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Die vorliegende Erfindung betrifft thermisch isolierende,
mehrfach verglaste Strukturen wie etwa isoliertes Glas.
Hintergrund der Erfindung
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Zeolithe sind wohlbekannte Adsorptionsmittel, die zwischen
Glasscheiben verwendet werden - entweder allein oder in einem
Dichtungsmittel. Der Zeolith ist entlang der Peripherie des
durch die Scheiben umschlossenen Raums angeordnet, und der
Zeolith adsorbiert Wasser aus dem Raum zwischen den Scheiben.
Ein Zeolith wirkt als "Molekularsieb". Insbesondere weist der
Zeolith Poren auf, durch die das adsorbierte Material
hindurchtritt. Die Poren haben Öffnungen einer ausreichenden
Größe, um Moleküle des adsorbierten Materials hindurchtreten
zu lassen, die jedoch klein genug sind, um nicht adsorbierte
Materialien aufzuhalten. Die US-Patente 4 151 690, 4 141 186,
4 144 196 offenbaren derartige Molekularsieb-Zeolithe.
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Bekannte Zeolithe haben Porenöffnungsgrößen von 0,3 bis 1 nm
(3 bis 10 Å). Zeolithe mit Porenöffnungsgrößen von 0,4 nm
(4 Å) oder größer adsorbieren, wenn sie in einem isolierenden
Fenster verwendet werden, gasförmige Komponenten in diesem
Luftraum, etwa Sauerstoff und Stickstoff, sowie den
Wasserdampf, der absorbiert werden soll. Diese Zeolithe gasen dann
Sauerstoff und Stickstoff aus, wenn die Temperatur steigt
oder der Druck sinkt. Diese Zeolithe adsorbieren bei
Verwendung in einem Dichtungsmittel zwischen Glasscheiben in einem
Fenster Sauerstoff und Stickstoff bei Abkühlung (wie während
der Nacht) und setzen dann die Gase frei, wenn das Glas
erwärmt wird (wie am Tage). Dies verursacht große
Druckschwankungen im eingeschlossenen Luftraum, die zu Problemen mit den
Fenstern führen können wie etwa übermäßiges Ausbiegen oder
Einbiegen. Dieses Ausgasen kann auch zu Adhäsionsminderung
zwischen den Glasscheiben und dem Dichtungsmittel führen, da
sich durch die Agglomeration der Gase kleine Blasen bilden
können, die zur haftenden Grenzfläche wandern.
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In US-A-4 151 690 wird vorgeschlagen, den Zeolith durch
Voradsorbieren einer kleinen Menge eines niedermolekularen,
polaren Stoffs wie etwa Wasserdampf, Ammoniak, Methanol,
Ethanol, Methylamin und dergleichen zu behandeln.
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In US-A-4 477 583 wird vorgeschlagen, eine Beschichtung aus
Siliciumdioxid auf dem Zeolith abzuscheiden.
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In den US-Patenten 4 144 186 und 4 144 196 wird versucht,
dieses Problem zu lösen durch Verwendung von
Zeolith-Adsorptionsmitteln mit Porenöffnungen einer Größe von 3 Å oder
geringer, so daß Sauerstoff- und Stickstoff-Moleküle nicht in
diese Poren gelangen können, womit die Adsorption und somit
die Desorption dieser Gase verhindert wird. In US-Patent
4 151 690 wird in Betracht gezogen, Zeolith-Adsorptionsmittel
mit größeren Porenöffnungen zu verwenden, die vorbehandelt
sind durch Voradsorbieren eines niedermolekularen, polaren
Materials, um die unerwünschte Adsorption der Gase teilweise
zu unterdrücken.
