DE69009299T2 - Verbundmaterial auf der Basis von Mineralfasern zur Herstellung von Formteilen. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verbundprodukt, welches Mineralfasern sowie ein wärmeaushärtbares Bindemittel beinhaltet und insbesondere als eine Primärmatte für die Herstellung von Formstücken verwendbar ist.
• Es ist bekannt, Teile mit hoher oder geringer Dichte gegebenenfalls unter Formgebung durch Heißpressen einer Primärmatte auf Basis von Mineralfasern herzustellen, insbesondere von Glas- oder Steinfasern, welche ein Bindemittel enthalten.
• Diese Primärmatten können beispielsweise aus Mineralfasermatten bestehen, welche für Dämmzwecke eingesetzt werden können.
• Diese Mineralfasermatten für Dämmzwecke können mit verschiedenen Verfahren hergestellt werden.
• Mineralfasern, wie etwa Glasfasern, können zum Beispiel mit dem an sich bekannten Verfahren des Schleuderausziehens hergestellt werden, bei dem die Glasschmelze in ein mit hoher Geschwindigkeit drehendes Schleuderorgan eingeführt wird, aus dem sie durch eine Reihe von im Umfang des Schleuderorgans angebrachten Öffnungen in Form von Fäden austritt. Die Fäden werden von einem gasförmigen Strom mit hoher Geschwindigkeit und Temperatur in Form von Fasern ausgezogen. Die von dem Gasstrom mitgerissenen Fasern werden auf einem Auffangorgan abgelegt, wo sie eine Matte bilden. Um die Verbindung der Fasern untereinander zu gewährleisten, wird eine Bindemittelverbindung auf die Fasern versprüht, bevor sie das Aufnahmeorgan erreichen. Die Matte wird dann auf die gewünschte Dicke gebracht. Sie wird dann noch im feuchten Zustand als Primärmatte für die Herstellung von Formstücken verwendet.
• Die Mineralfasermatten oder -filze für Dämmzwecke können letztendlich auch als Primärmatte für die Herstellung von Formstücken dienen. Sie sind dann trocken. In diesem Fall wird die Matte von irgendeiner geeigneten Vorrichtung zerrissen, um die darin enthaltenen Fasern zu vereinzeln oder um Flocken zu bilden. Diesen vereinzelten Fasern oder Flokken wird ein Bindemittel beigegeben, um ein Verbundprodukt zu bilden, bei welchem es sich also um eine rekonstituierte Matte handelt, und welche heiß gepreßt werden kann, um das gewünschte Formstück zu erhalten. Ein solches Verbundprodukt, welches durch Rekonstitution einer Mineralfasermatte hergestellt wird, ist beispielsweise in der französischen Patentanmeldung 88 15735 beschrieben, welche am 1.12.1988 von der gegenwärtigen Anmelderin hinterlegt wurde.
• Die Verbundprodukte, welche den Gegenstand der vorliegenden Anmeldung darstellen, werden aus Flocken gebildet, welche ausgehend von einem durch eine besondere Kardiervorrichtung zerrissenen Mineralfaserfilz erhalten werden und welchen ein Bindemittel beigefügt wird. Diese Produkte weisen Vorteile auf. Insbesondere werden sie aus herkömmlichen Dämmatten gefertigt und erfordern also keine spezifische Umrüstung der Produktion. Die rekonstituierten Produkte verfügen über ein Dämmvermögen, welches demjenigen der anfänglichen Matten, welche zu ihrer Herstellung dienen, sehr ähnlich ist, sowie über bessere mechanische Eigenschaften aufgrund einer Verringerung der Anisotropie, welche die anfängliche Dämmatte aufweist und welche von dem Herstellungsverfahren der Dämmatten herrührt.
• Außerdem enthalten diese rekonstituierten Produkte ein Bindemittel, welches flüssig oder in Pulverform auf die kalten Fasern eingebracht wird; dies gibt völlige Freiheit bei der Wahl des Bindemittels. Man kann insbesondere ein Bindemittel mit verzögerter Wirkung wählen, d.h. ein Bindemittel, dessen Wirkung sich bei Umgebungstemperatur nicht oder nur äußerst langsam ergibt. Dies erlaubt es also, die Verbundprodukte vor ihrer Verwendung aufzubewahren.
• Die Bindemittel, welche in Pulverform eingebracht werden, sind insbesonders daher vorteilhaft, daß sie die Herstellung des Produktes in "trockenem" Zustand ohne die Einwirkung von Lösungsmitteln ermöglichen. Dieses Verfahren erlaubt eine von den Klebewirkungen unbeeinträchtige Vermischung von Fasern und Bindemittel; die Haftung ergibt sich erst bei der Erschmelzung des Bindemittels.
