Bereich der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrift ein Verfahren zum Wickeln
von Garnen auf eine umlaufende Spindel in aufeinanderfolgenden
Stufen zur Herstellung eines Filters, der geeignet ist zur
Verwendung als Abscheider für disperse Abgasstoffe von einem Dieselmotor.
Hintergrund der Erfindung
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Die USA-Bundesregierung regelt die Standards für die zulässige
Emission von dispersen Abgasstoffen von Diesellastwagen und
Dieselbussen, so daß 1991 die Emission von dispersen Abgasstoffen bei
Bussen und 1994 diejenige bei Lastwagen niedriger als 0,1 Gramm pro
Bremsleistungsstunde liegen muß. Es gibt zahlreiche
Filterkonstruktionen für emittierte disperse Stoffe, die patentiert sind oder zur
Verfügung stehen. Die gegenwärtig zur Verfügung stehenden Filter
für emittierte disperse Stoffe können jedoch im allgemeinen die
vorgegebenen Standards nicht erfüllen, ohne daß es zu einem
übermäßigen Staudruck kommt.
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In US-A-4 761 323 wird ein Verfahren zur Herstellung von
Rußfiltern offenbart, die mit filzartigen Unterlagen als
Filterelemente arbeiten, die aus losen feuerfesten Fasern bestehen. Um die
Fasern aneinander zu binden und sie zu verankern, werden die Fasern
durch Aufdampfung oder Abscheidung aus einer Lösung beschichtet, so
daß ein amorpher Überzug entsteht. Beispiel 8 offenbart die
Herstellung von Faserrohren durch Wickeln von Fasern aus
Siliciumcarbid mit einem Durchmesser von etwa 12 Mikrometern mit Hilfe eines
Mehrfachgarn-Ösenläufers. Damit eine Strukturfestigkeit entsteht,
werden die Garne mit Mullit Al&sub6;Si&sub2;O&sub1;&sub3; beschichtet.
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In US-A-4 925 463 wird ein Abgasreinigungssystem für
Dieselmotoren offenbart, das eine Filtervorrichtung besitzt, die mit hohlen
Filterrohren versehen ist, die an einem Ende verschlossen sind,
damit das Gas durch die Dicke der Wände des Filterrohres strömt.
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In US-A-4 205 971 wird ein Rußfilter für den Abgasstrom aus
Verbrennungsmotoren offenbart. Der Filter besteht aus einem
zylindrischen Filter in einem Gehäuse, damit das Gas von der Außenseite
des Filters in den hohlen Innenraum des Filters strömt.
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In US-A-3 949 109 wird ein Verfahren nach dem Oberbegriff von
Anspruch 1 und ein hohler zylindrischer Garnkörper nach dern
Oberbegriff von Anspruch 3 offenbart.
Zusammenfassunq der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wickeln
von Garnen nacheinander zwecks Herstellung einer Reihe von Lagen
mit aufeinanderfolgenden diamantförmigen Öffnungen auf eine
umlaufende Spindel, so daß eine rohrförmige Konstruktion entsteht, die
aus einer Reihe von miteinander verbundenen diamantförmigen
Öffnungen besteht, von denen jede Lage den direkten Strom von Gas von
einer Lage zur nächsten verhindert, so daß eine Reihe von kleinen
Öffnungen entsteht, die dennoch einen starken Gasstrom durch die
Dicke der von diesen diamantförmigen Öffnungen gebildeten
rohrförmigen Wand ermöglichen, während ein Kontakt mit einer großen
Oberfläche hergestellt wird.
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Gemäß dieser Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung
eines Filters zum Kontakt mit Abgasen geschaffen, worin ein aus einer
Vielzahl von feuerfesten anorganischen Filamenten mit mehr als 20
Gew.-% Aluminiumoxid gebildetes Garn von einem changierenden
Fadenführer, der sich parallel zu der Rotationsachse der Spindel bewegt,
in drei oder mehr Lagen auf eine umlaufende Spindel gewickelt wird,
wobei jede Lage eine schraubenförmige Wicklung bildet. Die
Drehungen liegen in einem Abstand voneinander, worin sich die erste Lage
nahe an der Spindel befindet und jede nachfolgende Lage
schraubenförmig in einem anderen Winkel zu der vorher abgelegten Lage
gewikkelt wird, so daß diamantförmige Öffnungen zwischen benachbarten
Lagen entstehen. Jede auf die zweite Lage folgende Lage wird so
gewickelt, daß sie die darunterliegenden diamantförmigen Öffnungen
vollkommen abdeckt.