Kurzbeschreibung der Erfindung
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die
Bereitstellung eines Zeolith-Molekularsieb-Adsorptionsmittels, das
Porenöffnungen von 0,4 nm (4 Å) oder größer aufweist und von
Problemen frei ist, die mit der fortwährenden Adsorption und
Desorption von Gasen verbunden sind. Dies wird erreicht,
indem der Zeolith erhitzt wird, um Stickstoff und Sauerstoff
in seinen Poren auszutreiben (oder "auszugasen"), und
abkühlen gelassen wird, während er mit einer Fluidbeschichtung
umgeben und bedeckt ist, die im wesentlichen undurchdringlich
ist für Sauerstoff und Stickstoff, doch Wasserdampf langsam
hindurchtreten läßt in die Poren des Zeoliths. Somit hat der
beschichtete Zeolith eine größere Kapazität zur Adsorption
von Wasserdampf, was erwünscht ist, adsorbiert aber keine
erheblichen Mengen Sauerstoff oder Stickstoff. Das Ausgasen
des Zeoliths bringt auch weniger Stickstoff und Sauerstoff in
das System, in dem der Zeolith als Adsorptionsmittel
verwendet wird. Deshalb desorbiert der Zeolith diese Gase dann nie.
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Der Molekularsieb-Zeolith ist teilchenförmig. Die Teilchen
weisen durchgehend eine Vielzahl von Poren auf, wobei einige
Poren an die Oberfläche angrenzen. Die an die Oberfläche
angrenzenden Poren haben Öffnungen an der Oberfläche, die
groß genug sind, um Sauerstoff- und Stickstoff-Moleküle sowie
Wasserdampf-Moleküle einzulassen. Die Fluidbeschichtung an
der Oberfläche des Zeoliths erstreckt sich über die
Porenöffnungen und bedeckt diese, dringt aber nicht in die Poren
ein. Bei der Beschichtung kann es sich um irgendein Fluid
handeln, das die Zeolith-Teilchen überzieht, ohne in die
Poren adsorbiert zu werden, das relativ durchlässig ist für
Wasserdampf, und das im wesentlichen undurchlässig ist für
Stickstoff und Sauerstoff (geringe Löslichkeit). Das Fluid
ergibt eine Barriere, die das Eindringen von Sauerstoff und
Stickstoff in die Poren blockiert. Wasserdampf allerdings,
der mit dem Fluid in Berührung kommt, wird im Fluid
solvatisiert und wird mit geringer Geschwindigkeit durch das Fluid
in die Poren des Zeoliths hinein befördert. Der Zeolith mit
der Fluidbeschichtung gemäß vorliegender Erfindung wird
verwendet als Teil einer Dichtungsmittelzusammensetzung, die
zwischen den Glasscheiben eines doppelt verglasten Fensters
verwendet wird.
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Das Dichtungsmittel wird hergestellt, indem zunächst die
Molekularsieb-Zeolith-Teilchen mit dem Fluid gemischt werden,
das vorzugsweise ein paraffinisches Öl sein kann. Ungefähr
gleiche Gewichtsteile Zeolith-Pulver und Öl werden
zusammengemischt, um eine Aufschlämmung zu bilden. Der Prozentanteil
Öl muß hoch genug sein, so daß das Öl die kontinuierliche
Phase ist, d. h., wenigstens 50 Vol.-%. Die Aufschlämmung wird
unter leichtem Rühren langsam erhitzt und wird für
ausreichende Zeit erwärmt gehalten, um das meiste an Sauerstoff
und Stickstoff auszugasen, das in den Poren des Zeoliths
eingeschlossen sein mag. Dann wird das Material auf
Raumtemperatur abgekühlt. Das Fluid ist bei Raumtemperatur im
wesentlichen undurchlässig für Stickstoff und Sauerstoff und
verhindert, daß Stickstoff und Sauerstoff wieder in die Poren
des Zeoliths gelangen.
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Danach werden die Zeolith-Teilchen mit der Beschichtung
darauf mit anderen Komponenten eines Dichtungsmaterials
gemischt, und das resultierende Material wird dann extrudiert,
um das gewünschte Dichtungsmittel zu bilden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden Fachleuten auf dem betreffenden Gebiet klar sein aus
einer Betrachtung der folgenden Beschreibung einer
bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die gegeben
wird unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung, wobei
die Abbildung eine perspektivische Teilansicht ist mit Teilen
im Schnitt, die ein Dichtungsmittel zeigen, das eine
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft mehrfach verglaste
Fenster, wie definiert in den beigefügten Patentansprüchen.
