DE69831749T2

DE69831749T2 - Verbundmatte

Info

Publication number: DE69831749T2
Application number: DE69831749T
Authority: DE
Inventors: John Spital DINWOODIE; Samuel Stuart Crewe BOFFEY; John David Middlesbrough HORTON; Elizabeth Kathleen Northwich WADE; Walter Stoepler
Original assignee: ECIA Equipements et Composants pour lIndustrie Automobile SA; Saffil Ltd
Current assignee: ECIA Equipements et Composants pour lIndustrie Automobile SA; Saffil Ltd
Priority date: 1997-11-03
Filing date: 1998-10-28
Publication date: 2006-07-06
Anticipated expiration: 2018-10-29
Also published as: WO1999023370A1; ZA989989B; ES2253830T3; EP1029163A1; AU9636798A; EP1029163B1; JP2001521847A; GB9723111D0; DE69831749D1; ATE305565T1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbundmatte, umfassend eine Schicht anorganischer Fasern, welche mit einem Bindemittel aneinander gebunden sind. Spezieller betrifft die vorliegende Erfindung eine laminierte Verbundmatte, welche zum elastischen Einbau der fragilen keramischen oder metallischen Monolithen, die in Kfz-Katalysatoren, Schalldämpfern/Geräuschdämpfern und Diesel-Rußfiltern gefunden werden, in ihre Metallgehäuse verwendet werden kann. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer laminierten Verbundmatte.
Katalysatoren und Diesel-Rußfilter werden routinemäßig in Automobile und andere Straßenfahrzeuge eingebaut, um die von der Maschine erzeugten Abgase zu reinigen. Diese Vorrichtungen umfassen gewöhnlich einen keramischen Wabenmonolithen, der sich innerhalb eines Metallgehäuses befindet und einen Träger für den Katalysator bereitstellt. Der keramische Monolith umfasst eine Vielzahl winziger Strömungskanäle und ist eine fragile Struktur, welche schadensanfällig ist, wenn sie der Art von Vibrationskräften ausgesetzt wird, die beim Betrieb eines Straßenfahrzeugs auftreten. Darüber hinaus werden der Monolith und das umgebende Metallgehäuse bei der Verwendung extrem hohen Temperaturen ausgesetzt, welche deren Expansion veranlassen, jedoch nicht in demselben Ausmaß. Als Konsequenz muss das Einbausystem, welches zum Einbau des keramischen Monolithen in sein Metallgehäuse verwendet wird, den Monolithen von den begleitenden Vibrationskräften isolieren und etwaige Unterschiede zwischen der Expansion des Monolithen und dem Gehäuse kompensieren. Auf diese Weise können die Belastungen, denen der Monolith während der Verwendung als Folge einer unterschiedlichen Expansion oder von Vibrationskräften ausgesetzt ist, auf ein annehmbares Niveau reduziert werden.
Es ist bekannt, eine Verbundfasermatte zum Einbau des fragilen keramischen Monolithen in das umgebende Metallgehäuse zu verwenden, siehe beispielsweise US-4,011,651 und WO-94/24425. Die Fasermatte ist in dem ringförmigen Raum zwischen dem Monolithen und dem umgebenden Metallgehäuse angeordnet und wird in dem ringförmigen Raum unter Kompression gehalten, um so einen radialen Druck auf den Monolithen und das Gehäuse auszuüben, welcher den Monolithen an Ort und Stelle hält.
Wie in den zuvor genannten Referenzen offenbart, kann die Verbundfasermatte aus anorganischen Fasern und einem organischen Bindemittel bestehen, welches bei den hohen Temperaturen, denen die Matte bei der Verwendung ausgesetzt sein wird, im Wesentlichen pyrolysiert bzw. verbrannt werden wird. Eine solche Verbundmatte wird hier im Folgenden als eine organische Bindermatte (OBM) bezeichnet werden.