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Ebenfalls gemäß dieser Erfindung ist ein hohler zylindrischer
Garnkörper mit einer Wand, geeignet zum Kontakt mit heißen Abgasen,
ein solcher, in dem die Wand aus drei oder mehr Lagen gebildet wird
und jede Lage eine schraubenförmige Wicklung bildet, worin die
Drehungen in einem Abstand voneinanderliegen. Die erste Lage befindet
sich nahe an der Spindel, und jede nachfolgende Lage wird
schraubenförmig in einem anderen Winkel zu der vorher abgelegten Lage
gewickelt, so daß diamantförmige Öffnungen zwischen benachbarten Lagen
entstehen. Jede auf die zweite Lage folgende Lage wird so
gewikkelt, daß sie die darunterliegenden diamantförmigen Öffnungen
vollkommen
abdeckt, so daß jede Lage den direkten Strom von Abgasen von
einer Lage zu der nächsten Lage verhindert, jedoch Öffnungen
beläßt, die so groß sind, daß die von einer Lage zu der nächsten Lage
strömenden Gase verteilt und gemischt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichungen
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Figur 1A ist eine schematische Ansicht einer zur Anwendung mit
der vorliegenden Erfindung geeigneten Wickelvorrichtung.
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Figur 1B zeigt ein Ablegemuster für zwei Garne, das in der
vorliegenden Erfindung benutzt wird.
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Figur 1C zeigt ein Ablegemuster für drei Garne, das in der
vorliegenden Erfindung benutzt wird.
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Figur 2A zeigt das Übereinanderlegen von vier Gamlagen gemäß
der vorliegenden Erfindung.
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Figur 2B zeigt die durch die Überlappung von beliebigen zwei
Lagen gebildeten offenen Räume gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Figur 2C zeigt die Anordnung von Figur 2B, der eine dritte
Schicht hinzugefügt ist.
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Figur 3 zeigt einen Querschnitt durch eine Faserwand längs der
Linie V - V in Figur 2C.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Figur 1 stellt eine stark vereinfachte schematische Ansicht
einer für die praktische Umsetzung dieser Erfindung geeigneten
Wikkelvorrichtung dar. Wie in Figur 1A zu sehen ist, ist die Spindel
(das Futter), auf die (das) der Garnkörper gewickelt wird, auf
einer umlaufenden Welle befestigt. Ein changierender
Fadenführerhalter B ist in einer solchen Weise angebracht, daß er sich in einer
hin- und hergehenden Bewegung bewegen kann, deren Hauptkomponente
parallel zur Rotationsachse des Futters liegt. Dieser changierende
Halter wird in geeigneter Weise in einem Verhältnis zur Umdrehung
der Futterwelle angetrieben, so daß der Umlauf der Futterwelle in
einer festen, kleinen Verhältniszahl von Umdrehungen (R) pro jeder
vollständigen Hin- und Herbewegung der changierenden Halter
erfolgt. Eine vollständige Hin- und Herbewegung gilt als eine, die
an einer beliebigen Stelle in der Bewegung beginnt, deren beide
äußerste Endpositionen erreicht und dann in die Ausgangsposition
zurückkehrt.
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In der Praxis sorgt die für die Umdrehung des Futters beschriebene
"feste kleine Verhältniszahl von Umdrehungen pro jeder
vollständigen Hin- und Herbewegung der changierenden Halter" dafür, daß die
von den changierenden Fadenführern geführten Garne in den meisten
Fällen so zurücklauf en, daß sie sich nach einer kleinen Anzahl von
Umdrehungen des Futters genau übereinanderlegen, ohne daß sie die
Oberfläche des Garnkörpers vollständig mit einer Gamlage abgedeckt
haben. Dadurch entsteht ein Garnkörper, in dern das Garn eine Reihe
von diamantartigen Öffnungen bildet, die die Oberfläche der
Wickellage bedecken. Diese "Diamanten" und die gewünschten Verhältnisse
ihres Ablegens sind schematisch in Figur 1B und Figur 1C zu sehen.