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Zeolith ist ein bekanntes Material, das die Eigenschaft hat,
ein ausgezeichnetes Adsorptionsmittel zu sein. Zeolith ist im
Handel von verschiedenen Firmen erhältlich, darunter Union
Carbide, W.R. Grace Company und anderen. Der wie in der
vorliegenden Erfindung verwendete Zeolith ist teilchenförmig,
mit 0,15 mm (einer Siebgröße von weniger als 100). Die
Zeolith-Teilchen haben eine große Anzahl von Poren an der
Oberfläche
und durch die gesamte Masse des Zeoliths. Die Poren
haben einen gegebenen Durchmesser, etwas unterhalb der
Oberfläche des Zeoliths, wobei sich eine kleinere Porenöffnung
durch die Oberfläche erstreckt. Zeolith, der verwendbar ist
zum Entwässern von isolierenden Glaseinheiten, ist erhältlich
mit Porenöffnungsgrößen im Bereich von 0,3 nm bis 1 nm (3 Å
bis 10 Å).
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Wird Zeolith als Adsorptionsmittel verwendet, so wirkt er,
indem Moleküle irgendeines zu adsorbierenden Materials, etwa
Gas oder Wasserdampf, durch die Öffnungen der Poren und in
die Poren selbst hineingezogen werden, wo die Moleküle
zurückgehalten werden. Zwar wird die Wechselwirkung des
Zeoliths mit den Gas- und Dampfmolekülen nicht völlig
verstanden, doch nimmt man an, daß elektrische Ladung auf dem
Zeolith-Material vorhanden ist und eine Ladung entgegengesetzten
Vorzeichens auf den Molekülen des zu adsorbierenden
Materials, wodurch eine Anziehung der Moleküle in die Poren des
Zeoliths verursacht wird.
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Da Zeolith als Adsorptionsmittel für verschiedene Materialien
verwendet werden kann und diese Materialien Moleküle
verschiedener Größe aufweisen können, muß der bei einer
speziellen Anwendung zu verwendende bestimmte Zeolith Porenöffnungen
haben, die groß genug sind, um den Durchgang der Moleküle des
speziellen, zu adsorbierenden Materials zu gestatten.
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Eine bekannte Verwendung für Zeolith-Adsorptionsmittel ist
die Funktion als Trocknungsmittel, um dem Luftraum zwischen
zwei Glasscheiben in einem doppelt verglasten Fenster
Wasserdampf zu entziehen. In diesem Falle muß der Zeolith
Porenöffnungen haben, die groß genug sind, um Wasserdampf-Moleküle
einzulassen. Wie vorstehend erörtert, ist es jedoch
wünschenswert, daß der Zeolith Stickstoff- und Sauerstoff-
Moleküle, die wichtigsten gasförmigen Komponenten der Luft,
nicht aus der Luft adsorbiert, die im doppelt verglasten
Fenster eingeschlossen ist. Zeolithe mit Porenöffnungen von
0,4 nm (4 Å) oder größer schließen Sauerstoff- und
Stickstoff-Moleküle nicht aus.
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Zur Bereitstellung eines Zeolith-Adsorptionsmittels, das wie
gewünscht arbeitet, wird bei der vorliegenden Erfindung die
Verwendung eines Zeoliths in Betracht gezogen, der zwar
Porenöffnungen aufweist, die 0,4 nm (4 Å) oder größer sind
und somit groß genug, um Stickstoff- und Sauerstoff-Moleküle
einzulassen, dies aber nicht tut, da eine Schicht aus
gasundurchlässigem Fluid auf dem Zeolith vorhanden ist, die sich
über die Porenöffnungen auf der Oberfläche des Zeoliths
erstreckt und diese bedeckt. Das Fluid ist jedoch in der Lage,
Wasserdampf-Moleküle durchzulassen. Deshalb sind die
gewünschten Merkmale bereitgestellt, daß sowohl Wasserdampf
durchgelassen wird als auch Stickstoff und Sauerstoff
ausgeschlossen werden.
