DE3782691T2

DE3782691T2 - Waermeisolierung aus niedergeschlagenen silikaten und flugasche.

Info

Publication number: DE3782691T2
Application number: DE8787110355T
Authority: DE
Inventors: Robert William Barito; Kenneth Louis Downs
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1986-07-31
Filing date: 1987-07-17
Publication date: 1993-05-27
Anticipated expiration: 2007-07-18
Also published as: EP0254993A3; KR880002198A; DE3782691D1; ES2035834T3; JP2553564B2; JPS6340779A; CN1021337C; KR960016072B1; EP0254993A2; CN87104543A; US4681788A; EP0254993B1

Description

Der Entwurf und die Entwicklung von Wärmeisolationsmaterialien ist ein umfassendes Gebiet. Es wurden viele Systeme entwickelt, die als die Hauptisolationsmaterialien, verschiedene faserige und pulverförmige Produkte benutzen. Es gibt auch eine Vielfalt von Wegen, um diese Materialien einzusetzen, einschließlich der Verwendung evakuierter Hüllen und Beutel, Kompression der Isolationsmaterialien und variierende Orientierungen der Isolationsmaterialien.
Zwei der am weitesten benutzten Wärmeisolationsmaterialien sind Fiberglas und Polyurethanschaum. Es ist allgemein akzeptiert, daß die Wärmeisolationsfähigkeit von Fiberglas geringer ist als die von Polyurethanschaum. Ein Vorteil von Fiberglas ist es jedoch, daß es als eine Wärmeisolation in Umgebungen eingesetzt werden kann, die relativ hohe Temperaturen einschließen, d. h. oberhalb von 66ºC (150ºF). Während Polyurethanschaum andererseits die besseren Wärmeisolationseigenschaften hat als Fiberglas, wird er als ein Isolator jedoch beeinträchtigt, wenn man ihn Temperaturen oberhalb von 66ºC (150ºF) aussetzt. Diese Materialien haben daher sowohl Vorteile als auch Nachteile.
Die EP-A-0 190 582 beschreibt den Einsatz von gefälltem Siliziumdioxid als einem Isolator, um gute isolierende Eigenschaften bei relativ geringen Kosten zu erzielen. Das gefällte Siliziumdioxid wird gemäß der genannten Anmeldung bei einer Temperatur getrocknet, die ausreicht, das Oberflächenwasser zu entfernen, dann wird es zusammengepreßt, in einen gas- und wasserdichten Umschlag gefüllt, der evakuiert wird, woraufhin man den gas- und wasserdichten Beutel abdichtet.
Während die mit gefälltem Siliziumdioxid gebildete Isolation, wie sie gerade beschrieben wurde, durchaus angemessen ist, wäre es doch außerordentlich erwünscht, die gleichen Eigenschaften zu geringeren Kosten zu erhalten. Durch diese Erfindung wird ein Material geschaffen, das dieses erwünschte Ergebnis erzielt und das gleichzeitig bessere Wärmeisolationseigenschaften aufweist als Fiberglas und erhöhten Temperaturen widerstehen kann, die Polyurethanschaum beeinträchtigen würden.
Die US-A-4 430 108 lehrt einen Schaumglaskörper, der aus Diatomeenerde, Flugasche oder deren Mischungen gebildet ist, imprägniert unter Verwendung einer wässerigen Imprägnierungslösung, die mindestens einen wasserlöslichen Glasbildner, mindestens ein wasserlösliches Flußmittel, mindestens einen wasserlöslichen Gaserzeuger und Wasser enthält. Die Mischung wird zur Bildung des fertigen Schaumglaskörpers geglüht. Der fertige Körper ist kein Preßling aus zusammengepreßtem Pulver.
Die US-A-4 399 175 offenbart einen wärmeisolierenden Körper, der hergestellt ist aus einem Siliziumdioxid-Aerogel, das zur Bildung eines Körpers gepreßt ist.
Die DE-B-1 176 046 beschreibt ein Wärmeisolationsmaterial, umfassend eine Pulvermischung von Teilchen eines Materials, das eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit hat und von Teilchen, die zumindest an ihrer Oberfläche Wärmestrahlungen stark zu reflektieren vermögen.
Die CA-A-1 140 846 beschreibt Mischungen von Kohleflugasche mit zementartigen Verbindungen.
EP-A-0 164 006 beschreibt Isolationsplatten, hergestellt aus einem gepreßten, mikroporösen isolierenden Material innerhalb einer evakuierten Umhüllung.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde unerwarteterweise festgestellt, daß durch Kombinieren von gefälltem Siliziumdioxid, wie es in der EP-A-0 190 582 beschrieben ist, mit Flugasche und flugascheartigen Materialien in Form von Pulvern isolierende Materialien mit Wärmeisolationseigenschaften, äquivalent denen von gefälltem Siliziumdioxid allein, zu beträchtlich geringeren Kosten gebildet werden können. In der Beschreibung und den Ansprüchen wird eine solche Flugasche oder werden solche flugascheartigen Materialien kollektiv und separat als "Flugasche" oder "Flugaschematerialien" bezeichnet. In Anbetracht der Tatsache, daß diese Flugaschematerialien im wesentlichen Abfallprodukte sind und häufig keinen bekannten Nutzen haben, ist eine solche Entwicklung besonders bedeutsam. Darüber hinaus hat das nach der vorliegenden Erfindung hergestellte Material gewisse Vorteile gegenüber konventionellen Wärmeisolationsmaterialien.