Diese Muster stellen die Mittellinien der Garne dar, die durch den
changierenden Halter abgelegt werden, der sich auf seinem hin- und
herführenden Weg bewegt. In Figur 1 ist ein Fall zu sehen, wo das
vollständige Abdeckmuster aus den dargestellten Diamanten durch
geeignete kritische Auswahl oder den Wert von R in geordneter Weise
abgelegt wird, so daß alle mit "a" gekennzeichneten Garngruppen vor
den mit "b" gekennzeichneten abgelegt werden. Diese mit "b"
gekennzeichneten befinden sich ebenfalls alle an Ort und Stelle, bevor
die nächste Garnlage über den mit "a" gekennzeichneten Garnen
abgelegt wird. Wir haben eine solche Konstruktion als
"Zweibrücken-Konstruktion bezeichnet. In Figur 1C ist ein Fall dargestellt, wo
durch eine andere Auswahl oder einen anderen Wert von R das gesamte
dargestellte Abdeckmuster der Diamanten in einer anders geordneten
Weise abgelegt wird, so daß alle mit "a" gekennzeichneten
Garngruppen vor irgendwelchen der mit "b" gekennzeichneten abgelegt werden,
und diese vollständig abgelegt werden, bevor die mit "c"
gekennzeichneten Garne abgelegt werden. Wir haben diese Konstruktion
analog als "Dreibrücken"-Konstruktion bezeichnet. Weitere andere Werte
von R können zu einer umfassenderen "Brückenkonstruktion" oder
einer mit einer höheren Zahl oder sogar zu dem Fall führen, wo alle
Garnpaare der Reihe nach sequentiell abgelegt werden. Ein solches
sequentielles Ablegen würde als "Einbrücken"-Konstruktion
bezeichnet.
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Figur 2 zeigt eine Darstellung der von mehreren Garnlagen in
einer Variante der "Zweibrücken"-Konstruktion in und auf dem
Garnkörper
gebildeten Muster. Es sei darauf hingewiesen, daß in der
perspektivischen Darstellung von Figur 2A sowohl mit "A" als auch
die mit "B" gekennzeichnete Garne zusammen die in Figur 1B mit "a"
gekennzeichneten Garne bilden und in ähnlicher Weise die sowohl mit
"C" als auch die mit D" gekennzeichneten Garne die in Figur 1B mit
"b" gekennzeichneten Garne bilden. Diese Reihe von Lagen wiederholt
sich viele Male in radialer Richtung durch die Wand des
Garnkörpers hindurch, wobei die Garne der Rapportgruppen im wesentlichen
"über" ihren Gegenstücken in den Anordnungen darunter liegen. Zum
Zwecke der Vereinfachung wird jede Verformung des Musters
übersehen, zu der es kommt, wenn der Garnkörper entsteht, weil diese den
gewünschten Effekt nicht verändert. Es sei angemerkt, daß die Garne
in dieser Figur mit unrundem Querschnitt dargestellt sind. Das
ist im allgemeinen der Fall, wenn mehr oder weniger locker gedrehte
Multifilamentgarnbündel gewickelt werden, und eine solche
Unrundheit kann durch die Dichtheit der Garndrehung etwas reguliert
werden. Die zu dieser Demonstration verwendeten Materialien reichen,
wie festgestellt wurde, von fast runden Garnen, wo das Verhältnis
der kürzesten zur längsten Achse dieses Querschnitts nahe bei 1,0
liegt, bis zu bändchenähnlichen Garnen, wo dieses Verhältnis nicht
weniger als 8 - 10 beträgt. Die kürzeste Achse ist immer so
dargestellt, daß sie im wesentlichen in der Richtung senkrecht zu der
Oberfläche des Garnkörpers in gewickeltem Zustand liegt. In Figur
2B ist der projizierte Deckungsgrad von beliebigen zwei
benachbarten Lagen dieser Anordnung dargestellt, wenn der Abstand "a" in
Figur 2A geringer ist als die größte Achse des Garnquerschnitts. Mit
einer Trennung der Garne können sich Öffnungen "X" zwischen
benachbarten Garnen bilden. Wenn sich der Garnkörper aufbaut, wird durch
Hinzufügen einer dritten Lage entweder über oder unter diesen zwei
Lagen das direkte Hindurchströmen durch diese Öffnungen, die hier
mit starken Linien umrandet und in Figur 2C mit "Y" gekennzeichnet
sind, verhindert oder behindert. Ein Querschnitt durch diese
Konstruktion längs der Linie V - V, nachdem weitere Lagen hinzugefügt
sind, ist in Figur 3 zu sehen.