• Bei den für die Bildung der Verbundprodukte verwendbaren Bindemitteln, welche in der oben erwähnten Anmeldung beschrieben sind, handelt es sich beispielsweise um wärmeaushärtbare Harze wie Phenolformaldehyd-Novolakharze, Epoxy-Harze, Silikone, Polyurethan, oder thermoplastische Harze wie Polyethylen oder Polypropylen.
• Die Verwendung von Verbundprodukten mit Mineralfasern oder Flocken und bestimmten pulverförmigen Bindemitteln wie Novolaken als Primärmatten für die Herstellung von Formstücken kann insofern Probleme bereiten, als die erhaltenen Formstücke eine ungenügende mechanische Festigkeit, insbesondere Bruchfestigkeit, aufweisen. Andererseits sind diese geformten Produkte bei hohen Temperaturen nicht stabil.
• Das Ziel der Erfindung ist daher ein rekonstituiertes Verbundprodukt auf Basis von Mineralfasern, welches ein pulverförmiges Bindemittel enthält und als Primärmatte für die Herstellung von geformten Produkten verwendbar ist, die selbst dann eine zufriedenstellende mechanische Festigkeit aufweisen, wenn sie hohen Temperaturen ausgesetzt sind.
• Das erfindungsgemäße Verbundprodukt umfaßt Mineralfasern und ein pulverförmiges, wärmeaushärtbares Bindemittel. Es ist dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel aus einem
• Gemisch von pulverförmigen, wärmeaushärtbaren Harzen gebildet ist, welches ein Novolakharz und ein Silikonharz umfaßt, wobei das Novolakharz und das Silikonharz 1 bis 70% bzw. 0,5 bis 70% des Gesamtgewichts des Verbundproduktes darstellen.
• Die Mineralfasern können als vereinzelte Fasern oder als Flocken vorliegen, welche durch Zerreißen eines Mineralfaserfilzes für Dämmzwecke erhalten wurden.
• Das Bindemittelgemisch kann außerdem übliche Hilfsmittel wie etwa einen flammhemmenden Stoff für das Phenolharz, beispielsweise Glimmer, enthalten.
• Das Novolakharz ist ein Phenolformaldehydharz, welches durch Polykondensation von Phenol und Formaldehyd in saurer Umgebung erhalten wird, wobei das Molverhältnis von Formaldehyd zu Phenol kleiner als 1 ist. Das Harz ist schmelzbar ab ca. 90ºC.
• Als Silikonharz wird ein Methyl- oder Phenylsilikon, und vorzugsweise ein Methylsilikon eingesetzt. Das Methylsilikon ist bei einer ziemlich niedrigen Temperatur zwischen 45 und 70ºC schmelzbar.
• Je nach den erwünschten Eigenschaften für das fertige heiß geformte Produkt, welches ausgehend von dem erfindungsgemäßen Verbundprodukt erzeugt wurde, können die Mengen von Novolak- und Silikonharz variiert werden.
• Wenn das im Verbundprodukt enthaltene pulverförmige Bindemittelgemisch beispielsweise 15 bis 70% Silikonharz sowie 1 bis 5% Novolakharz, und vorzugsweise 15 bis 20% Silikonharz sowie 1 bis 2% Novolakharz enthält, so weist dieses Produkt eine gute mechanische Festigkeit auf, auch wenn es einer hohen Temperatur ausgesetzt ist. Die Grenze der mechanischen Festigkeit entspricht dann derjenigen der Mineralfasern; bei Mineralfasern liegt sie bei ca. 450 bis 500ºC; bei Steinfasern bei ca. 700ºC. Es ist zu beachten, daß sich das Silikonharz ab 300ºC zu zersetzen beginnt. Das Novolakharz hat eine Karbonisation durchgemacht. Durch Verwendung eines erfindungsgemäßen Bindemittelgemisches erreicht man, daß das heißgeformte Produkt auch dann seine Form bewahrt, wenn sich die mechanische Festigkeit infolge der Zersetzung des Silikons vermindert, was Vorteile bietet, wenn es beispielsweise als Hitzeschild verwendet wird.
• Wenn das Verbundprodukt für die Herstellung eines heißgeformten Produktes bestimmt ist, welches unter der Einwirkung der Hitze keine mechanische Festigkeit erfordert, kann das Bindemittelgemisch eine Mindestmenge an Silikonharz (0,5 bis 2%) sowie 15 bis 70% an Novolakharz und vorzugsweise 0,5 bis 1% Silikonharz sowie 15 bis 20% Novolakharz enthalten. Das fertige heißgeformte Produkt bietet dann eine gute mechanische Festigkeit (siehe Beispiel 1). Die Verwendung einer größeren Menge Silikon erhöht den Herstellungspreis des Produktes, ohne seine mechanische Festigkeit zu verbessern. Eine zu große Menge von Novolakharz ist nicht erwünscht, da dieses Harz kein gutes Verhalten im Feuer aufweist.