Bei der Wärmeisolation für Kühleinrichtungen, wie sie in den Wandungen von Kühlapparaten bzw. Kühlschränken und Eismaschinen bzw. Gefriervorrichtungen benutzt werden, hat eine erwünschte Isolation einen K-Faktor von 7,2·10&supmin;³ W/mK (0,05 BTU-IN/HR. FT²ºF) oder weniger. Je kleiner der K-Faktor, um so besser ist offensichtlich die Isolation. Durch Anwenden von Mischungen aus gefälltem Siliziumdioxid zusammen mit den Flugaschematerialien, die zwischen 30 und 70 Gew.-% des Flugaschematerials enthalten, wurden solche K-Faktoren erhalten. Vorzugsweise liegt das Verhältnis des gefällten Siliziumdioxids zu den Flugaschematerialien auf einer Gewichtsbasis im Bereich von 60:40 bis 40:60.
Das gefällte Siliziumdioxid und die Flugasche werden gründlich miteinander vermischt. Dann werden sie erhitzt, um Oberflächenwasser abzutreiben. Es erweist sich häufig als vorteilhaft, die Mischung aus Siliziumdioxid und Flugasche während dieses Erhitzens in einen mikroporösen Beutel zu füllen, der während der Behandlung lediglich einen Behälter bildet.
Nach dem Trocknen der Mischung aus gefälltem Siliziumdioxid und Flugasche wird sie in eine Umhüllung gefüllt, deren Konstruktion das Austreten und/oder Eindringen von Gas verhindern soll. In der bevorzugten Ausführungsform wird die Umhüllung dann evakuiert und abgedichtet. Wurde die Mischung aus gefälltem Siliziumdioxid und Flugasche in einem mikroporösen Beutel getrocknet, dann kann man diesen mikroporösen Beutel direkt in der eine Gassperre bildenden Umhüllung anordnen. Entweder vor oder während der Evakuierung der Umhüllung wird die Mischung aus gefälltem Siliziumdioxid und Flugasche zusammengepreßt, um eine erwünschte Dichte zu schaffen, die eine hervorragende Isolation mit einer genügend dünnen Konstruktion und bei geringen Kosten erlaubt. Nach dem Zusammenpressen und Evakuieren haben die eine Gassperre bildenden Umhüllungen, die die zusammengepreßte Mischung aus gefälltem Siliziumdioxid und Flugasche enthalten, im wesentlichen eine brettartige Form, so daß sie leicht in der Struktur angeordnet werden können, wo eine Isolation geschaffen werden soll. Unter diesen Umständen können die Platten allein benutzt werden oder man kann sie mittels eines Klebstoffes an einer Oberfläche befestigen, an der eine Wärmeisolation erwünscht ist. Wenn erwünscht, kann eine an Ort und Stelle geschäumte Isolation, wie Polyurethanschaum, dem Isolationsraum hinzugefügt werden, um die aus der Mischung aus gefälltem Siliziumdioxid und Flugasche gebildeten Platten zu umgeben und einzubetten. Ein Verfahren, das angewendet wurde, besteht in der Befestigung der Platten an den Wänden des Isolationsraumes mittels Schaumabstandshalterblöcken, die zu einer vollständigen Einkapselung der Platten durch an Ort und Stelle geschäumte Isolation führen.
In der beigefügten Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine grafische Darstellung des K-Faktors in Abhängigkeit vom Prozentsatz einer Art von Flugasche, die zusammen mit gefälltem Siliziumdioxid als eine Isolation eingesetzt wurde;
Fig. 2 eine grafische Darstellung des K-Faktors in Abhängigkeit vom Prozentsatz einer zweiten Art von Flugasche, die zusammen mit gefälltem Siliziumdioxid als eine Isolation eingesetzt wurde;
Fig. 3 eine grafische Darstellung des K-Faktors in Abhängigkeit vom Prozentsatz einer dritten Art von Flugasche, die zusammen mit gefälltem Siliziumdioxid als eine Isolation eingesetzt wurde;
Fig. 4 eine Teilquerschnittsansicht, die die Montage einer gemäß der vorliegenden Erfindung gebildeten Isolationsplatte innerhalb des Isolationsraumes einer Kühlvorrichtung zeigt und
Fig. 5 eine Ansicht ähnlich der nach Fig. 4 mit zusätzlicher Isolation um die Isolationsplatte herum.
Das Isolationsmaterial der vorliegenden Erfindung wird hergestellt durch gründliches Vermischen von gefälltem Siliziumdioxid und Flugaschematerial, wobei die Mischung mindestens 30 Gewichtsteile des gefällten Siliziumdioxids aufweist. Vorzugsweise liegt das Verhältnis von gefälltem Siliziumdioxid und Flugasche, bezogen auf das Gewicht, im Bereich von 60:40 bis 40:60.
Die Flugaschenmaterialien dieser Erfindung sind der feine Pulverrest, der aus den Rauchgasen von kohlebeheizten Energieerzeugungsanlagen gesammelt wird und eine mittlere Teilchengröße von weniger als 100 um, vorzugsweise weniger als 50 um aufweist. In Abhängigkeit von der Zufuhr zur Verbrennungskammer, der Kohlequelle, den Betriebsbedingungen der Anlage und dem angewendeten Sammelverfahren variieren die Flugaschematerialien hinsichtlich ihrer chemischen und physikalischen Eigenschaften. Vorzugsweise hat die Flugasche ein kombinierte Gesamtmenge von Siliziumdioxid, Aluminiumoxid und Eisen(III)oxid von mindestens 40% sowie weniger als 10% Magnesiumoxid. Am bevorzugtesten ist die kombinierte Gesamtmenge von Siliziumdioxid, Aluminiumoxid und Eisen(III)oxid größer als 80%, und der Gesamtgehalt an Magnesiumoxid ist geringer als 5%.