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Figur 3 zeigt eine vereinfachte Zeichnung der in der Wand des
Garnkörpers vorhandenen Volumenelemente. Auf Grund der in den
Figuren
1 und 2 dargestellten Strukturmerkmale liegen die Garnelemente,
wie zu sehen ist, in einem solchen Verhältnis zueinander, daß kein
eindeutiger Strömungsweg in radialer Richtung (R in dieser Figur)
durch den Garnkörper bleibt. Anstatt daß Ströme des Fluids "Z"
durch die Wand des Garnkörpers strömen, können diese in
verschiedener Weise an jedem der Räume in der Wand geteilt oder gemischt
werden, wobei alle Strömungswege relativ gleich leicht durchflossen
werden können. Durch ein solches Strömungsbild entsteht eine hohe
Turbulenz, die ungewöhnlich gut geeignet ist zum Kontakt der
Fluidstrome mit katalytisch wirkenden Flächen.
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Es ist wichtig, daß die Garne von jeder aufeinanderfolgenden
Lage von diamantförmigen Mustern in einer solchen Weise abgelegt
werden, daß sie nach der Beschichtung und der Umwandlung in einen
Filter oder Abscheider für disperse Stoffe die Wände jeder Lage die
diamantförmigen Öffnungen jeder benachbarten Lage abdecken und
dennoch Öffnungen lassen, die so groß sind, daß sie den unbehinderten
Strom von Gasen ermöglichen.
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Wird ein Abscheider für disperse Stoffe gebildet, um die in
den Abgasschwaden von Verbrennungsmotoren enthaltenen
Verschmutzungen zu verringern, sind die hierin verwendeten Fasern Keramikfasern
und so feuerfest, daß die daraus hergestellte Garne bei
Temperaturen unter etwa 750 ºC, vorzugsweise unter 1000 ºC, nicht schlaff
oder weich werden.
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Solche geigneten Fasern sind bestimmte Glasfasern, wie zum
Beispiel aus S-Glas (Glas mit hoher Zugfestigkeit, das etwa
24 - 26 % Al&sub2;O&sub3; enthält), "Fiber Fax" und polykristalline Fasern aus
feuerfestem Oxid, die mehr als etwa 20 Gew.-% Al&sub2;O&sub3; enthalten, wie
zum Beispiel die in U.S. 3,503,765 offenbarten
Aluminiumoxid-Siliciumdioxid-Fasern, und bestimmte von den in U.S. 3,808,015 und in
U.S. 3,853,688 offenbarten Fasern mit hohem Gehalt an
Aluminiumoxid. Die Fasern enthalten vorzugsweise mindestens 70 Gew.-% Al&sub2;O&sub3;.
Am meisten bevorzugt bestehen die Fasern im wesentlichen aus
Aluminiumoxid. Die Keramikfasern weisen im allgemeinen Durchmesser im
Bereich von 0,2 bis 2,0 mils (0,5 - 5 x 10&supmin;&sup5; M) auf.
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In dem Wickelprozeß gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine
Faser aus einem Vorprodukt eines feuerfesten Oxids verwendet
werden.
Diese Fasern aus einem Vorprodukt werden dann zur Beseitigung
von flüchtigen Substanzen, zum Umwandeln von Salzen zu Oxiden und
zum Kristallisieren der Fasern durch Brennen in Fasern aus einem
polykristallinen, feuerfesten Oxid umgewandelt. Die Herstellung von
Fasern aus feuerfestem Oxid und von deren Vorprodukten ist
offenbart in U.S. 3,808,015 und U.S. 3,853,688.
