DE60306920T2

DE60306920T2 - Vorrichtung zur bestimmung der feinheit von mineralfasern

Info

Publication number: DE60306920T2
Application number: DE60306920T
Authority: DE
Inventors: Alex Seghers; Gilles Boyer
Original assignee: Saint Gobain Isover SA France
Current assignee: Saint Gobain Isover SA France
Priority date: 2002-05-22
Filing date: 2003-05-07
Publication date: 2007-03-01
Anticipated expiration: 2023-05-08
Also published as: KR100957018B1; NO334802B1; AU2003255059B2; ATE333644T1; US7210334B2; WO2003098209A1; BR0309274A; AR039847A1; US20050235736A1; KR20050010790A; CN100565205C; NO20045358L; EA007572B1; FR2840071B1; EP1506394A1; UA80709C2; EA200401546A1; BR0309274B1; CA2486460A1; AU2003255059A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Feinheit von Mineralfasern, wobei diese Fasern insbesondere für die gewerbliche Herstellung von Glaswolle bestimmt sind, die für die Herstellung von Wärme- und/oder Schalldämmprodukten eingesetzt werden soll. Sie betrifft auch ein Verfahren zum Messen der Feinheit von Mineralfasern sowie die Anwendung dieser Vorrichtung auf die Messung der Feinheit von hyperfeinen Fasern.
Genauer gesagt ist die Erfindung darauf gerichtet, die Bestimmung des Wertes von deren "Micronaire" (F) zu ermöglichen.
Es ist auf dem vorliegenden technischen Gebiet bekannt, für eine Charakterisierung des Feinheitsindexes den "Micronaire" zu messen, wobei dieser Index eine Angabe über die spezifische Oberfläche als Funktion der Messung des Abfalls des aerodynamischen Drucks zur Verfügung stellt, wenn eine gegebene Menge von Fasern, die kein Bindemittel enthält, einem gegebenen Druck eines Gases – im Allgemeinen Luft oder Stickstoff – ausgesetzt wird.
Diese Messung ist bei Produktionseinheiten für Naturfasern (insbesondere Baumwollfasern) üblich, wurde gemäß den Standards DIN 53941, ASTM 1994, D 4604-86, D 4605-86 oder auch EN 29053 standardisiert, und wendet eine als "Micronaire-Vorrichtung" bezeichnete Vorrichtung an, wie sie in der EP 0 373 058 beschrieben ist.
Darüber hinaus ist anzumerken, dass die Masse der Probe im Allgemeinen in der Größenordnung von 10 g beträgt und gemäß den am häufigsten befolgten Empfehlungen bis zu 50 g betragen kann, wenn es sich um Baumwollfasern handelt.
Auf der Grundlage dieser Lehren wurde eine Micronaire-Vorrichtung entwickelt, deren Anwendung zurzeit verbreitet ist und die ausgehend von einer Messvorrichtung für den Feinheitsindex von Mineralfasern, die in "Micronaire"-Werten gradiert ist, zuverlässige Messwerte für mittlere Faserdurchmesser von im Wesentlichen zwischen 3 und 9 μm und in diesem mittlerem Durchmesserbereich angibt. Dieser mittlere Durch messer wird aus dem Histogramm berechnet, das mit einem Mikroskop (× 1000) an 200 Fasern erstellt wird.