Wegen der Variationen in der Zusammensetzung, die in Flugaschematerialien vorkommen, wurden in Beispielen der vorliegenden Erfindung verschiedene Materialien aus unterschiedlichen Quellen benutzt. Die hierin enthaltenen Beispiele zeigen, daß Flugaschematerialien einer Zusammensetzung im Bereich von solchen, die aus wirksamen kohlebeheizten Anlagen erhalten werden bis zu Asche des atmosphärischen Fließbett-Verbrennungsverfahrens, das eine Mischzufuhr aus Kohle und Kalkstein benutzt, alle in der vorliegenden Erfindung brauchbar sind.
Die Flugaschen sind der feine Rest, der sich aus der Verbrennung gemahlener oder pulverisierter Kohle ergibt, die aufgrund ihres fein zerteilten Zustandes durch die Abgase aus der Verbrennungskammer in Abscheider getragen werden. Die Flugaschen werden im allgemeinen aus den Verbrennungsgasen von kohlebeheizten Energieanlagen entweder durch elektrostatische oder mechanische Abscheider gesammelt. Sie bestehen hauptsächlich aus den Oxiden von Silizium, Aluminium und Eisen mit variierenden Mengen nicht verbrannten Kohlenstoffes. Andere Spurenelemente, wie Kalium, Phosphor, Kobalt, Molybdän, Bor und Mangan, können auch vorhanden sein. Die nicht brennbaren anorganischen Teilchen der Flugasche haben üblicherweise eine kugelförmige Gestalt, und sie variieren hinsichtlich der Größe und Dichte, obwohl die meisten fest sind und Eisenbestandteile enthalten. Die Farbe der Flugaschen variiert von einem hellen gelbbraun bis braun und von grau bis schwarz. Es gibt in Abhängigkeit von der Energieanlage, aus der die Flugasche erhalten wurde und den benutzten Energieerzeugungseinheiten Variationen hinsichtlich der chemischen und physikalischen Eigenschaften der Flugasche. Flugaschen, die die oben angegebenen Standards erfüllen, haben sich jedoch als gemäß der vorliegenden Erfindung brauchbar erwiesen.
Die Teilchengestalten und -größen der Flugasche unterscheiden sich ebenfalls in Abhängigkeit von der Energieanlage und der Erzeugungseinheit, obwohl sie allgemein aus festen und hohlen Teilchen kugeliger Gestalt bestehen. Die Teilchen sind siliziumdioxid- und aluminiumoxidhaltig, und sie schließen etwas Quarz, kleine nadelförmige Fragmente von Mullit, winzige Mengen von Hämatit oder Magnetit und variierende Mengen von Kohlenstoff ein. Die mittleren Teilchengrößen der Flugasche hängen hauptsächlich von dem Sammelsystem und der Wirksamkeit des Anlagenbetriebes ab. Es wurde festgestellt, daß Flugasche, die eine mittlere, Teilchengröße von 100 um oder weniger und vorzugsweise unter 50 um hat, bei Einsatz gemäß dem hier beschriebenen Verfahren die erwünschte geringe Wärmeleitfähigkeit ergibt.
Der Anteil der hohlen zu den festen Kugeln in der Flugasche variiert ebenfalls in Abhängigkeit vom angewendeten Sammelsystem, der Kohlequelle, den Betriebsbedingungen der Anlage und der Verbrennungstemperatur. Die hohlen Teilchen werden Cenokügelchen (cenospheres) genannt, und sie sind Teilchen geringen Gewichtes, zusammengesetzt aus Silikatkügelchen, gefüllt mit Stickstoff und Kohlendioxid, die hinsichtlich der Größe von 20 bis 200 um Durchmesser variieren. Die Cenokügelchen können bis zu 5 Gew.-% oder 20 Volumen-% der Flugasche ausmachen. Der höhere Gehalt ergibt sich üblicherweise aus Kohle, die einen hohen Fe&sub2;O&sub3;-Gehalt aufweist und Schmelztemperaturen von mehr als 1400ºC (2600ºF) hat.
Um die Kombination aus gefälltem Siliziumdioxid und Flugasche gemäß der vorliegenden Erfindung anzuwenden, werden die beiden Materialien zuerst gründlich vermengt. Die Mischung wird dann in einem im wesentlichen luft- und wasserdichten Beutel angeordnet, wo sie Druck und Vakuum ausgesetzt wird, um ein Material plattenartiger Konsistenz zu bilden. Dieses Material hat im allgemeinen eine Dicke von 1,27 bis 2,54 cm (1/2 bis 1 Zoll) und ist flach. Die Länge und Breite der Platte, die sich aus der Behandlung ergibt, ist nur durch die Größe des Stückes der Ausrüstung begrenzt, wie eines Gefriergerätes oder Kühlschrankes, in den sie eingeführt werden soll.
Werden die Isolationsmaterialien der vorliegenden Erfindung in der gerade beschriebenen Weise gebildet, dann haben die Platten K-Werte von etwa 7,2·10&supmin;³ W/m.K (0,05 BTU-IN/HR.FT²ºF) und noch weniger. Es wurde vorher festgestellt, daß K-Werte in diesem Bereich für die Herstellung von Kühlschränken und Gefriervorrichtungen erwünscht sind.