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Die Fasern behalten in dern fertigen Garnkörper ihre diskrete
faserige Form bei und werden in Form von Garnen verwendet, die
vorzugsweise 10 bis 2 000 oder mehr Endlosfasern enthalten. Garne aus
Stapelfasern, insbesondere aus Glas, können verwendet werden. Die
Garne können mit normalen Verfahren nicht ohne weiteres aus
Stapelfasern eines feuerfesten Oxids hergestellt werden, jedoch können
Verbundgarne verwendet werden, die kurze Fasern und ein Bindemittel
oder eine Matrix enthalten.
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Ein nicht poröses keramisches Bindemittel, falls verwendet,
dient (1) als Verarbeitungshilfe, um die Garne in dern
Garnwickelkörperkörper so festzuhalten, daß das Matrixmaterial aufgebracht werden
kann, und/ oder um (2) diesen eine zusätzliche Festigkeit und
Verschleißfestigkeit in dern Endprodukt zu verleihen. Die Bindemittel
müssen eine Viskosität bei Brenntemperaturen aufweisen, die so
niedrig ist, daß diese zumindest teilweise um die Keramikfasern
herumfließen, die jedoch so hoch sein muß, daß sie nicht aus der
Garnkonstruktion herausfließen.
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Bindemittel aus Glas oder kristalline keramische Binder, die
bei Temperaturen von mindestens 50 ºC unter der
Erschlaffungstemperatur des Garns aus Keramikfasern weich werden oder sintern, können
in Form von Fritten verwendet werden, oder mehr bevorzugt können
die Bindemittel in Form einer Faser oder eines Garns vorhanden
sein. Der Einsatz eines Bindemittels in Form von Garn oder Fasern
führt zu einer gleichmäßigen Verteilung des Bindemittels in der
gesamten Konstruktion und vereinfacht dessen Aufbringung, denn wenn
ein Bindemittel in Form von Fasern verwendet wird, kann es vor dem
Aufwickeln auf Spulen mit der Keramikfaser verbunden werden, aus
der der Garnwickelkörper besteht. Siliciumdioxidhaltige Glasfasern
fur diesen Zweck enthalten im allgemeinen 40 bis 80 Gew.-% SiO&sub2;, und
die bevorzugten siliciumdioxidhaltigen Glasfasern enthalten
mindestens
20 Gew.-% Al&sub2;O&sub3;. Mehr bevorzugt enthalten die Glasfasern
Al&sub2;O&sub3; und MgO in einer Gesamtmenge von 25 bis 40 Gew.-%.
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Die auf den mit der vorliegenden Erfindung hergestellten
Garnwickelkörper aufgebrachte Matrix aus feuerfestem Oxid ist im
allgemeinen eine poröse Substanz mit einer Porosität von etwa 20 bis
70 %. Die Matrix umgibt zumindest teilweise die Keramikfasern und
ein etwaig vorhandenes keramisches Bindemittel. Durch die Matrix
erhält die Faserkonfiguration im allgemeinen einen bestimmten
Zusammenhalt, so daß dem Garnwickelkörper ein hinreichendes Maß an
Festigkeit verliehen wird. Durch die Matrix wird auch ein sehr
hoher Grad an Wärmeschockbeständigkeit erzielt, da die poröse Matrix
keine hohen, durch Wärme eingebrachten mechanischen Spannungen auf
die Fasern übertragen kann. Die Matrix muß so feuerfest sein, daß
sie die vorgesehene Gebrauchstemperatur des Garnwickelkörpers
aushält. Somit sollte die Matrix einen Erweichungspunkt über etwa
1000 ºC, vorzugsweise über etwa 1400 ºC und von nicht weniger als
2000ºC aufweisen.
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Die Matrix wird in Form einer Beschichtungszusammensetzung,
die dann gebrannt wird, auf die gebundenen oder nicht gebundenen
Fasern aufgebracht. In der Beschichtungszusammensetzung für die
Matrix können zwar neben dem Verlust an flüchtigen Substanzen beim
Brennen einige chemische Veränderungen auftreten, der fertige
Garnwickelkörper ist jedoch eine mechanisch gebundene
Verbundkonstruktion, die an den Grenzflächen von Garn, Bindemittel und
Matrix im wesentlichen frei von chemischen Bindungskräften ist.