Ein Test für die Eignung einer Verbundmatte zum Einbau von Katalysatoren besteht darin, dass sie in der Lage sein sollte, um einen Stab kleinen Durchmessers ohne Splittern an der äußeren Oberfläche und in einer Richtung parallel zur Achse des Stabs gewickelt zu werden. Ein solches Splittern kann zu losen Fasern führen, die von der Matte abgelöst werden.
Eine Aufgabe dieser Erfindung ist die Bereitstellung einer Verbundmatte, welche diesen Test bestehen kann.
Gemäß einem Aspekt dieser Erfindung wird eine Verbundmatte bereitgestellt, umfassend eine Schicht anorganischer Fasern und ein Bindemittel, welches zur Bindung der Fasern aneinander dient, und einen flexiblen Bogen, wobei der flexible Bogen an mindestens einer Seite der Schicht der anorganischen Fasern haftet und so ausgewählt ist, dass die Fasern gebunden sind und nicht absplittern, um lose Fasern freizusetzen, wenn die Matte gebogen wird, wobei der Bogen einen Koeffizienten statischer und kinetischer Reibung aufweist, gemessen zwischen der Oberfläche der Matte und der Oberfläche des Gehäuses, in das die Matte eingebaut werden soll, welcher weniger als 0,5 bzw. 0,4 beträgt, und Seidenpapier umfasst, welches ein Flächengewicht von 5 g/m² bis 50 g/m² aufweist und um mindestens 10% seiner ursprünglichen Länge gedehnt werden kann.
Der flexible Bogen sollte so dünn wie möglich sein, d.h. weniger als 0,5 mm und vorzugsweise in der Größenordnung von 0,1 mm.
Seidenpapier ist besonders geeignet, da für das Bindemittel porös und in der Lage ist, einen integralen Teil der Matte zu bilden.
Besonders geeignet ist ein Einzelbogen von Seidenpapier.
Es ist vorteilhaft, wenn der flexible Bogen einen gewissen Grad der Kräuselung aufweist.
Somit ist Seidenpapier, welches in der Lage ist, um mindestens 10% und vorzugsweise 22% oder mehr seiner ursprünglichen Länge gedehnt zu werden, besonders geeignet.
Eine geeignete Beschichtung kann aus irgendeinem filmbildenden polymeren Material gebildet werden, welches zu einer flexiblen Haut führt, welche die obersten Fasern inkorporiert.
Beispielsweise ist ein Latexgummi mit einer höheren Glasübergangstemperatur (T_g) als das Bindermaterial geeignet. Der Latex kann ein Verdickungsmittel enthalten, um die Beschränkung des Latex auf die Oberfläche der Faserschicht zu unterstützen.
Das Metallgehäuse, in welches der Katalysator-Monolith eingebaut wird, kann vom Muschelschalentyp sein, der aus zwei Hälften besteht, welche zusammengeschweißt werden nachdem der Monolith und die Matte installiert sind. Das Splittern der Matte ist bei diesem Gehäusetyp von besonderer Bedeutung, da etwaige lose Fasern im Schweißgebiet aufgrund der Anwesenheit der Faser selbst oder der Dampfprodukte des Bindemittels, welche durch die Schweißhitze ausgetrieben werden, zu porösen Schweißnähten führen können.
Alternativ kann das Gehäuse eine röhrenförmige oder einheitliche Struktur sein, in welchem Fall die Matte um den Monolithen gewickelt wird, der dann in das Gehäuse geschoben wird. In beiden Fällen sind die Reibungseigenschaften der Oberfläche der Matte, die in Kontakt mit dem Gehäuse kommen soll, von Bedeutung, jedoch besonders im letzteren Fall.
Somit besteht auch eine Aufgabe der Erfindung darin, die Oberfläche der Verbundmatte mit so niedrigen Koeffizienten von statischer und kinetischer Reibung wie möglich auszustatten.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Merkmal der Erfindung ist der flexible Bogen mit einem reibungsverringernden Material versehen.