• Die fertigen heißgeformten Produkte, welche ausgehend von den erfindungsgemäßen Verbundprodukten hergestellt wurden, sind des weiteren feuchtigkeitsbeständig. So kann das Verbundprodukt beispielsweise ein Bindemittelgemisch umfassen, welches 10% Novolakharz und 10% Silikonharz enthält. Man erhält so ein fertiges heißgeformtes Produkt, welches sogar in sehr feuchter Umgebung eine dauerhafte mechanische Festigkeit aufweist.
• Es kann vorteilhaft sein, dem Bindemittelgemisch einen Härter zuzugeben, um die Zeitdauer zu verkürzen, welche zur Aushärtung des Silikonharzes unter Wärmeeinfluß erforderlich ist.
• Die Gesamtmenge des den Fasern beigegebenen Bindemittels beträgt vorzugsweise weniger als 70 Gew.-%, wobei ein Mindestanteil von 30 Gew.-% an Fasern nötig ist, um ein geformtes Faserprodukt mit stabiler Struktur herzustellen.
• Das Verbundprodukt kann alle Mineralfasern umfassen, welche im allgemeinen zu Dämmzwecken eingesetzt werden, beispielsweise Stein-, Schlacken- oder Keramikfasern. Diese Fasern können von Mineralfasermatten- oder filzen für Dämmzwecke stammen.
• Diese Matten können wie vorstehend beschrieben hergestellt sein und umfassen beispielsweise Glasfasern mit einem mittleren Durchmesser zwischen 3 und 6 um, welche mit einer Schlichtezusammensetzung behandelt wurden, die ein Harz und übliche Zusätze wie Harnstoff, Silan usw. enthält. Bei dem Harz, welches gewöhnlich für die Schlichtung der Dämmfasern verwendet wird, kann es sich um ein Formaldehyd-Phenolharz vom Typ Novolak oder Resol handeln. Die Resolharze werden durch Polykondensation von Formaldehyd und Phenol in einem Molverhältnis Fomaldehyd/Phenol von mehr als 1 in basischer Umgebung erhalten. Die Dämmatte enthält im fertigen Zustand ungefähr zwischen 5 und 10 Gew.-% davon.
• Das erfindungsgemäße Verbundprodukt kann ausgehend von in vereinzelter Form oder als Flocken vorliegenden Mineralfasern gebildet werden, welche beispielsweise durch Zerreißen einer Dämmatte wie der vorstehend beschriebenen erhalten werden. Diese Matten werden mit Vorrichtungen wie den in der französischen Patentschrift 2 591 621 oder der vorstehend erwähnten französischen Patentanmeldung beschriebenen zerrissen. Diese Vorrichtungen, auch Kardiervorrichtungen genannt, bilden Flocken oder vereinzelte Fasern, welche sich durch Schwerkrafteinwirkung auf einem Sammelorgan ablegen und eine Bahn bilden. Die Ablage dieser Flocken oder vereinzelten Fasern, welche im Unterschied zu der Herstellung von herkömmlichen Dämmatten ohne die Einwirkung eines starken Gasstroms durchgeführt wird, erlaubt die Bildung einer Bahn, in welcher die Fasern keine bevorzugte Ausrichtung aufweisen, was folglich zur Bildung eines isotroperen Produktes führt. Das pulverförmige Bindemittel wird im allgemeinen nach dem Kardieren und vor der Ablage der Fasern auf dem Ablageorgan eingebracht, um eine gleichförmigere Verteilung des Pulvers zwischen den Fasern zu erreichen.
• Die Dichte der zur Herstellung der rekonstituierten Verbundprodukte dienenden Dämmatten kann erfindungsgemäß variieren und von geringen Dichten in der Größenordnung von 10 kg/m³ bis zu sehr hohen Dichten bis 300 kg/m³ reichen, welche aus Gründen des Platzbedarfs und des Transports erforderlich sind.
• Die erfindungsgemäßen Verbundprodukte können beispielsweise als Primärmatten für die Herstellung von Formstücken oder -platten verwendet werden. Im allgemeinen findet die Formung unter Verwendung von Drücken von 5 bis 100 bar statt bei Temperaturen, welche 250ºC erreichen können. Die geformten Platten oder Teile können Dichten aufweisen, welche zwischen 100 kg/m³ und 2000 kg/m³ liegen.