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Die Beschichtungszusammensetzung, aus der die feuerfeste Ma-
Matrix geschaffen werden kann, ist im allgemeinen eine wäßrige
Lösung, Suspension, Dispersion, Aufschlämmung, Emulsion oder
dergleichen, die Teilchen von einem oder von mehreren Oxiden oder von
Oxidgemischen, von einem Vorprodukt eines solchen Oxids oder von
einem Oxidgemisch oder von beiden enthält. Die Oxide oder
Oxidgemische (z.B. Mullit, Spinell) haben Schmelzpunkte von mindestens
1000 ºC, vorzugsweise von mindestens 1 600 ºC und von nicht
weniger als 2 800ºC oder darüber.
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Beispiele für geeignete Vorprodukte von feuerfesten Oxiden,
die für die Beschichtungszusammensetzungen verwendet werden können,
sind Aluminiumoxidhydrat, basisches Aluminiumchloracetat,
Aluminiumchlorid und Magnesiumacetat. Beschichtungszusammensetzungen, in
denen diese Materialien enthalten sind, werden an Ort und Stelle
durch Brennen zu einem hitzebeständigen Oxid oder einem Gemisch
von Oxiden umgewandelt.
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Vorzugsweise bestehen 60 bis 90 Gew.-% der Matrix aus
feuerfestern Oxid aus Teilchen der Oxide (oder der Gemische von Oxiden) in
der Beschichtungszusammensetzung, und 10 bis 40 Gew.-% bestehen aus
Teilchen eines Vorprodukts von feuerfestem Oxid. Die Teilchen
sollten weniger als 20 Mikrometer (und mehr bevorzugt weniger als 2
Mikrometer) im Durchmesser sein, um das Eindringen in Hohlräume
zwischen den Fasern zu erleichtern.
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Die Beschichtung muß so zusammengesetzt sein, daß es beim
Erhitzen und bei Gebrauchstemperaturen zu keiner Verschmelzung mit
dern Bindemittel kommt.
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Im allgemeinen kann die Beschichtungszusammensetzung unter
Beachtung der obigen Erfordernisse aus bekannten keramischen oder
feuerfesten Zusammensetzungen ausgewählt werden. Vorzugsweise
sollte mit der Beschichtungszusammensetzung eine Matrix aus
feuerfestern Oxid entstehen, die mindestens 40 Gew.-% Aluminiumoxid
enthält, wobei die anderen Oxide aus denen der Metalle der Gruppe
IIA und der Gruppe IVB des Periodensystems ausgewählt werden, wie
zum Beispiel aus BaO, CaO, MgO, ZrO&sub2; und TiO&sub2;.
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Die Beschichtungszusammensetzung ist vorzugsweise gleichmäßig
um die Fasern des Garns herum verteilt. Die Verteilung erfolgt auf
Grund der Viskosität der Beschichtungszusammensetzung, des
Aufbringungsverfahrens, der Dichte (oder Dichtheit) des Garnbündels,
der Beschaffenheit des Garns und der Menge der
Beschichtungszusammensetzung. Die Zusammensetzung sollte eine Viskosität besitzen,
die so niedrig ist, daß sie fließt und etwas in die Hohlräume in
dem Garn eindringt, jedoch so hoch, daß sie leichter an dern
Garnbündel haftet.
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Wenn das Garn keine Fasern eines Vorprodukts aus feuerfestem
Oxid enthält, wird die Beschichtungszusammensetzung vorzugsweise in
einer Menge, die als Matrix aus feuerfestem Oxid von 20 bis 50
Gew.-% der Endkonstruktion berechnet wird, auf das Garn
aufgebracht,
bevor das Garn zur Herstellung des Garnwickelkörpers
gewickelt wird, so daß die Beschichtung gleichmäßig verteilt wird.