Das reibungsverringernde Material kann ein festes Gleitmittel, wie z.B. eines mit einer Schichtstruktur, sein und als loser Festkörper oder in Form eines Verbundbogens zugegeben werden.
Geeignete Materialien sind beispielsweise Mineralien wie Talkum oder Vermikulit oder Graphit oder Molybdänit.
Das Material kann in einer Menge von 0,1 g/m² bis 1 g/m² eingesetzt werden.
Andere Mittel zur Erzielung der gewünschten Reibungseigenschaften sind möglich, wie z.B. Sprühbeschichtung der Oberfläche der Faserschicht oder des flexiblen Bogens mit PTFE, flüssigen Gleitmitteln oder Wachsen oder Aufbringung von PTFE-Band.
Die anorganischen Fasern, die in der Verbundmatte der Erfindung enthalten sind, können irgendwelche der im Stand der Technik bekannten anorganischen Fasern sein. Jedoch müssen, wenn die Verbundmatte in Katalysatoren und Diesel-Rußfiltern zum elastischen Einbau der keramischen oder metallischen Monolithen, die sie enthalten, verwendet werden soll, die Fasern bei den hohen Betriebstemperaturen, die in solchen Vorrichtungen herrschen, thermisch stabil sein (d.h. nicht abgebaut werden). Typischerweise werden die Fasern, welche in Verbundmatten, die bei solchen Einbauanwendungen verwendet werden sollen, enthalten sind, bei Temperaturen von mehr als 700°C, vorzugsweise von mehr als 800°C und bevorzugter von mehr als 900°C, thermisch stabil sein.
Die bevorzugten thermisch stabilen anorganischen Fasern umfassen keramische Fasern wie Aluminiumoxid-, Mullit-, Aluminosilicat-, Aluminoborsilicat-, Zirkondioxid-, Titandioxid- und Siliciumdioxidfasern. Von diesen sind Aluminiumoxidfasern, welcher Begriff auch Aluminiumoxidfasern einschließen soll, die einige wenige Gewichtsprozent Siliciumdioxid als Phasenstabilisator zugesetzt enthalten, besonders bevorzugt. Die Fasern sind vorzugsweise kurze Stapelfasern mit einer Länge im Bereich von 1 bis 10 cm und einem mittleren Durchmesser im Bereich von 1 bis 10 Mikron. Besonders bevorzugte Aluminiumoxidfasern sind diejenigen, welche in Form einer locker gebundenen Matte niedriger Dichte von Imperial Chemical Industries PLC unter der Handelsbezeichnung Saffil vertrieben werden, welche bei Temperaturen von mehr als 1000°C stabil sind.
Die Schicht kann zwei oder mehr verschiedene Typen anorganischer Fasern umfassen, welche innig gemischt oder getrennt und in definierten Mustern, beispielsweise diskreten Schichten, angeordnet sein können. Eine der Schichten kann ein Verbundmaterial umfassen, das Vermikulit-Platten oder andere ähnliche Mineralien, welche Intumeszenzeigenschaften verleihen, inkorporiert.
Wenn eine Verbundmatte der Erfindung zum Einbau eines keramischen oder metallischen Monolithen in einem Katalysator oder in einem Diesel-Rußfilter verwendet wird, ist das in der zweiten Schicht enthaltene Bindemittel vorzugsweise ein organisches Bindemittel, welches bei den hohen Temperaturen, denen die Matte bei der Verwendung ausgesetzt sein wird, im Wesentlichen pyrolysiert/verbrannt werden wird. Darüber hinaus ist das organische Bindemittel vorzugsweise eines, welches nicht zur Erzeugung toxischer Emissionen führt, wenn es pyrolysiert/verbrannt wird, und ist aus diesem Grund vorzugsweise frei von Chlor und Stickstoff.
Die Beladung des Bindemittels in der Schicht wird typischerweise im Bereich von 2 bis 15 Gew.-% und vorzugsweise im Bereich von 5 bis 15 Gew.-% liegen.