• Die Formung der Primärmatten kann unmittelbar nach der Herstellung des Verbundproduktes oder auch zu einem späteren Zeitpunkt stattfinden, da die verwendeten Bindemittel trokken sind und bei Umgebungstemperatur nicht oder nur wenig aktiv sind.
• Die folgenden, nicht einschränkenden Beispiele illustrieren die Erfindung.
BEISPIEL 1
• Ein Verbundprodukt wird so hergestellt, wie es in der obenstehend zitierten französischen Patentschrift beschrieben ist. Die Glasfasern weisen einen mittleren Durchmesser von 4 bis 5 um auf. Das Bindemittel wird aus einem Gemisch von Novolakpulver (20%) und Methylsilikonpulver (1%) gebildet, wobei die Prozentangaben als Gewichtsanteile im Verhältnis zum Gesamtgewicht des Verbundproduktes ausgedrückt sind. Es umfaßt des weiteren einen Härter für das Silikonharz. Proben dieses Verbundproduktes werden 2 Minuten lang bei 200ºC unter verschiedenen Drücken behandelt, um das Bindemittelgemisch auszuhärten und Probestücke mit unterschiedlichen Dichten zu bilden.
• Diese Probestücke werden dem Bruchfestigkeitstest bei Biegung unterzogen. Die Proben mit einer Größe von ca. 150 75 mm sind an ihren Enden an zwei vertikalen Auflagen befestigt und werden in ihrer Mitte Belastungen ausgesetzt, welche bis zum Bruch allmählich verstärkt werden.
• Zum Vergleich wird auf analoge Weise ein Verbundprodukt hergestellt, mit dem Unterschied, daß das Bindemittel einzig aus Novolak (20 Gew.-%) gebildet ist. Proben dieses Produktes werden wie die erfindungsgemäßen Proben wärmebehandelt.
• Die einzige Zeichnung gibt die Kurven der Belastung bei Bruch (Belastung in N/m² in Abhängigkeit von der Dichte der Produkte in kg/m³) für das erfindungsgemäße Produkt (A) und das Vergleichsprodukt (B).
• Es ist ersichtlich, daß das erfindungsgemäße Produkt A bei gleicher Dichte eine bessere Bruchfestigkeit aufweist als das Vergleichsprodukt B, und zwar umso mehr, je höher die Dichte ist.
• Somit erlaubt das Vorhandensein eines pulverförmigen Bindemittels mit einem Phenolharz in Verbindung mit einem Silikonharz in einem Verbundprodukt auch bei Verwendung einer geringen Menge eine deutliche Verbesserung der Bruchfestigkeit von geformten Produkten ausgehend von diesen Verbundprodukten.
BEISPIEL 2
• Ein Verbundprodukt wird wie in Beispiel 1 hergestellt. Das verwendete Bindemittel umfaßt jedoch 20 Gew.-% Methylsilikon und 1 Gew.-% Phenolharz. Das erhaltene Produkt weist nach Wärmeformung eine Dichte von 400 kg/m³ auf, ist auch bei einer Temperatur von 450ºC mechanisch stabil und kann als Hitzeschild verwendet werden.
• Die Erfindung bietet zahlreiche Vorteile.
• Sie erlaubt die Herstellung von Verbundprodukten mit pulverförmigen Bindemitteln (insbesondere vorteilhaft wegen der möglichen "trockenen" Herstellung) ohne Verringerung der mechanischen Festigkeit bei dem fertigen heißgeformten Produkt.
• Das Vorhandensein von Silikon verleiht ihnen des weiteren einen hydrophoben Charakter, welcher die Verwendung der fertigen heißgeformten Produkte auch unter sehr feuchten Bedingungen erlaubt.
• Da das geformte Produkt eine ausreichende Menge Silikon enthält, bietet es eine gute mechanische Festigkeit, auch wenn es hohen Temperaturen ausgesetzt ist. Bei Temperaturen, welche der Zersetzung von Silikon entsprechen, bewahrt das heißgeformte Produkt noch seine Form, was insbesondere vorteilhaft ist, wenn man es beispielsweise als Hitzeschild verwendet, z.B. in Kraftfahrzeugen. Einerseits erlauben es die in einem Verhältnis von 10 zueinander stehenden Viskositäten von Silikon und Novolak, daß die Fasern vom Silikon umhüllt werden, bevor das Novolak anhaftet; andererseits ändert die Zersetzung des Phenolbindemittels bei Verwendung unter hohen Temperaturen nichts an der Bindemittelfunktion des Silikons.
• Unter den angewendeten Bedingungen ist das Silikonharz mit dem Phenolharz verträglich.
• Das Vorhandensein von Silikonharz erlaubt auch die Verringerung der Menge des Phenolharzes, welches kein gutes Verhalten in Feuer aufweist, ohne die mechanische Festigkeit herabzusetzen.