Die Beschichtungszusammensetzungen, die in herkömmlicher Weise
wäßrige Dispersionen oder Lösungen sind, können in verschiedener
Weise auf das Garn aufgebracht werden, wie zum Beispiel durch
Eintauchen des Garns in ein Bad, Benutzung einer Appreturwalze,
Aufsprühen usw. Bei Bedarf kann die gesamte
Beschichtungszusammensetzung oder ein Teil davon nach der Herstellung des
Garnwickelkörperkörpers aufgebracht werden.
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Das Brennen in jedem Stadium des Verfahrens wird je nach der
Funktion in diesem Stadium festgelegt.
1. Umwandlung der Fasern des Vorprodukts
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Wenn ein Garn aus Fasern eines Vorprodukts von feuerfestem
Oxid dazu dient, den gesamten Garnwickelkörper oder einen Teil
davon herzustellen, erfordert ein solches Garn eine relativ niedrige
Brenntemperatur (z. B. 350 ºC bis 800 ºC), damit die meisten
flüchtigen Substanzen entweichen und eine Festigkeit hergestellt
wird. Bei einer hohen Brenntemperatur (z. B. von 1300 ºC bis
1500ºC) verfestigt sich die Faser und erhält sie eine höhere Fe
stigkeit. Das kann stufenweise oder durch ein einziges
kontinuierliches, langsames Brennen erreicht werden.
2. Herstellung von Bindungen durch das Bindemittel
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Wenn ein Bindemittel in Form einer Faser mit der
Keramikfaser gefacht wird, aus der der Garnwickelkörper besteht, kann das
Verbundgarn bei einer Temperatur gebrannt werden, die relativ nahe
an dern Erweichungs- oder Sinterpunkt der Bindemittelfasern liegt,
um eine Teilströmung oder eine Sinterung zu erreichen, oder bei
einer höheren Temperatur, damit die Strömung vollständiger wird.
Zum Beispiel können Garnwickelkörper aus S-Glas-Bindemittelfasern
und Aluminiumkeramikfasern bei etwa 1000 ºC oder 1540 ºC gebrannt
werden, um die teilweise geschmolzene Bindung bzw. die vollständig
geschmolzene Bindung herzustellen. Die Beschaffenheit der
Glasfaserbindungen hängt ab von der Art des Glases und den angewandten
Brenntemperaturen. Es ist charakteristisch für gesponnene Fasern
aus einem Vorprodukt eines feuerfesten Oxids, daß sie linear um 15
bis 25 % schrumpfen, wenn sie auf etwa 550 ºC erhitzt werden.
Glasfasern zeigen bei dieser Temperatur im allgemeinen keine
Schrumpfung, so daß ein Brennen bis unter den Schmelzpunkt des
Glases eine Schrumpfung des Vorproduktes bewirkt und zu einer "stark
glashaltigen" Oberfläche führt, die die Abriebfestigkeit verbessern
kann.
3. Umwandlung einer Beschichtungszusammensetzung in eine
Matrix aus feuerfestem Oxid
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Der die Beschichtungszusammensetzung enthaltende
Garnwikkelkörper wird getrocknet und dann gebrannt, so daß die
Zusammensetzung erstarrt und die Matrix bildet. Für typische
Beschichtungszusammensetzungen sind Temperaturen von 350 ºC bis 900 ºC
erforderlich, damit die meisten flüchtigen Substanzen entweichen und in der
Matrix Kristallinität und Festigkeit entstehen. Bei diesen
Temperaturen werden die Vorprodukte in den Beschichtungszusammensetzungen
zu den entsprechenden Oxiden umgewandelt (z. B. zu Aluminiumoxid).
Unter bestimmten Umständen, z. B. bei einem höheren Grad des
Vorproduktes in der Beschichtungszusammensetzung) können durch das
Brennen infolge der Schrumpfung kleine Risse in der
Beschichtungszusammensetzung entstehen. Diese lassen sich "kurieren", indem die
Beschichtungszusammensetzung noch einmal oder mehrmals zusätzlich
auf den Garnwickelkörper aufgebracht wird, wobei zwischen den
Schichten getrocknet und gebrannt wird. Durch solche zusätzlich
aufgebrachte Schichten erhöht sich die Beständigkeit des
Garnwikkelkörpers gegen das Schlaffwerden oder die Verformung während des
Brennens bei hohen Temperaturen, insbesondere dann, wenn ohne
Träger in der vertikalen Position erhitzt wird.
