt werden, daß seine gesamte Außenoberfläche durch Aufbringen einer Graphitschicht auch auf alle Kanten und Ecken oberflächendicht gemacht wird.

Das auf diese Weise hergestellte erfindungsgemäße Isoliermaterial wird in dem jeweiligen Wärmeofen dergestalt angeordnet, daß seine mit der Graphitschicht versehene Oberfläche die Innenwand des Ofens, d.h. diejenige Fläche bildet, welche dem in dem Ofen zu erhitzenden Behandlungsgut zugekehrt ist. Beispielsweise wird ein erfindun^s^emäßes isoliermaterial in Form eines Hohlzylinders gemäß den Fig. 1,3,5 oder 7 so wie es ist in einen röhrenförmigen Wärmeofen verbracht, wo es gegebenenfalls mit einer isolierenden Abdeckung in Form einer erfindungsgemäßen Platte oder einer entsprechenden Bodenisolierung kombiniert werden kann. Das plattenförmige Isoliermaterial gemäß den F i g. 22, 4, 6 oder 8 kann, abgesehen von der Verwendung als Abdeckung und dergleichen, auch in einer Kombination aus mehreren Platten so angeordnet werden, daß es die Innenwände eines kastenförmigen Wärmeofens bildet. In jedem Falie sind in dem Isoliermaterial alle erforderlichen Gasein- und -auslaßöffnungen, eine Öffnung zum Beschicken des Ofens mit dem Behandlungsgut sowie öffnungt η für den Einbau ^o der Heizquellen und dergleichen vorgesehen. Obwohl sich das erfindungsgemäße Isoliermaterial ganz allgemein für die Verwendung in nicht oxidierenden Atmosphären eignet, beispielsweise einem Vakuum, einem inerten Gas oder einem schwach reduzierend wirkenden Gas, wo die Gefahr einer Verbrennung während des Erhitzens nicht besteht, so ist seine Verwendung in einem Vakuumofen besonders vorteilhaft. Die Gründe hierfür sind folgende:

In einem Verfahren, in dem ein inertes Gas verwendet wird, kann keine hohe Qualität der wärmebehandelten Produkte erreicht werden, es sei denn, es wird ein inertes Gas verwendet, welches vorher auf einen sehr hohen Reinheitsgrad gebracht worden ist. Auch bestehen bei der Wiederverwendung eines bereits einmal benützten inerten Gases technische und wirtschaftliche Schwierigkeiten. Dagegen entspricht eine Behandlung unter vermindertem Druck einer Behandlung in einer Atmosphäre mit sehr hohem Reinheitsgrad. Darüber hinaus bietet sich hier aufgrund der Gaskonvektion und des geringen Stromverbrauchs der Vorteil geringer Schwankungen der Ofentemperatur. Ferner hat sich durch die zunehmenden Fortschritte in der Vakuumtechnologie und die damit einhergehende relative Leichtigkeit, mit der bestimmte gewünschte Vakua hergestellt werden können, die Verwendung eines Vakuumofens auch vom wirtschaftlichen Standpunkt her als vorteilhafter erwiesen als die Verwendung eines mit einem inerten Gas arbeitenden Ofens.

Zum besseren Verständnis der Art und Nützlichkeit der Erfindung wird im folgenden ein Beispiel für die Herstellung des erfindungsgemäßen Isoliermaterials sowie entsprechende Tests gegeben. Dieses Beispiel und die im Zusammenhang mit diesem erwähnten Einzelheiten sollen jedoch nur illustrativen Charakter haben und den Erfindungsumfang auf keinen Fall einschränken.

Beispiel

Zur Herstellung eines Filzes bzw. einer Filzbahn mit einer Dichte von 0,09 g/cm³ und einem Gewicht pro Flächeneinheit von 1000 g/cm² (meßbare Dicke 12 mm) wurden Carbonfasern mit einem durchschnittlichen *o Durchmesser von 12,5 μ genadelt. Dieser Filz wurde dann mit einer Imprägnieri'lüssigkeit durchtränkt, welche durch Auflösen eines P! enolharzes vom Resoltyp in einer entsprechenden Menge Äthanol erhalten worden war, wobei der Imprägnierungsgrad 300 g Harz pro Kilogramm Filz betrug. Der auf diese Weise imprägnierte Filz wurde anschließend zu einem Hohlzylinder mit 5 Laminierschichten gemäß F i g. 1 verformt.

Eine biegsame Graphitbahn mit einer Dicke von 0,5 mm wurde gleichfalls mit der vorstehend genannten Phenolharzlösung vom Resoltyp in einer Menge von 600 g Harz pro Quadratmeter Adhäsionsfläche überzogen. Die auf diese Weise beschichtete Graphitbahn wurde dann mit der inneren und äußeren Oberfläche der hohlzylindrischen Filzstruktur gemäß F i g. 1 in haftende Berührung gebracht Das Harz wurce zur Herstellung einer hohlzylindrischen Struktur mit einer Wanddicke von 30 mm erhitzt und gleichzeitig einem Druck von 15 kPa unterworfen. Diese Hohlzylinderstruktur wurde sodann zum Zwecke der Carbonisierung weiter auf 2000° C erhitzt, um auf diese Weise einen Hohlzylinder aus Isoliermaterial mit einer Dichte der Filzschicht von 0,15 g/cm³ herzustellen.