Claims (8)

1. Verbundprodukt mit Mineralfasern und einem pulverförmigen, wärmeaushärtenden Bindemittel, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel aus einem Gemisch von wärmeaushärtenden Harzen besteht, welches zwischen 1 und 70 Gew.-% Novolakharz sowie zwischen 0,5 und 70 Gew.-% Silikonharz umfaßt, wobei die Prozentangaben als Gewichtsanteil im Verhältnis zum Gesamtgewicht des Verbundprodukts ausgedrückt sind.

2. Verbundprodukt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es aus Fasern gebildet ist, welche vereinzelt oder in Form von Flocken vorliegen, die durch das Zerreißen eines Mineralfaserfilzes für Dämmzwecke erhalten wurden.

3. Produkt nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Silikonharz ein Methylsilikon ist.

4. Produkt nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindeinittelgemisch 15 bis 70% Silikon sowie 1 bis 5% Novolakharz, und vorzugsweise 15 bis 20% Silikon sowie 1 bis 2% Novolakharz umfaßt.

5. Produkt nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch 0,5 bis 2% Silikon sowie 15 bis 70% Novolakharz, und vorzugsweise 1 bis 2% Silikon sowie 15 bis 20% Novolakharz umfaßt.

6. Produkt nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Fasern um Glasfasern, Steinfasern oder keramische Fasern handelt.

7. Produkt nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern einen mittleren Durchmesser zwischen 3 und 6 um aufweisen.

8. Verwendung des Produkts nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Herstellung von heißgeformten Formstücken.