Wenn eine Verbundmatte der Erfindung zum Einbau eines keramischen oder metallischen Monolithen verwendet werden soll, werden die anorganischen Fasern im Allgemeinen von dem Bindemittel in einem zusammengepressten Zustand gehalten werden, so dass sie einen Druck ausüben können, welcher zwischen dem Monolithen und dem umgebenden Gehäuse wirkt, nachdem das Bindemittel entfernt ist. Typischerweise wird die Schicht eine Dichte im Bereich von 30 bis 700 kg/m³, vorzugsweise im Bereich von 100 bis 500 kg/m³ und bevorzugter im Bereich von 100 bis 350 kg/m³, aufweisen.
Das Bindemittel der Verbundmatte der vorliegenden Erfindung ist im Wesentlichen gleichmäßig in der Schicht verteilt. Vorzugsweise liegt die Verteilung des Bindemittels in der Schicht, bezogen auf das Gesamtgewicht der Schicht in dieser Region, innerhalb von 40%, bevorzugter innerhalb von 30% und besonders bevorzugt innerhalb von 20%, des gesamten Prozentsatzes an Bindemittel nach Gewicht in der Schicht, bezogen auf das Gesamtgewicht der Schicht. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Verteilung des Bindemittels in der zweiten Schicht so, dass der Gewichtsprozentsatz an Bindemittel in jedem Bereich von 1 mm³ der Schicht, bezogen auf das Gesamtgewicht der Schicht in diesem Bereich, innerhalb von 10% des Gesamtgewichtsprozentsatzes an Bindemittel in der Schicht, bezogen auf das Gesamtgewicht der Schicht, liegt.
In der Verbundmatte der vorliegenden Erfindung hat die Schicht eine laminare Scherfestigkeit, welche die Kraft bedeutet, die aufgebracht werden muss, um eine Delaminierung der Schicht herbeizuführen, von mindestens 0,1 MPa, vorzugsweise von mindestens 0,2 MPa und bevorzugter von mindestens 0,3 MPa. Die laminare Scherfestigkeit kann bequem mit einer Instron-Vorrichtung oder einer ähnlichen Vorrichtung unter Anwendung eines Dreipunkt-Biegetests gemessen werden. Vorzugsweise ist die Schicht auch in der Lage, einen Druck von mindestens 1,0 kgf/cm², bevorzugter im Bereich von 1,5 bis 4,0 kgf/cm², auszuüben, wenn eine Probe der Schicht mit einer Dicke im Bereich von 5 bis 10 mm auf eine Dicke von 3 mm zwischen zwei Platten zusammengepresst und das Bindemittel entfernt wird.
Die Schicht wird günstigerweise gebildet durch Imprägnieren einer Fasermasse, umfassend die anorganischen Fasern, mit einem flüssigen Bindersystem, umfassend das Bindemittel oder einen Vorläufer davon und eine Trägerflüssigkeit. Nachdem die Fasermasse mit dem flüssigen Bindersystem imprägniert wurde und gewöhnlich nach der Entfernung etwaiger überschüssiger Trägerflüssigkeit wird die imprägnierte Fasermasse einem Trocknungsschritt unterworfen. Die imprägnierte Fasermasse wird vorzugsweise unter Kompression während mindestens eines Teils des Trocknungsschritts bis zu einem Zeitpunkt gehalten, zu dem das Bindemittel in der Lage ist, die Fasern zusammenzuhalten und die Expansion der Faserschicht erheblich einzuschränken, sobald die Kompressionskräfte aufgehoben werden. Im Allgemeinen wird der gesamte Trocknungsschritt durchgeführt werden, während die imprägnierte Fasermasse unter Kompression gehalten wird, es kann jedoch auch möglich sein, nur die letzten Stadien des Trocknungsschritts auf diese Weise durchzuführen und immer noch zufriedenstellende Resultate zu erhalten. Während des Trocknungsschritts wird im Wesentlichen die gesamte und vorzugsweise die gesamte restliche Trägerflüssigkeit entfernt werden. Die Entfernung überschüssiger Trägerflüssigkeit vor dem Trocknen kann erreicht werden durch Pressen der imprägnierten Fasermasse zwischen Walzen oder Platten, durch Platzieren unter Vakuum oder durch Zentrifugation.