Zur Bildung der isolierenden Platten der vorliegenden Erfindung wird die Mischung aus Siliziumdioxid und Flugasche zuerst getrocknet. Wenn erwünscht, kann die Mischung aus Siliziumdioxid und Flugasche in einen mikroporösen Beutel gefüllt werden, wobei der Beutel nur als ein Hilfsmittel zum Halten des pulverförmigen Siliziumdioxids und der pulverförmigen Flugasche während des Trocknens dient. Wenn es erwünscht ist, ein solches mikroporöses Material zu benutzen, dann gehört zu den Materialien, die eingesetzt werden können, ein von Celanese unter der Bezeichnung "Celgard®" vertriebenes Polypropylen. Zusätzlich können die als Filterpapier benutzten Papierarten verwendet werden. Im allgemeinen kann irgendein Material benutzt werden, das den Durchgang von Luft und Feuchtigkeit gestattet, das fein zerteilte Siliziumdioxid und die fein zerteilte Flugasche jedoch zusammenhält.
Beim Trocknen, mit oder ohne Benutzung des mikroporösen Beutels, sollte die Temperatur genügen, das Oberflächenwasser abzutreiben. Im allgemeinen bedeutet dies bei Benutzung eines mikroporösen Beutels eine Temperatur von etwa 100ºC, wobei die obere Grenze eine solche ist, bei der das mikroporöse Material weder verkohlt noch schmilzt oder abgebaut wird.
Nach dem Trocknen wird die getrocknete Mischung aus Siliziumdioxid und Flugasche zur Bildung eines Kuchens gepreßt, der eine Dichte im Bereich von 0,16 bis 0,56 g/cm³ (10 bis 35 US-Pfund pro Kubikfuß), vorzugsweise von 0,16 bis 0,40 g/cm³ (10 bis 25 US-Pfund pro Kubikfuß) aufweist. Die gemäß der vorliegenden Erfindung benutzten Materialien mit solchen Dichten ergeben den erwünschten K-Faktor von 7,2·10&supmin;³ W/m.K (0,05 BTU-IN/HR.FT²ºF) oder weniger. Die getrocknete Mischung aus Siliziumdioxid und Flugasche wird in einem weiteren, eine Gassperre bildenden Beutel angeordnet, wobei dieser Beutel in einer solchen Weise ausgebildet ist, daß er einen Austritt von Gas verhindert. Wurde die Mischung aus Siliziumdioxid und Flugasche in einem mikroporösen Beutel getrocknet, dann wird der mokroporöse Beutel lediglich in die eine Gassperre bildende Umhüllung überführt. Im allgemeinen wird der Gasdurchgang in der Umhüllung durch die Verwendung eines Sperrfilmes verhindert, der aus einer oder mehreren Schichten polymerer, metallisierter polymerer oder Metallfolie besteht. So wurde zum Beispiel eine Umhüllungsart als brauchbar gemäß der vorliegenden Erfindung festgestellt, die aus 5 Schichten eines Polymers gebildet ist, einschließlich 4 Polyesterschichten, die auf 5 Oberflächen metallisiert sind, um eine Gassperre zu bilden und einer polymeren, durch Hitze abdichtbaren inneren Schicht.
Die Gesamtdicke der Umhüllung sollte gering genug sein, damit wenig Wärmeleitung durch die Kanten erfolgt. Im allgemeinen sollte die Gesamtdicke im Bereich von etwa 0,076 bis etwa 0,51 mm (0,003 bis 0,020 Zoll) liegen. Während die dünneren Materialien eine genügende Festigkeit bieten, um die Mischung aus Siliziumdioxid und Flugasche zu halten und die erforderliche weitere Verarbeitung gestatten, kann die Lebenserwartung der Vorrichtung, in die sie eingebracht werden, verringert sein. Lebenserwartungen von 5 Jahren und mehr können jedoch selbst bei einer Umhüllungsdicke von 0,076 mm (0,003 Zoll) erwartet werden.
Nach dem Anordnen des getrockneten Siliziumdioxids und der getrockneten Flugasche in der eine Gassperre bildenden Umhüllung, wird die Umhüllung evakuiert und auf irgendeine geeignete Weise abgedichtet, zum Beispiel durch Hitzeversiegeln oder Klebeverbinden. Vorzugsweise ist ein Innendruck unterhalb von 1,33 kPa (10 mmHg) erwünscht, obwohl in Abhängigkeit von dem Füllstoffmaterial ein etwas höherer Druck, zum Beispiel im Bereich von 2 kPa (15 mm) toleriert werden kann. Das erforderliche Vakuum beruht auf dem K-Faktor, der, wie angegeben, nicht größer als 7,2·10&supmin;³ W/m.K (0,05) sein sollte. Wenn erwünscht, kann vor dem Evakuieren ein inertes Gas, wie Kohlendioxid oder Stickstoff, dazu benutzt werden, die Luft aus der Umhüllung zu spülen.
Wenn erwünscht, kann eine an Ort und Stelle geschäumte Isolation, wie Polyurethanschaum, zu dem Isolationsraum hinzugegeben werden, um die aus der Mischung aus gefälltem Siliziumdioxid und Flugasche gebildeten Platten zu umgeben und einzubetten. Ein Verfahren, das bei der Befestigung der Platten an den Wandungen des Isolationsraumes angewendet worden ist, benutzt Schaumabstandshalterblöcke, die zu einer vollständigen Einkapselung der Platten durch die an Ort und Stelle geschäumte Isolation führen. Die Isolatorblöcke können an den Wandungen und Platten mittels Klebstoff befestigt werden. Befinden sich die Platten an Ort und Stelle, wird die Isolation innerhalb der Isolationskammer ausgebildet, um die Kammer im wesentlichen vollständig zu füllen und dadurch die Platten einzukapseln.
Es folgen Beispiele der Ausführung der vorliegenden Erfindung. Sie sollten nur als beispielhaft angesehen werden, nicht aber zur Begrenzung des vollen Umfanges der vorliegenden Erfindung benutzt werden.