Bei der Erprobung dieses hohlzylindrischen Isoliermaterials in einem Vakuumofen zum Schmelzen von Quarz, bei der dieses Material 30mal auf 1400° C erhitzt und anschließend auf Zimmertemperatur abgekühlt wurde, zeigte sich keinerlei Abnormalität, was beweist, daß dieses Isoliermaterial für extreme Beanspruchungen geeignet ist. Ähnliche Ergebnisse wurden erzielt., wenn man das vorstehend beschriebene Verfahren mit einem flüssigen Gemisch aus 35 Gewichtsteilen Phenolharz vom Resoltyp und 100 Gewichisteilen Äthanol anstelle der vorstehend beschriebenen Lösung aus gleichen Gewichtsteilen Phenolharz vom Resoltyp und Äthanol durchführte.

Zum Vergleich wurde ein Hohlzylinder-Isoliermaterial, welches in analoger Weise wie verstehend beschrieben hergestellt wurde, nur daß hier kein Graphitüberzug vorgesehen wurde, dem gleichen Test unterworfen. Nach dreimaligem Erwärmen auf 1400° C und Abkühlen auf Zimmertemperatur wurde an der Außenwand des Ofens ein ungewöhnlich hoher Temperaturwert beobachtet, und nach dem fünften Mal ergaben sich abnormale Isoliereigenschaften, die so unmöglich machten, bei einer Ofentemperatur von 1400° C die Temperatur an der Außenwand unterhalb 300° C zu halten.

Ferner wurde ein hohlzylindrisches Isoliermaterial, wie vorstehend beschrieben, aus einem Filz aus lenstoffasern von 30 mm Dicke hergestellt; die Graphitbahn wurde jedoch nicht fest mit der Innenoberfläche des Isoliermaterials verbunden, sondern nur an diese angelegt und mechanisch befestigt Dieses Isoliermaterial wurde ebenfalls getestet und es zeigte sich, daß sich die Graphitbahn bereits nach einem einzigen Erhitzen verformte. Beim zweiten Erhitzen wurde die Deformierung so stark, daß es unmöglich war, noch ungeschmolzenes Rohmaterial in den Tiegel

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einzuspeisen; vielmehr mußte die Graphitbahn entfernt werden.

Diese Testergebnisse sowie die Ergebnisse aus den Vergieichstests sind ein Beweis für tue hohe Qualität des mehrschichtigen Isoliermaterials nach der Erfindung, in dem Fiizbahnen aus Kohlenstoffasern und Graphitbahnen in der vorstehend beschriebenen Art und Weise miteinander kombiniert werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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20

35 40

55 60 65

Claims

Patentansprüche:

1. Wärmeisoliermaterial für die Verwendung in mit einer nichtoxidierenden Atmosphäre arbeitenden Wärmeöfen auf der Basis einer gasdurchlässigen Filzbahn aus Kohlenstoffasern, dadurch gekennzeichnet, daß diese Filzbahn mit einer oberflächendichten Graphitbahn zu einem Mehrschichtenmaterial vereinigt ist, welche mit mindestens einer Oberfläche der Filzbahn aus Kohlenstofffasern mittels eines kohlenstoffhaltigen Bindemittels verbunden ist, und daß die Filzbahn im Mehrschichtenmaterial eine Dichte im Bereich von 0,13 bis 0,20 g/cm³ aufweist

2. Wärmeisoliermaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Graphitbahn nicht mehr als 1 mm beträgt.

3. Wärmeisoliermaterial nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Filzbahnen aus Kohlenstoffasern übereinander angeordnet sind, daß dazwischen eine Graphitbahn vorgesehen ist, welche mit den jeweils benachbarten Filzbahnen verbunden ist, und daß eine weitere Graphitbahn mit mindestens einer Außenoberfläche derjenigen Filzbahnen verbunden ist, welche die äußersten Bahnen der gesamten Verbundstruktur darstellen.

4. Wärmeisoliermaterial nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es durchgehend als Zylinder ausgebildet ist.

5. Wärmeisoliermaterial nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es pattenförmig ausgebildet ist.

6. Wärmeisoliermaterial nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Graphitbahn mit einer Dichte zwischen 0,6 und 1,6 g/cm³ enthält, welche biegsam ist und aus miteinander verbundenen Graphitteilchen besteht.

7. Verfahren zur Herstellung eines Wärmeisoliermaterials nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man

1) die Oberfläche einer oberflächendichten Graphitbahn und/oder die Oberfläche einer gasdurchlässigen Filzbahn aus Kohlenstoffasern mittels eines carbonisierbaren Harzes in einer Menge zwischen 400 und 800 g carbonisierbarcs Harz je m² der Verbindungsfläche zwischen der Graphitbahn und der Filzbahn, imprägniert und die beiden Materialbahnen an diesen Oberflächen zu einer Verbundstruktur vereinigt;

2) das carbonisierbare Harz einer Härtungsbehandiung unterwirft und während der Aushärtung des carbonisierbaren Harzes auf die Verbundstruktur einen Druck von 5 bis 30 kPa, bezogen auf die Berührungs- bzw. Verbindungsflächen zwischen der Graphitbahn und der Filzbahn ausübt;

3) diese Verbundstruktur einer Carbonisierungsbehandlung bei erhöhter Temperatur unterwirft.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß man als carbonisierbares Harz ein warmhärtbares Harz, insbesondere ein Phenolharz, Epoxidharz oder Furanharz, verwendet und die Imprägnierung mittels Harzlösungen durchführt, welche 0,8 bis 3 Gewichtsteile Lösungsmittel auf je 1 Gewichtsteil warmhärtbares Harz enthalten.

9. Verfall! en nach Anspruch 8. dadurch gekennzeichnet, daß die Imprägnierflüs^igkciicn Phenolharze vom Resoltyp in niedrigen Alkoholen gelöst enthalten.

10. Verfahren nach Anspruch 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß man die gasdurchlässige Filzbahn aus Kohlenstoffasern vor der Verfahrensstufe (1) mit dem carbonisierbaren Harz imprägniert