Der Druck, welcher gewöhnlich während des Trocknungsschritts zur Komprimierung der imprägnierten Fasermasse ausgeübt wird, wird gewöhnlich im Bereich von 5 bis 500 kPa, vorzugsweise im Bereich von 5 bis 200 kPa, liegen. Im Allgemeinen ist der ausgeübte Druck derart, dass eine gebundene Faserschicht mit einer Dichte im Bereich von 30 bis 700 kg/m³, vorzugsweise im Bereich von 100 bis 500 kg/m³, bevorzugter im Bereich von 100 bis 350 kg/m³, erzeugt wird. Wenn die imprägnierte Fasermasse ein Multifaser-Produkt ist, mit einer Dicke im Bereich von 10 bis 60 mm, z.B. im Bereich von 30 bis 50 mm, und einer Flächendichte im Bereich von 0,2 bis 2,0 kg/m², z.B. im Bereich von 1,0 bis 2,0 kg/m², wird die resultierende imprägnierte Fasermasse im Allgemeinen auf eine Dicke im Bereich von 2 bis 5 mm während des Trocknungsschritts komprimiert werden. Dieser Druck wird günstigerweise in einem diskontinuierlichen Verfahren ausgeübt, indem die imprägnierte Fasermasse oder ein Laminat der imprägnierten Fasermasse und eines vorgebildeten intumeszierenden Bogens zwischen Platten als "Sandwich" gelegt wird und dann die Platten zusammengepresst werden, beispielsweise mittels Klammern, Federclips oder hydraulischen Pressen. Alternativ kann es in einem kontinuierlichen Verfahren günstig sein, die nötigen Kompressionskräfte auf der imprägnierten Fasermasse unter Verwendung einer Anordnung von Walzen oder Bändern zu erzeugen.
Die imprägnierte Fasermasse kann eine Vielzahl diskreter Fasern umfassen oder kann die Form eines Multifaser-Produkts haben, in dem die individuellen Fasern zu einer Matte niedriger Dichte angeordnet sind, welche lose von der Ineinanderverschlingung der Fasern zusammengehalten wird oder vielleicht robuster auf irgendeine andere Weise wie Weben, Stricken, Nähen, Nadeln oder Vakuumpackung verfestigt ist. Vorzugsweise ist die Fasermasse, welche imprägniert ist, ein Multifaser-Produkt, insbesondere eines mit einer Dicke im Be reich von 10 bis 60 mm, spezieller im Bereich von 30 bis 50 mm, und einer Flächendichte im Bereich von 0,2 bis 2,0 kg/m², spezieller im Bereich von 1,0 bis 2,0 kg/m².
Das flüssige Bindersystem kann ein anorganisches Bindermaterial umfassen, umfasst jedoch vorzugsweise ein organisches Bindemittel oder einen Vorläufer davon und eine organische oder wässerige Trägerflüssigkeit, welche in der Lage ist, das organische Bindemittel oder den Vorläufer zu lösen oder zu dispergieren. Geeignete Bindersysteme werden in US 4,011,651 und WO 94/124425 beschrieben und umfassen Dispersionen oder Lösungen von Polymeren oder härtbaren Vorläufer-Polymeren (Prepolymeren), welche in situ auf der imprägnierten Fasermasse als Teil des Trocknungsschritts oder in einem nachfolgenden Verarbeitungsschritt gehärtet werden können. Das organische Bindemittel oder dessen Vorläufer kann ein recyclingfähiges Material sein, welches die Wiedergewinnung von Fasern aus dem Abfallprodukt erlaubt, das bei der Herstellung der laminierten Verbundmatte der Erfindung erzeugt wird. Ein besonders geeignetes Bindersystem ist eines, das eine Dispersion, vorzugsweise eine wässerige Dispersion, einer härtbaren Polymerzusammensetzung, manchmal als Harz oder Latex bezeichnet, umfasst. Geeignete Beispiele härtbarer Polymerzusammensetzungen sind diejenigen, welche eine Kombination eines Acryl-Polymers und eines Vernetzungsmittels, insbesondere eines eine Epoxygruppe enthaltenden Vernetzungsmittels, wie z.B. eines Epoxyharzes, umfassen.