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Das bei der vorliegenden Erfindung verwendete Fluid muß
folgende Eigenschaften aufweisen. Erstens muß es in der Lage
sein, bei richtigem Mischen mit dem Zeolith-Material die
Zeolith-Teilchen zu überziehen, ohne in die Poren adsorbiert
zu werden. Zweitens muß es durchlässig sein für Wasserdampf,
vorzugsweise mit sehr geringer Geschwindigkeit. Drittens muß
es im wesentlichen undurchlässig sein für Stickstoff und
Sauerstoff - die wichtigsten gasförmigen Komponenten der
Luft. Viele Fluids können bei der vorliegenden Erfindung
brauchbar sein. Hierzu gehören paraffinische Öle,
naphthenische Öle und aromatische Öle.
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Ein Fluid, das erfolgreich verwendet wurde zur Herstellung
der verbesserten, bei der vorliegenden Erfindung brauchbaren
Zeolithe, ist Sun Par Nr. 2280, ein raffiniertes
Petroleumprodukt, das von Sun Oil Company erhältlich ist. Dieses Öl
hat eine Zusammensetzung aus 73% paraffinischen Kohlenstoff-
Atomen, 23% naphthenischen Kohlenstoff-Atomen und 4%
aromatischen Kohlenstoff-Atomen.
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Zwar wird man verstehen, daß verschiedene Methoden zur
Herstellung der bei der vorliegenden Erfindung brauchbaren
Zeolithe durchführbar sind, doch ist die folgende
veranschaulichend für die Herstellung des Zeoliths, der die
Fähigkeit besitzt, Feuchtigkeit zu adsorbieren, während
Stickstoff, Sauerstoff und andere Gase nicht adsorbiert werden.
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Ein Molekularsieb-Zeolith mit 0,4 nm (4 Å) (95 Gewichtsteile)
und ein Molekularsieb-Zeolith mit 1 nm (10 Å) (95
Gewichtsteile) wurden mit 206 Gewichtsteilen Sun Par Nr. 2280
vereinigt und 5 min lang gemischt, um eine gleichmäßige
Aufschlämmung oder Dispersion der Bestandteile sicherzustellen.
Der Prozentanteil an Zeolith muß niedrig genug sein, damit
das Fluid die kontinuierliche Phase darstellt, d. h., nicht
mehr als 50 Vol.-%. Falls gewünscht, kann irgendeine
geringere Menge an Zeolith verwendet-werden. Die Aufschlämmung wurde
unter leichtem Rühren für etwa 15 min langsam auf eine
Temperatur von 163ºC (325ºF) erhitzt. Die Mischung wurde weitere
30 min auf 163ºC (325ºF) gehalten und dann auf Raumtemperatur
abgekühlt.
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Durch das Erhitzen werden Sauerstoff und Stickstoff aus dem
Zeolith entgast oder entfernt. Beim Abkühlen der
Aufschlämmung verhindert das Öl, daß Sauerstoff und Stickstoff wieder
in den Zeolith zurückgelangen. Während des Erwärmungsvorgangs
wird auch etwas Wasserdampf im Zeolith ausgetrieben, und es
gelangt keine nennenswerte Menge unmittelbar in den Zeolith
zurück, da die Porenöffnungen des Zeoliths mit der
Fluidschicht bedeckt sind, die eine sehr geringe Durchgangsrate
für Feuchtigkeitsdampf aufweist.
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Auch wenn die Verwendung nur eines Zeolith-Materials möglich
ist, wird häufig bevorzugt, eine Mischung aus zwei oder
mehreren Zeolithen zu verwenden. Zum Beispiel werden gleiche
Gewichtsteile eines ersten Zeoliths mit einer
Porenöffnungsgröße von 9,4 nm (4 Å) und ein zweiter Zeolith mit einer
Porenöffnungsgröße von 1 nm (10 Å) zusammen verwendet. Diese
Verwendung von zwei oder mehreren Zeolithen mit verschiedenen
Porenöffnungsgrößen wird bisweilen bevorzugt, da einige
Verunreinigungen mit großem Durchmesser vorhanden sein können,
etwa niedermolekulare Polymerfraktionen, die aufgrund ihrer
Flüchtigkeit die Leistungsfähigkeit des Dichtungsmittels
beeinträchtigen können. Diese werden durch großporige
Molekularsiebe adsorbiert.