BEISPIEL 1

Eine Wärmeisolationsplatte wurde aus verschiedenen Mischungen von Flugasche und gefälltem Siliziumdioxid, das von PPG unter der Bezeichnung T-690 vertrieben wird, hergestellt. Dieses gefällte Siliziumdioxid T-690 hatte eine Oberfläche von 150 m²/g nach dem BET-Verfahren, eine mittlere Agglomeratgröße von 1,3 um, eine Klopfdichte (tapped density) von 0,064 g/cm³ (4 lbs/ft³), einen pH von 7 und eine DBP-Absorption von 150. Dieses gefällte Siliziumoxid wurde gründlich mit einer Flugasche vermengt, die erhalten wurde vom Kentucky Center for Energy Research Laboratory und mit PFA I bezeichnet wurde.
Die PFA I zeigt die in der folgenden Tabelle 1 aufgeführte Analyse:

Tabelle 1

Eigenschaft Gewichtsprozent
Feuchtigkeit 0,10
Asche 98,43
Flüchtiges Material 1,00
Fixierter Kohlenstoff 0,50
Brennverlust 2,50
Die mittlere Teilchengröße der Flugasche betrug 21,76 um bei einer maximalen Teilchengröße von 176 um.
Die Hauptbestandteile in der Asche waren die in Tabelle 2 aufgeführten.

Tabelle 2

Komponente Gewichtsprozent
SiO&sub2; 51,50
TiO&sub2; 2,23
Al&sub2;O&sub3; 27,01
Fe&sub2;O&sub3; 3,98
CaO 1,43
MgO 0,78
K&sub2;O 2,62
Na&sub2;O < 0,1
Nach dem gründlichen Vermengen des gefällten Siliziumdioxids und der Flugasche mit der Bezeichnung PFA I und in variierenden Prozentsätzen, wie im folgenden aufgeführt, wurde jede Mischung in einen mikroporösen Beutel gefüllt. Der mikroporöse Beutel bestand aus einem Material, das unter der Bezeichnung "Celgard®" vertrieben wurde. Nach der Anordnung der Mischung in der mikroporösen Umhüllung wurde die vierte Seite der Umhüllung durch Erhitzen abgedichtet und die Platte in einen Ofen gelegt und 16 Stunden lang bei 105ºC gehalten. Die getrocknete Mischung in dem mikroporösen Beutel wurde zur erwünschten Dichte gepreßt und dann in einer metallisierten Kunststoffumhüllung angeordnet. Die Umhüllung hatte die gleiche Konstruktion, wie sie oben für eine, eine Gassperre bildende Umhüllung beschrieben wurde, wobei die Dicke des Umhüllungsmaterials 0,1 mm (0,004 Zoll) betrug. Nach der Anordnung des mikroporösen Beutels in der metallisierten Kunststoffumhüllung wurde die Umhüllung bis zu einem Druck von 0,27 kPa (2 Torr) evakuiert und abgedichtet.
Es wurde eine Reihe von Mischungen aus dem gefällten Siliziumdioxid und der PFA I Flugasche nach dem beschriebenen Verfahren hergestellt, wobei die in Tabelle 3 aufgeführten Ergebnisse erhalten wurden. Tabelle 3 Gewichtsverhältnis des gefällten Siliziumdioxids/PFA I Dichte K-Faktor 10&supmin;³ W/m·K (BTU-IN/HR FT²ºF)
Es ist somit festzustellen, daß alle Isolierplatten, die mit diesen Mischungen aus gefälltem Siliziumdioxid und Flugasche hergestellt waren, einen K-Faktor mit einem akzeptablen Wert, d. h. weniger als 7,2 · 10&supmin;³ W/m.K (0,05) aufwiesen: Ein Diagramm des K-Faktors in Abhängigkeit von variierenden Verhältnissen von gefälltem Siliziumdioxid und Flugasche ist in Fig. 1 gezeigt.