Hersteller stehen in ihrem beständigen Bestreben nach einer Verbesserung des Wärmeaustauschkoeffizienten insgesamt und/oder einer Verringerung der volumenbezogenen Masse von Produkten bei einer gleichen thermischen Kapazität zunehmend vor der Aufgabe, Fasern (im Nachfolgenden als hyperfeine Fasern bezeichnet) zu erzeugen, deren mittlerer Durchmesser ständig weiter verringert wird und tendenziell in dem Bereich von 2 bis 3 μm oder sogar darunter liegt.
In diesen Bereichen der Herstellung von hyperfeinen Fasern ist jedoch die obenstehend beschriebene "Micronaire"-Messung nicht möglich.
Eine solche Herstellung von hyperfeinen Fasern erfordert daher ein Messinstrument für die Überwachung des Herstellungsprozesses gewissermaßen in Realzeit, um im Falle einer Fehlfunktion schnell in den Prozess eingreifen zu können.
Zu Rationalisierungszwecken wurde die Hypothese aufgestellt, das Prinzip der herkömmlichen Micronaire-Vorrichtung beizubehalten, da diese Vorrichtung ihre Zweckmäßigkeit im Falle von Mineralfasern mit einem Durchmesser von mehr als 3 μm unter Beweis gestellt hat, und ihre Vorteile (leichte Durchführbarkeit, große Einfachheit, Zuverlässigkeit, Schnelligkeit der Durchführung, Wirtschaftlichkeit usw.) von Fachleuten auf dem vorliegenden technischen Gebiet geschätzt werden.
Ausgehend von dieser Feststellung, und in Anbetracht der Unfähigkeit dieser Micronaire-Vorrichtung, Messungen für hyperfeine Fasern zur Verfügung zu stellen, ist es das Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Micronaire-Vorrichtung zu schaffen, die dazu ausgelegt ist ist, Micronairewerte für hyperfeine Fasern (mit einem mittleren Durchmesser von weniger als 3 μm) zu liefern.
Es ist eine Vorrichtung zum Bestimmen des Feinheitsindexes von Fasern bekannt, die dazu ausgelegt ist ist, den Micronairewert von Mineralfasern mit einem mittleren Durchmesser von wesentlich mehr als 3 μm zur Verfügung zu stellen, welche eine Messvorrichtung für den Feinheitsindex aufweist, wobei diese Messvorrichtung für den Feinheitsindex auf der einen Seite mit wenigstens einer ersten Öffnung versehen ist, die mit einer Messzelle verbunden ist, welche geeignet ist, eine Probe bestehend aus einer Mehrzahl von Fasern aufzunehmen, und auf der anderen Seite mit einer zweiten Öffnung versehen ist, die mit einer Messvorrichtung zum Messen eines Differenzdrucks auf der einen und der anderen Seite der Probe verbunden ist, wobei die Messvorrichtung zum Messen des Differenzdrucks für die Verbindung mit einer Vorrichtung zum Erzeugen einer Fluidströmung bestimmt ist.
Zu diesem Zweck ist gemäß der Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung des Feinheitsindexes von der genannten Art dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung für den Feinheitsindex gemäß den Ansprüchen 1 und 5 wenigstens einen Volumendurchflussmesser zum Messen des durch die Zelle strömenden Gases aufweist.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung können ferner eine oder beide der folgenden Maßnahmen optional angewendet werden:

– der Volumendurchflussmesser besteht aus einem Volumendurchflussmesser, der auf l/min geeicht ist;
– eine der Öffnungen umfasst ein kalibriertes Element.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung betrifft diese auch ein Verfahren zur Messung der Feinheit von Fasern unter Verwendung einer Vorrichtung zur Bestimmung der Feinheit von Mineralfasern gemäß den obenstehenden Angaben, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass:

– die Messzelle mit einer Probe von Fasern befüllt wird, wobei die Masse der Probe derart bestimmt wird, dass die Probe das gesamte Volumen der Messzelle einnimmt, damit es keine bevorzugte Strömung des Gases inmitten der Probe gibt;
– der Wert des Differenzdrucks, der zwischen der stromaufwärtigen Seite der stromabwärtigen Seite der Probe herrscht, gesteuert wird, nachdem man die Zelle mit Hilfe eines Deckels verschlossen hat;
– die Messvorrichtung mit einer Vorrichtung zum Erzeugen einer Fluidströmung verbunden wird; und
– die Messung mit Hilfe des Volumendurchflussmessers durchgeführt wird.

Bei bevorzugten Ausführungsweisen der Erfindung können ferner eine oder beide der folgenden Maßnahmen optional angewendet werden:

– die Gesamtheit des Volumens der Messzelle wird mit einer Probe von Fasern befüllt, deren Masse gleich mindestens 5 g ist, bevorzugt zwischen 5 und 10 g liegt, und stärker bevorzugt gleich 5 g ist;
– ein Differenzdruck angelegt wird, dessen Wert deutlich an 254 mm Hg angrenzt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich im Verlauf der nachfolgenden Beschreibung einer ihrer Ausführungsformen, die als nichteinschränkendes Beispiel und mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung gegeben wird.
Es zeigt:
1 eine Schemaansicht einer erfindungsgemäßen "Micronaire"-Vorrichtung; und
2 den Wert des Wärmeleitkoeffizienten für verschiedene Faserdichten als Funktion des in l/min ausgedrückten Micronairewertes.
In den verschiedenen Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen identische oder ähnliche Elemente.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Micronaire-Vorrichtung. Diese Vorrichtung 1 weist eine Messzelle 2 auf, die bevorzugt zylindrisch ist. Diese Zelle 2 ist dazu ausgelegt, eine Probe von Fasern aufzunehmen, deren Feinheit gemessen werden soll.
Die Vorrichtung weist auch eine Vorrichtung 8 zum Messen des Feinheitsindexes auf.
Die Vorrichtung 8 zum Messen des Feinheitsindexes weist wenigstens eine erste Öffnung 3 auf, die über eine erste Rohrleitung 4 mit der Messzelle 2 verbunden ist, welche dazu ausgelegt ist, die aus einer Mehrzahl von Fasern gebildete Probe aufzunehmen.
Diese gleiche Vorrichtung 8 zum Messen des Feinheitsindexes weist auch eine zweite Öffnung 6 auf, die über eine zweite Rohrleitung 7 mit einer Vorrichtung 5 zum Messen eines Differenzdrucks auf der einen und der anderen Seite der Probe verbunden ist. Die Vorrichtung 5 zum Messen des Differenzdrucks besteht z.B. aus einer Druckregeleinrichtung, deren Wert auf 254 mm Hg eingestellt ist und dort konstant gehalten wird.
Bei einer herkömmlichen "Micronaire"-Vorrichtung (d.h. einer Vorrichtung, die dazu ausgelegt ist, "Micronaire"-Werte für Fasern mit einem mittlerer Durchmesser in dem Bereich von 3 bis 9 μm anzugeben) besteht die Vorrichtung 8 zum Messen des Feinheitsindexes aus einer transparenten zylindrischen Röhre mit einem kreisförmigen Querschnitt, in der ein bewegliches Anzeigeelement (vom "Ludion"-Typ) verschiebbar angeordnet ist, wobei diese Röhre in "Micronaire"-Werten gradiert ist.
Die Vorrichtung 5 zum Messen des Differenzdrucks ist über eine dritte Rohrleitung 9 mit einer Vorrichtung 10 zum Erzeugen einer konstanten Gasströmung verbunden, wobei das Gas auf herkömmliche Weise Luft oder Stickstoff sein kann. Unabhängig davon, welche Gasströmungsquelle verwendet wird, muss die Anlage eine präzise Regulierung des Volumenstroms und eine Kontrolle der Stabilität der Gasströmung im unteren Teil der Messzelle ermöglichen.
Die Quelle des Fluidstroms muss das Fluid mit Volumenströmen liefern, deren resultierende Geschwindigkeiten niedrig genug sind, damit die Messwerte des Widerstands gegen die Fluidströmung unabhängig von der Geschwindigkeit sind.
Beispielsweise muss die Strömungsquelle Fluidströmungsgeschwindigkeiten von bis zu 0,5 × 10^-3 m/s ermöglichen.
Als eine Variante weist die in 1 gezeigte "Micronaire"-Vorrichtung eine kalibrierte Düse an der Öffnung 6 auf. Dieses kalibrierte Element und insbesondere der Durchmesser der Öffnungen der Düse werden beim Kalibrieren der "Micronaire"-Vorrichtung unter normalisierten Temperatur- und Druckbedingungen (T=20°C; P=101.325 Pa) bestimmt.
Das Prinzip der Feinheitsindex (oder Micronairewert)-Messung basiert auf einer Messung der Durchlässigkeit eines porösen, homogenen und isotropen Mediums, wobei dieses poröse Medium (in diesem Falle eine Probe von Fasern, deren mittlerer Durchmesser bestimmt werden soll) von einem gasförmigen Fluid unter laminaren Strömungsbedingungen durchströmt wird.
Das Prinzip der Messung unterliegt Darcy's Gesetz:

v:: Geschwindigkeit des Fluids (m/s)
Q:: Durchsatz des Fluids (m³/s)
S:: von dem Fluid senkrecht durchströmter Probenquerschnitt (m²)
ΔP:: Differenzdruck über die Probe (N/m²)
e:: Dicke der Probe (m)
μ:: dynamische Viskosität des Fluids (N/m·s)
K:: Durchlässigkeit (in m²)

Von Kozeny und Carman durchgeführte Untersuchungen haben gezeigt, dass der Koeffizient K auf die folgende Weise ausgedrückt werden kann:
wobei

K:: Durchlässigkeit
j:: Strukturfaktor
e:
Sv:: spezifische Oberfläche
M:: Masse der Probe
ρ:: Dichte der Probe