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Es kann wünscnenswert sein, den Garnwickelkörper bei über
900 ºC zu brennen, um die Festigkeit und die Kristallinität der
Matrix aus feuerfestem Oxid weiter zu erhöhen. Die
Maximaltemperatur sollte weniger als 1200 ºC betragen, wenn der Garnwickelkörper
mehr als 15 Gew.-% Siliciumdioxid entweder als Fasern oder als
Matrix enthält, weil das Siliciumdioxid bei 1200 ºC beginnen kann, zu
Cristobalit zu kristallisieren. Zuviel Cristobalit ist unerwünscht,
da Cristobalit bei 200 ºC bis 270 ºC eine Volumenänderung erfährt,
die zu einer schlechten Wärmeschockbeständigkeit beiträgt. Die
fertigen Artikel sollten nicht mehr als 15 Gew.-% Cristobalit und
vorzugsweise
weniger als 5 Gew.-% enthalten. Wahlweise kann eine
weitere Beschichtungszusammensetzung auf den bei hoher Temperatur
gebrannten, beschichteten Garnwickelkörper in einer Menge aufgebracht
werden, so ausreicht, um eine Matrix aus feuerfestem Oxid
herzustellen, die nach dern Erhitzen auf 900 ºC 5 bis 25 Gew.-% des
schließlichen Garnwickelkörpers ausmacht. Solche Endprodukte sind
gute Substrate für Katalysatoren.
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Bei einem bevorzugten Garn kommen siliciumdioxidhaltige
Glasfasern zum Einsatz, die 61 - 66 Gew.-% SiO&sub2;, 24 - 26 Gew.-% Al&sub2;O&sub3;
und 9 - 15 Gew.-% MgO enthalten. Auf das Garn wird eine
Beschichtungszusammensetzung, die im wesentlichen aus Aluminiumoxid und
einem Vorprodukt von Aluminiumoxid besteht, in einer Menge
aufgebracht, die ausreicht, um eine Matrix aus feuerfestem Oxid zu
schaffen, die 27 bis 34 Gew.-% des fertigen Garnwickelkörpers
ausmacht, bevor das Garn so gewickelt wird, daß der Garnwickelkörper
entsteht. Der Garnwickelkörper wird bei etwa 150 ºC getrocknet, bei
etwa 600 ºC gebrannt, etwa 45 Minuten lang auf dieser Temperatur
gehalten, und abgekühlt. Es wird eine weitere
Beschichtungszusammensetzung aus Aluminiumoxid in einer Menge aufgebracht, so daß
eine Matrix aus feuerfestern Oxid entsteht, die 9 - 12 Gew.-% des
fertigen Garnwickelkörpers ausmacht, und der Garnwickelkörper wird
bei 150 ºC getrocknet und dann über einen Zeitraum von 2,5 bis 8
Stunden auf 900 ºC bis 1150 ºC hochgebrannt, 1/4 bis 24 Stunden
lang auf der Maximaltemperatur gehalten, und abgekühlt.
Vorzugsweise wird die gesamte Beschichtungszusammensetzung aufgebracht, bevor
der Garnkörper gewickelt wird, damit einer fertiger
Garnwickelkörperkörper entsteht, der 36 bis 46 Gew.-% einer Matrix ausfeuerfestem Oxid
enthält.
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Die Garnwickelkörper gemäß der Erfindung eignen sich als
Hochtemperaturabscheider für disperse Stoffe aus Abgasen, bei denen das
Gas von der Seite aus durch die porösen Wände des fertigen
Garnwikkelkörpers strömt und mit einer großen Oberfläche des
Garnwickelkörpers in Kontakt kommt. Eine weitere bevorzugte
Erzeugniskategorie, die durch eine gute Abriebfestigkeit gekennzeichnet ist,
enthält 15 bis 40 Gew.-% geschmolzenes Glas als Bindemittel aus
Keramikfaser und 15 bis 60 Gew.-% Katalysator aus hitzebeständigem
Oxid.