BEISPIEL 2

Wärmeisolationsplatten wurden hergestellt unter Verwendung des gleichen gefällten Siliziumdioxids und der gleichen Verfahren wie in Beispiel 1, doch wurde eine gefällte Flugasche benutzt, die von der TVA-Shawnee-Anlage erhalten wurde und die als PFA II bezeichnet ist. Die mittlere Teilchengröße dieser Flugasche betrug 7,32 und das Maximum 88 um.
Die PFA II hatte die in der folgenden Tabelle 4 gezeigte Analyse:

Tabelle 4

Eigenschaft Gewichtsprozent
Feuchtigkeit 0,31
Asche 91,47
Flüchtiges Material 2,40
Fixierter Kohlenstoff 5,80
Brennverlust 0,22
Die Elementaranalyse der PFA II Flugasche ist in der folgenden Tabelle 5 gezeigt:

Tabelle 5

Komponente Gewichtsprozent
SiO&sub2; 55,16
TiO&sub2; 1,86
Al&sub2;O&sub3; 33,27
Fe&sub2;O&sub3; 4,87
CaO 1,01
MgO 0,84
K&sub2;O 2,00
Na&sub2;O 0,54
P&sub2;O&sub5; 0,19
SO&sub3; 0,13
Auch hier enthielten die Mischungen aus Siliziumdioxid und Flugasche variierende Verhältnisse, und die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle 6 gezeigt. Tabelle 6 Gewichtsverhältnis gefälltes Siliziumdioxid/Flugasche Dichte K-Faktor 10&supmin;³ W/m·K (BTU-IN/HR FT²ºF)
Es ist wieder festzustellen, daß alle Mischungen Isolationsplatten mit einem erwünschten K-Faktor unter 7,2· 10&supmin;³ W/m.K (0,05) ergaben. Ein Diagramm der K-Faktoren in Abhängigkeit vom Verhältnis zwischen gefälltem Siliziumdioxid und Flugasche für die Platten dieses Beispiels ist in Fig. 2 gezeigt.
Es ist festzustellen, daß das PFA II-Material, das in einem Gewichtsverhältnis gefälltes Siliziumdioxid zu Flugasche von 70/30 gemischt war, einen K-Faktor von 4,03· 10&supmin;³ W/m.K (0,028) hatte. Im Falle von PFA II-Material, das im gleichen Verhältnis 70/30 gemischt war, bei dem aber keine Evakuierung der Umhüllung stattgefunden hatte, wurde ein K-Faktor von etwa 28,8·10&supmin;³ W/m.K (0,2) erhalten. Fiberglas, das gewöhnlich für die Hausisolation benutzt wird, hat einen K-Faktor von etwa 50,4·10&supmin;³ W/m. K (0,35), und benutzte man Fiberglas mit verschiedenen Bindern in Kühlschränken und Gefriervorrichtungen, dann betrug der K-Faktor etwa 33,87·10&supmin;³ W/m.K (0,235). Das Material dieser Erfindung hat daher selbst ohne Evakuieren der Umhüllung eine bessere Isolationsqualität als Fiberglas.

BEISPIEL 3

Wärmeisolationsplatten wurden hergestellt unter Verwendung des gleichen gefällten Siliziumdioxids und der gleichen Verfahren wie in Beispiel 1, doch benutzte man eine gefällte Flugasche, erhalten von der TVA Bull Run-Anlage, die als PFA III bezeichnet war. Die mittlere Teilchengröße dieser Flugasche betrug 20 und die maximale Teilchengröße 176 um.
Die PFA III hatte die in der folgenden Tabelle 7 gezeigte Analyse:

Tabelle 7

Eigenschaft Gewichtsprozent
Feuchtigkeit 0,25
Asche 94,48
Flüchtiges Material 1,55
Fixierter Kohlenstoff 3,75
Brennverlust 5,69
Die Analyse der Bestandteile der PFA III Flugasche ist in der folgenden Tabelle 8 gezeigt:

Tabelle 8

Komponente Gewichtsprozent
SiO&sub2; 48,46
TiO&sub2; 2,21
Al&sub2;O&sub3; 31,31
Fe&sub2;O&sub3; 4,02
CaO 1,58
MgO 0,74
K&sub2;O 2,43
Na&sub2;O 0,1
Es wurden wieder variierende Verhältnisse von gefälltem Siliziumdioxid und PFA III-Flugasche benutzt, um Isolationsplatten herzustellen, wobei die in Tabelle 9 angegebenen Ergebnisse erhalten wurden: Tabelle 9 Gewichtsverhältnis gefälltes Siliziumdioxid/Flugasche Dichte K-Faktor 10&supmin;³ W/m·K (BTU-IN/HR FT²ºF)
Bei allen benutzten Verhältnissen war der K-Faktor der Platten, die aus Mischungen von gefälltem Siliziumdioxid und PFA III hergestellt waren, akzeptabel, d. h. unter 7,2 ·10&supmin;³ W/m.K (0,05). Ein Diagramm der K-Werte in Abhängigkeit vom Verhältnis gefälltes Siliziumdioxid zu PFA III ist in Fig. 3 gezeigt.