Durch Verbinden der Gleichungen (1) und (2) und Konstanthalten der folgenden Parameter (Dichte, Porosität, Strukturfaktor, Menge von eingesetzter Probe) variiert der Durchsatz Q umgekehrt proportional zum Quadrat der spezifischen Oberfläche gemäß der folgenden Gleichung:
Die Vorgehensweise zum Betreiben der erfindungsgemäßen "Micronaire"-Vorrichtung ist wie folgt.
Ausgehend von einer Vorrichtung des Standes der Technik zur Bestimmung der Feinheit von Fasern (d.h. einer Vorrichtung, die dazu ausgelegt ist, "Micronaire"-Werte für Fasern zur Verfügung zu stellen, deren mittlerer Durchmesser im Wesentlichen innerhalb des Bereichs von 3 bis 9 μm liegt), und nach dem Kalibrieren dieser Vorrichtung im Hinblick auf eine Bezugsvorrichtung mit einer Probe von Bezugsfasern, so dass die in 2 gezeigte Kurve erhalten wird, wird die Messzelle 2 mit mindestens 5 g von Fasern befällt, deren Feinheit bestimmt werden soll (bei denen es sich um Fasern im Rohzustand handelt, d.h. sie enthalten kein Bindemittel).
Hierbei ist anzumerken, dass die Menge von in der Messzelle eingesetzten Fasern von bestimmender Wichtigkeit ist. Es wurde festgestellt, dass bei einer Fasermenge von weniger als 5 g (z.B. 3 g), insbesondere wenn diese Fasern hyperfeine Fasern sind, diese nicht das gesamte Volumen der Messzelle einnehmen und bevorzugte Strömungspfade innerhalb der Zelle erzeugt werden, welche die Messung singulär beeinflussen. Somit konnte festgestellt werden, dass die Resultate der Messung nicht reproduzierbar sind (Variation des Ergebnisses um mehr als 50%).
In der Praxis wurden Tests experimentell mit verschiedenen Fasermengen vorgenommen, und es wurde bestimmt, dass die optimale Menge für die Erzielung einer zufriedenstellenden Wiederholbarkeit der Messung darin bestand, mindestens 5 g Fasern zu nehmen.
Die Messzelle 2 wird mit 5 g Fasern im Rohzustand befüllt, wobei die Masse der Fasern unter Verwendung einer Präzisionsvorrichtung gemessen wird (wobei die Masse der Fasern tatsächlich innerhalb des Bereichs von 5,00 ± 0,01 g liegt), und diese Masse von Fasern mittels einer Kelle unmittelbar nach der Zerfaserungseinrichtung und vor dem Aufbringen des Bindemittels entnommen wird.
Die Messzelle 2 ist eine zylindrische Kammer mit den folgenden charakteristischen Abmessungen: Innendurchmesser 25,4 mm; Höhe: 25,4 mm, wobei die Öffnung der Zelle durch einen Deckel 13 verschlossen ist.
Der nächste Schritt besteht in der Regulierung des statischen Differenzdrucks zwischen der stromaufwärtigen Seite und der stromabwärtigen Seite der Probe von Fasern; dieser Differenzdruck wird aufgrund theoretischer Erwägungen auf 254 mm Hg eingestellt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Feinheitsbestimmung wird mit der Vorrichtung zum Erzeugen der Gasströmung verbunden, und die Messung wird unter Verwendung des Anzeigeelementes des Volumendurchflussmessers vorgenommen.
In 2 ist für verschiedene Faserherstellungsdurchgänge, die einem Bereich von drei allgemein definierten Produktgattungen entsprechen, wobei jede dieser Gattungen durch den Wert ihres Wärmeleitkoeffizienten (λ) charakterisiert ist, der mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung erhaltene Verlauf der Wärmeleitfähigkeit für verschiedene Micronairewerte abgetragen.
Hierdurch lassen sich definieren:

– Fasern für leichte, gewickelte Produkte (bzw. IBR) mit einer volumenbezogenen Masse MV von zwischen 10 und 11 kg/m³;
– Fasern für dichte, aufgerollte Produkte oder leichte Platten oder Trennwände mit einer volumenbezogenen Masse von zwischen 15 und 16 kg/m³;
– und schließlich Fasern für dichte Platten mit einer volumenbezogenen Masse von zwischen 22 und 23 kg/m³.