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Beim Gebrauch erlaubt das Zeolith-Adsorptionsmittel den
kontrollierten Durchgang von Wasserdampf. Der Wasserdampf
durchdringt das Fluid oder wird darin solvatisiert und bewegt sich
durch das Fluid hindurch und in die Zeolith-Poren. Stickstoff
und Sauerstoff können jedoch das Fluid nicht nennenswert
durchqueren und sind somit vom Eintreten in die Zeolith-Poren
ausgeschlossen. Somit liegt sehr geringe Adsorption von Gasen
in die beschichteten Zeolithe vor.
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Wie vorstehend erwähnt, ist dieses verbesserte Zeolith-
Adsorptionsmittel eine Komponente der Dichtung von
mehrscheibigen isolierenden Fenstern. Wird ein thermisch
isolierendes Fenster aufgebaut unter Verwendung von zwei oder
mehreren an den Kanten abgedichteter Glasscheiben, so wird
ein Luftraum zwischen den Glasscheiben erzeugt. Dieser
Luftraum enthält Luft mit Umgebungsdruck. Selbstverständlich
enthält die Luft Komponenten wie Stickstoff, Sauerstoff und
Wasserdampf. Bei einem solchen Fenster ist es wünschenswert,
den Wasserdampf aus der Luft zwischen den Glasscheiben zu
entfernen, um die Kondensation des Wasserdampfs auf dem Glas
zu verhindern.
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Für diese Anwendung wird der verbesserte Zeolith in das
Dichtungsmaterial eingebracht, das an den Kanten des Fensters
zur Dichtung zwischen den Glasscheiben verwendet wird. Wird
der Zeolith bei der Herstellung des Dichtungsmittels mit den
übrigen Bestandteilen des Dichtungsmaterials gemischt, so
wird er innerhalb der Matrix des Dichtungsmaterials in einer
Weise angeordnet, daß er in der Lage ist, als
Adsorptionsmittel
für die Luft innerhalb des Fensters angemessen zu
funktionieren. Natürlich steht die Luft mit der freiliegenden
Oberfläche des Dichtungsmittels in Berührung, und der
Wasserdampf wird an dieser Stelle aus der Luft adsorbiert.
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Fig. 1 zeigt eine Verbundstruktur A, umfassend ein erstes
Element 10 und ein zweites Element 12 mit einander
zugewandten, im allgemeinen parallelen Oberflächen in einem endlichen
Abstand voneinander. Die Verbundstruktur A umfaßt auch
Elemente, die die Elemente 10, 12 in dieser Abstandsbeziehung
halten und Dichtung zwischen ihren einander zugewandten
Oberflächen ergeben. Ein Dichtungs- und Abstandshalterstreifen,
allgemein als 14 bezeichnet, hält im einzelnen die Elemente
10, 12 in dieser Abstandsbeziehung und stellt die Dichtung
bereit.
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Die Elemente 10, 12 sind, wie gezeigt, aus Glas gebildet, und
die Verbundstruktur A ist doppelt verglastes, isolierendes
Glasfenster. Es ist allerdings verständlich, daß sich die
Erfindung auch im Umfeld einer unbegrenzten Vielfalt von
Konstruktionen und/oder Baumaterialien anwenden läßt,
darunter - ohne darauf beschränkt zu sein - Zement, Beton,
Backstein, Stein, Metalle, Kunststoffe und Holz.
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Der Dichtungs- und Abstandshalterstreifen 14 umfaßt ein
längliches Band 16 aus verformbarem Dichtungsmittel, das ein
Abstandshalterelement 18 umhüllt und in sich eingebettet
aufweist, welches sich in Längsrichtung des Bandes 16
erstreckt. Das Abstandshalterelement 18 ist eine gewellte Lage
aus relativ starrem Material, das zweckmäßigerweise aus
Aluminium gebildet sein kann. Man sieht, daß alle Flächen und
Kanten des Abstandshalterelements 18 in engem Kontakt mit dem
Band 16 des Dichtungsmittels stehen. Ein solcher
Abstandshalterstreifen ist in US-Patent 4 431 691 gezeigt. Das
Dichtungsmittel 16 enthält den verbesserten Zeolith der
vorliegenden Erfindung.