BEISPIEL 4

Wärmeisolationsplatten wurden hergestellt unter Verwendung des gleichen gefällten Siliziumdioxids und der gleichen Verfahren wie in Beispiel 1, doch wurde eine gefällte Flugasche benutzt, die als PFA IV bezeichnet ist. Die mittlere Teilchengröße in dieser Flugasche war 10 und die maximale 88 um. Die PFA IV hatte die in Tabelle 10 gezeigte Analyse:

Tabelle 10

Eigenschaft Gewichtsprozent
Feuchtigkeit 1,01
Asche 97,89
Flüchtiges Material 1,00
Fixierter Kohlenstoff 0,10
Brennverlust 1,63
Die chemische Analyse der PFA IV ist in Tabelle 11 gezeigt:

Tabelle 11

Komponente Gewichtsprozent
SiO&sub2; 37,31
TiO&sub2; 1,28
Al&sub2;O&sub3; 20,37
Fe&sub2;O&sub3; 4,01
CaO 23,59
MgO 6,29
K&sub2;O 0,33
Na&sub2;O 2,46
P&sub2;O&sub5; 1,07
SO&sub3; 3,30
Die Ergebnisse von Tests von 2 Mischungen aus PFA IV- Flugasche und gefälltem Siliziumdioxid sind in Tabelle 12 gezeigt. Tabelle 12 Gewichtsverhältnis gefälltes Siliziumdioxids/Flugasche Dichte K-Faktor 10&supmin;³ W/m·K (BTU-IN/HR FT²ºF)
Auch hier zeigten die beiden benutzten Proben akzeptable K-Werte, d. h. unter 7,2·10&supmin;³ W/m.K (0,05).

BEISPIEL 5

Es wurden Wärmeisolationsplatten hergestellt unter Verwendung des gleichen gefällten Siliziumdioxids und der gleichen Verfahren wie in Beispiel 1, doch benutzte man eine gefällte Flugasche, erhalten von der Kentucky Center for Energy Research Pilot-Anlage, die als "AFBC Bag House" bezeichnet wurde. Die mittlere Teilchengröße in dieser Flugasche betrug 4,33 und die maximale 62 um. Die AFBC Bag House hatte die in Tabelle 13 angegebene Analyse:

Tabelle 13

Eigenschaft Gewichtsprozent
Feuchtigkeit 0,61
Asche 90,36
Flüchtiges Material 9,0
Brennverlust 7,33
Die chemische Zusammensetzung dieses Materials ist in der folgenden Tabelle 14 gezeigt:

Tabelle 14

Komponente Gewichtsprozent
SiO&sub2; 19,47
TiO&sub2; 0,68
Al&sub2;O&sub3; 12,08
Fe&sub2;O&sub3; 16,67
CaO 30,38
MgO 0,61
K&sub2;O 1,53
Na&sub2;O 0,35
P&sub2;O&sub5; 0,13
SO&sub3; 17,22
Die Ergebnisse von Tests mit 3 Mischungen aus AFBC-Asche mit gefälltem Siliziumdioxid sind in Tabelle 15 gezeigt. Tabelle 15 Gewichtsverhältnis gefälltes Siliziumdioxid/Flugasche Dichte K-Faktor 10&supmin;³ W/m·K (BTU-IN/HR FT²ºF)
Auch hier waren alle hergestellten Isolationsplatten akzeptabel, d. h. der K-Faktor lag unter 7,2·10&supmin;³ W/m.K (0,05).
Es wurden ähnliche Ergebnisse wie in den Beispielen 1 bis 5 erzielt, wenn das PPG T-690® ersetzt wurde durch die gleiche Menge gefällten Siliziumdioxids, das von der Degussa Corporation unter der Bezeichnung FK500-LS® vertrieben wird. Dieses gefällte Siliziumdioxid hat eine Oberfläche von 450 m²/g, eine Dibutylphthalat-Absorption von 300%, eine mittlere sekundäre Teilchengröße von etwa 3 um und einen SiO&sub2;-Gehalt von 99%. Es hat eine Klopfdichte von 80 g/l, einen Trockenverlust für 2 Stunden bei 105ºC von weniger als oder gleich 3%, einen Brennverlust für 2 Stunden bei 1000ºC von 5% und einen pH in einer 5 %igen wässerigen Suspension von 7.
Das Wärmeisolationsmaterial, das gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, kann verwendet werden in verschiedenen Umgebungen, wo Wärmeisolation benötigt wird. Wie oben erwähnt, kann es ohne Evakuieren der Umhüllung verwendet werden, die das Material enthält. Als solches ist es geeignet als ein Ersatz für Fiberglasisolation, da es bessere wärmeisolierende Eigenschaften hat. Es kann benutzt werden anstelle von Polyurethanschaum und insbesondere in einer Umgebung, wo es relativ hohen Temperaturen ausgesetzt wird. Die Umhüllung oder Platte, die das Material der vorliegenden Erfindung enthält, kann benutzt werden, einen Raum zu isolieren, indem man die Platte Teil der Wände sein läßt, die den thermisch zu isolierenden Raum umgeben. Die Platten können auch an einer oder mehreren Wänden des zu isolierenden Raumes befestigt werden, oder sie können sandwichartig zwischen einer Doppelwand angeordnet werden, die den zu isolierenden Raum bilden kann. Im Falle von Kühlschränken und Gefriervorrichtungen ist der zu isolierende Raum insbesondere durch eine Doppelwand umgeben, die gewöhnlich als die innere Auskleidung und das äußere Gehäuse bzw. der äußere Mantel bezeichnet werden. Ein Verfahren, das sich als besonders geeignet erwiesen hat, gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellte Isolationsplatten einzubauen, benutzt das Befestigen der gebildeten Isolationsplatten mittels Klebstoff an der inneren Oberfläche der äußeren Gehäusewand oder an der inneren Oberfläche der Auskleidungswand und das Füllen des Raumes 10 zwischen den beiden Wandungen mit einem an Ort und Stelle geschäumten Kunststoff 11, wie Polyurethanschaum. Ein anderes Verfahren ist in den Fig. 4 und 5 dargestellt. Wie in diesen Figuren gezeigt, ist die Isolationsplatte 1, die eine zusammengepreßte Mischung eines gefällten Siliziumdioxids und von Flugasche innerhalb der verschiedenen Umhüllungen ist, wie oben ausgeführt, an der inneren Oberfläche der äußeren Gehäusewand 2 mittels Schaumblöcken 3 befestigt. Klebstoff ist bei 4 auf diese Schaumblöcke aufgebracht, um sie sowohl an der inneren Oberfläche der äußeren Gehäusewand als auch der Isolationsplatte zu befestigen. Es sollte klar sein, daß die mit 2 bezeichnete Wand entweder die äußere Gehäusewand oder die innere Auskleidungswand sein kann. Nachdem eine genügende Anzahl von Isolationsplatten 1 an der geeigneten Wand 2 befestigt worden ist, wird der Raum 10 zwischen den beiden Wandungen mit einem an Ort und Stelle geschäumten Kunststoff 11, wie Polyurethanschaum gefüllt, der die Platten 1 und Blöcke 3 umgibt und eine vollständige Isolation des Raumes zwischen den Wandungen 2 und 2' schafft. Es sollte klar sein, daß die Isolationsplatten 1, wie erwünscht, entweder an der Wand 2 oder 2' befestigt werden können, ohne die gesamten isolierenden Eigenschaften der Vorrichtung zu beeinflussen. Das Material, das an Ort und Stelle geschäumt wird, um den Raum 10 in Fig. 5 einzunehmen, kann irgendeiner der standardgemäßen Isolationsschäume sein, die auf diesem Gebiet benutzt werden.