Hierbei lässt sich anmerken, dass es eine Entsprechungsbeziehung zwischen den auf diese Weise erhaltenen Micronairewerten und dem mittleren Durchmesser der Fasern der Probe gibt. Allgemein gesprochen entspricht ein Micronairewert von ca. 12 l/min einem mittleren Durchmesser von 2,5 bis 3 μm, ein Wert von 13,5 l/min entspricht im Wesentlichen einem mittleren Durchmesser von 3 bis 3,5 μm, und 18 l/min schließlich entspricht ca. 4 bis 5 μm. Es wird daran erinnert, dass für diese drei Produktreihen der (mit einer herkömmlichen Vorrichtung erhaltene) Micronairewert für einen mittleren Durchmesser von 2,5 bis 3 μm nicht möglich ist; er beträgt im Wesentlichen 2,7 bei einem mittleren Durchmesser von 3 bis 3,5 μm, und schließlich gleich 3 bei ca. 4 bis 5 μm.
Je nach dem Faserbereich, dessen mittlerer Durchmesser charakterisiert werden soll, ist es natürlich möglich, die Vorrichtung zum Messen der Feinheit (Bereich des Volumendurchflussmessers) so anzupassen, dass eine gleiche Maßeinheit (l/min) für alle beabsichtigten Faserherstellungsdurchgänge erhalten wird.
Hierbei war es mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei noch feineren Fasern (mittlerer Durchmesser in der Größenordnung von ca. 1 μm oder sogar noch weniger) möglich, einen reproduzierbaren und zuverlässigen Wert zu erhalten, nämlich in der Größenordnung von 1 l/min.

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung des Feinheitsindexes oder Micronairewerts von Mineralfasern (1), deren mittlerer Durchmesser unterhalb 3 μm liegt, wobei die Vorrichtung (1) eine Messvorrichtung (8) für den Feinheitsindex aufweist, wobei die Messvorrichtung (8) für den Feinheitsindex auf der einen Seite mit wenigstens einer ersten Öffnung (3) versehen ist, die mit einer Messzelle (2) verbunden ist, welche geeignet ist eine Probe bestehend aus einer Vielzahl von Fasern aufzunehmen und auf der anderen Seite mit einer zweiten Öffnung (6) versehen ist, verbunden mit einer Messvorrichtung (5) zur Messung des Differenzdrucks, die auf der einen und auf der anderen Seite der genannten Probe angeordnet ist, wobei der Differenzdruck zwischen Zulauf und Ablauf der Probe nach Schließen der Zelle gesteuert wird und wobei die Messvorrichtung (5) zur Messung des Differenzdrucks dazu bestimmt ist mit einer Vorrichtung zum Erzeugen einer Fluidströmung (10) verbunden zu werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (8) zur Messung des Feinheitsindexes wenigstens einen Volumendurchflussmesser für Fluid, das die genannte Zelle (2) durchfließt, umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumendurchflussmesser auf l/min geeicht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (6) ein kalibriertes Element (12) umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (8) des Feinheitsindexes entsprechend dem Bereich der Fasern angepasst ist, deren mittlerer Durchmesser bestimmt werden soll.
Verfahren zur Bestimmung des Feinheitsindexes von Mineralfasern unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass: – die Messzelle (2) mit einer Probe von Fasern befüllt wird, deren mittlerer Durchmesser unterhalb von 3 μm liegt, wobei die Masse der Probe derart bestimmt wurde, dass die Probe das gesamte Volumen der Messzelle (2) einnimmt, damit es keine bevorzugte Strömung des Gases inmitten der Probe mehr gibt, – der Wert des Differenzdrucks, der zwischen dem Zulauf und Ablauf der Probe herrscht, gesteuert wird, nachdem man die Zelle mit Hilfe eines Deckels (13) verschlossen hat, – die Messvorrichtung mit einer Vorrichtung zum Erzeugen einer Fluidströmung (10) verbunden wird, – die Messung mit Hilfe eines Volumendurchflussmessers durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtheit des Volumens der Messzelle (2) mit einer Probe von Fasern befüllt wird, deren Masse gleich 5 g ist, bevorzugt zwischen 5 und 10 g liegt, stärker bevorzugt gleich 5 g ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Differenzdruck angelegt wird, dessen Wert deutlich an 254 mm Hg angrenzt.
Verwendung einer Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und/oder eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 5 bis 7, zur Messung des Feinheitsindexes für feine Dämmfasern, besonders Glaswolle, insbesondere Fasern, die durch ein Verfahren der internen Zentrifugation erhalten wurden.