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Es gibt viele Arten Dichtungsmittel, die in solchen Fenstern
verwendbar sind, und viele Arten der Herstellung solcher
Dichtungsmittel. Beispiele finden sich in den US-Patenten
3 791 910 und 3 832 254.
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Ein typischer Bestandteilsbereich für ein Dichtungsmittel ist
wie folgt:
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400 bis 600 Teile Butylkautschuk;
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150 bis 350 Teile Kohlenwasserstoff-Harz;
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10 bis 15 Teile Zinkoxid;
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100 Teile Ruß;
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100 Teile aromatisches Harz; und
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5 bis 6 Teile Silan.
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Das Fluid, das bei der Bildung der
Zeolith/Fluid/-Aufschlämmung verwendet wird, wie vorstehend beschrieben, ist
ebenfalls ein Bestandteil der Dichtungsmittelzubereitung und
fungiert als Weichmacher. Die in dem Dichtungsmittel
verwendete Menge an Zeolith/Fluid-Aufschlämmung kann schwanken,
je nachdem wieviel Adsorptionsleistung benötigt wird und
wieviel Fluid im Dichtungsmittel erforderlich ist.
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Die Aufschlämmung des beschichteten Zeoliths wird, in den
Mengen und hergestellt wie oben beschrieben, mit den
Dichtungsmittelbestandteilen in einem Sigmaschaufelmischer
eine Stunde und fünfzehn Minuten lang vereinigt. Die
Temperatur der Mischung steigt auf 126ºC (260ºF) aufgrund der
inneren Reibung. Ein Vakuum von 0,847 bar (25 inch Quecksilber)
wird während der letzten 20 min des Mischvorgangs angelegt.
Aus dem resultierenden Material werden Blöcke gebildet und zu
Dichtungsmittelstreifen extrudiert, die einen
Aluminium-Faltstreifen (swiggle strip) eingearbeitet enthalten, wie
beschrieben in US-Patent 4 431 691. Das Dichtungsmaterial in
Streifenform wird dann gewickelt und in Dosen verschlossen.
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Testproben des Dichtungsmittels mit eingearbeitetem
verbesserten Zeolith-Adsorptionsmittel und eines standardmäßigen
Dichtungsmittels wurden zwischen Glas und Aluminium gepreßt,
ehe sie Bedingungen von 57ºC (135ºF) und 100% relativer
Luftfeuchtigkeit 24 h lang ausgesetzt wurden. Die Probe des
standardmäßigen Dichtungsmittels gaste aus und bildete Blasen
an der Grenzfläche zwischen Glas und Dichtungsmittel. Das
Dichtungsmittel der vorliegenden Erfindung gaste nicht aus
und bildete keinerlei Blasen, und es ergab sich keine
Adhäsionsminderung zwischen Glas und Dichtungsmittel.
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Wie aus dem vorstehenden ersichtlich, weist das verbesserte
Zeolith-Adsorptionsmittel folgende wünschenswerte
Eigenschaften auf: (a) Fehlen von Gasen wie Stickstoff und Sauerstoff,
so daß Ausgasen und Wiederadsorbieren von Gasen in der Zeit
von Temperatur- und Druckschwankungen minimiert werden; (b)
geringere Fähigkeit zur Adsorption von Gasen wie Stickstoff
und Sauerstoff aus Luft, etwa dem Luftraum in einem
Doppelscheibenglasfenster, da die Porenöffnungen des Zeoliths mit
einer Schicht Fluid bedeckt sind, das für Sauerstoff und
Stickstoff im wesentlichen undurchlässig ist; (c) eine
Fähigkeit, Wasserdampfaus der Umgebungsluft langsam zu
adsorbieren und in den Poren des Zeoliths zurückzuhalten, wodurch die
Kondensation auf den Innenflächen von Glasscheiben in einem
Doppelscheibenglasfenster vermindert wird.
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So wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff "Ausgasen"
oder "ausgegast" auf Zeolith, der zum Austreiben von Gasen
und Wasserdampf aus den Poren des Zeoliths erhitzt wurde.