Claims

1. Wärmeisolationsmaterial, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Pulvermischung aus gefälltem Siliziumdioxid und einem Flugaschenmaterial umfaßt, wobei zwischen 30% und 70% des Flugaschenmaterials vorhanden sind, bezogen auf das Gesamtgewicht aus gefälltem Siliziumdioxid und Flugaschenmaterial.

2. Wärmeisolationsmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen 40% und 60% des Flugaschenmaterials vorhanden sind, bezogen auf das Gesamtgewicht aus gefälltem Siliziumdioxid und Flugaschenmaterial.

3. Isolationsmaterial nach Anspruch 1, worin das Flugaschenmaterial eine mittlere Teilchengröße unter 100 µm aufweist.

4. Isolationsmaterial nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, worin die Mischung aus gefälltem Siliziumdioxid und Flugasche eine in einem mikroporösen Beutel enthaltene getrocknete Mischung ist.

5. wärmeisolationsplatte umfassend:

eine verschlossene, gas- und wasserdichte Umhüllung, die ein Wärmeisolationsmaterial enthält, dadurch gekennzeichnet, daß

das Wärmeisolationsmaterial ein getrocknetes und gepreßtes Isolationsmaterial nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4 ist.

6. Platte nach Anspruch 5, worin das Wärmeisolationsmaterial zu einer Dichte zwischen 0,16 und 0,56 g/cm³ (10 und 35 pounds per cubic foot) zusammengepreßt ist.

7. Verfahren zum Herstellen einer Wärmeisolationsplatte nach Anspruch 6, umfassend:

a. Trocknen der Mischung aus gefälltem Siliziumdioxid und Flugaschenmaterial bei einer Temperatur, die ausreicht, Oberflächenwasser wegzutreiben;

b. Zusammenpressen der Mischung aus gefälltem Siliziumdioxid und Flugaschenmaterial zu einer Dichte von 0,16 bis 0,56 g/cm³ 10 bis 35 pounds per cubic foot);

c. Anordnen der zusammengepreßten Mischung aus gefälltem Siliziumdioxid und Flugaschenmaterial in einer Hülle und d. Verschließen der Hülle.

8. Verfahren nach Anspruch 7, worin die Mischung aus gefälltem Siliziumdioxid und Flugaschenmaterial in einem mikroporösen Beutel getrocknet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7, worin die Hülle gas- und wasserdicht ist und evakuiert wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, worin die gas- und wasserdichte Hülle eine Mehrschichtstruktur ist, gebildet aus Kunststoff mit metallisierten Schichten.

11. Verfahren nach Anspruch 10, worin mindestens eine der metallisierten Schichten eine aluminierte Kunststoffschicht ist.

12. Verfahren nach Anspruch 10, worin mindestens eine der Kunststoffschichten aus Polypropylen gebildet ist.

13. Verfahren nach Anspruch 11, worin mindestens eine der Schichten Metallfolie ist.

14. Verfahren zum Bilden einer isolierenden Schicht zwischen einer Innenwand und einer Außenwand eines Kühlgerätes, umfassend:

a. Herstellen einer Wärmeisolationsplatte gemäß Anspruch 6;

b. Befestigen der verschlossenen, gas- und wasserdichten Hülle an der Oberfläche einer Wand (2) innerhalb des Isolationsraumes des Kühlgerätes und

c. Füllen des verbliebenen Restes des Isolationsraumes (10) mit einem geschäumten Isolationsmaterial (11).

15. Verfahren nach Anspruch 14, worin die Hülle durch Klebstoff an der Wand befestigt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 14, worin die Hülle durch Klebstoff (4) an Schaumblöcken (13) befestigt wird, und die Schaumblöcke an der Oberfläche einer Wandung (2) innerhalb des Isolationsraumes (10) befestigt werden.