Härtbare Polymerzusammensetzungen dieses Typs werden typischerweise 90,0 bis 99,0 Gew.-%, vorzugsweise 95,0 bis 99,0 Gew.-%, des Acryl-Polymers und 1,0 bis 10,0 Gew.-%, vorzugsweise 1,0 bis 5,0 Gew.-%, des Vernetzungsmittels umfassen. Das Acryl-Polymer ist geeigneterweise ein Homopolymer oder Copolymer, das Monomer-Einheiten umfasst, die von mindestens einem Acryl-Monomer, ausgewählt aus den C_1-8Acryl (C_1-4alkyl)acrylaten, abgeleitet sind, und ist in einer bevorzugten Ausführungsform ein Homopolymer oder Copolymer, das Monomer-Einheiten umfasst, die von mindestens einem Acryl-Monomer abgeleitet sind, das aus den C_1-4Alkyl(meth)acrylaten ausgewählt ist, beispielsweise Methylmethacrylat, Methylacrylat, Ethylacrylat, Propylacrylat und Butylacrylat. Ein bevorzugtes Bindersystem ist eines, das eine wässerige Dispersion eines härtbaren Copolymers auf der Basis von n-Butylacrylat und Methacrylsäure umfasst.
Wenn das flüssige Bindersystem eines ist, welches eine härtbare Polymerzusammensetzung umfasst, kann es auch einen Katalysator zur Beschleunigung des Härtungsprozesses umfassen.
Aus dem Obigen wird ersichtlich sein, dass der Begriff flüssiges Bindersystem auch Bindersysteme einschließen soll, die Dispersionen oder Suspensionen fein verteilter Feststoffe in flüssigen Trägern umfassen.
Das flüssige Bindersystem wird typischerweise 0,5 bis 50,0 Gew.-% des Bindemittels oder Vorläufers und 50,0 bis 99,5 Gew.-% der Trägerflüssigkeit umfassen. Vorzugsweise wird das flüssige Bindersystem 0,5 bis 10,0 Gew.-%, bevorzugter 1,0 bis 5,0 Gew.-%, des Bindemittels oder Vorläufers und 90,0 bis 99,5 Gew.-%, bevorzugter 95,0 bis 99,0 Gew.-%, der Trägerflüssigkeit umfassen.
Der Trocknungsschritt umfasst normalerweise die Anwendung von Wärme. Ein herkömmlicher Ofen kann zur Bereitstellung der Heizung eingesetzt werden, jedoch kann eine dielektrische Heizung, wie z.B. eine Mikrowellen- oder Hochfrequenzheizung, vorzugsweise in Kombination mit einer herkömmlichen Heizvorrichtung, wie z.B. einem Strom heißer Luft, zu einer erheb lich gleichmäßigeren Verteilung des Bindemittels in der zweiten Faserschicht führen. Typischerweise wird der Trocknungsschritt das Erwärmen der imprägnierten Fasermasse auf eine Temperatur im Bereich von 80 bis 200°C, vorzugsweise im Bereich von 100 bis 170°C, beinhalten. Temperaturen im Bereich von 140 bis 160°C sind besonders bevorzugt.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt zur Herstellung einer Verbundmatte, umfassend eine Schicht anorganischer Fasern und ein Bindemittel, welches zur Bindung der anorganischen Fasern aneinander dient und zur Bindung der Schicht an einen flexiblen Bogen, umfassend Seidenpapier, welches ein Flächengewicht von 5 g/m² bis 50 g/m² aufweist und um mindestens 10% seiner ursprünglichen Länge gedehnt werden kann, welches Verfahren umfasst das Imprägnieren einer Fasermasse, umfassend die anorganischen Fasern, mit einem flüssigen Bindersystem, umfassend das Bindemittel oder einen Vorläufer davon und eine Trägerflüssigkeit, und Unterwerfen der imprägnierten Fasermasse, welche erhalten wird, einem Trocknungsschritt, während sie sich in Kontakt mit dem flexiblen Bogen befindet, um so die Trägerflüssigkeit mindestens im Wesentlichen zu entfernen, wobei die so gebildete Matte in ein Gehäuse einbaubar ist, und der Bogen einen Koeffizienten statischer und kinetischer Reibung aufweist, der weniger als 0,5 bzw. 0,4 beträgt.
In dem Verfahren dieses zweiten Aspekts beinhaltet der Trocknungsschritt normalerweise die Anwendung von Wärme. Ein herkömmlicher Ofen kann zur Bereitstellung der Heizung eingesetzt werden, jedoch wird in einer bevorzugten Ausführungsform eine dielektrische Heizung, wie z.B. Mikrowellen- oder Hochfrequenzheizung, vorzugsweise in Kombination mit einer herkömmlichen Heizvorrichtung, wie z.B. einem Strom heißer Luft, eingesetzt. Die typischen und bevorzugten Temperaturen, die in dem Trocknungsschritt eingesetzt werden, sind wie oben beschrieben.
In dem Verfahren dieses zweiten Aspekts kann eine Schicht anorganischer Fasern auf dem flexiblen Bogen abgeschieden und dann mit dem flüssigen Bindersystem imprägniert werden, während sie sich in Position auf dem Bogen befindet. Die Entfernung der Trägerflüssigkeit von der imprägnierten Faserschicht und die Härtung des Vorläufer-Bindemittels, wenn ein solches Material verwendet wird, wird eine laminierte Verbundmatte der Erfindung ergeben, in der die Schicht der anorganischen Fasern durch die Wirkung des zurückgelassenen Bindemittels zusammengebunden ist und auch an den flexiblen Bogen gebunden ist. Alternativ kann die Fasermasse zuerst mit dem flüssigen Bindersystem imprägniert und dann auf einer Seite des flexiblen Bogens abgeschieden werden, um eine Schicht zu bilden. Wie zuvor, wird die Entfernung der Trägerflüssigkeit von der imprägnierten Fasermasse und die Härtung des Vorläufer-Bindemittels, falls verwendet, eine laminierte Verbundmatte der Erfindung ergeben, jedoch kann mit dieser letzteren Technik ein Teil der Trägerflüssigkeit von der imprägnierten Fasermasse entfernt werden, bevor sie auf dem flexiblen Bogen abgeschieden wird.
Es kann auch vorteilhaft sein, den flexiblen Bogen mit dem flüssigen Bindersystem vor der Abscheidung der Fasermasse oder imprägnierten Fasermasse darauf zu beschichten, z.B. durch Besprühen des Bogens mit dem flüssigen Bindersystem oder durch Eintauchen des Bogens in einem Bad des flüssigen Bindersystems.
In diesem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann eine etwaige Entfernung überschüssiger Trägerflüssigkeit vor dem Trocknen entweder bevor oder wenn sich die imprägnierte Fa sermasse in Position auf dem flexiblen Bogen befindet, erreicht werden. Es kann auch wünschenswert sein, die imprägnierte Fasermasse einem Vortrocknungsschritt zu unterwerfen, in dem ein wesentlicher Anteil der Trägerflüssigkeit durch die Anwendung von Wärme entfernt wird, bevor sie in Position auf dem flexiblen Bogen gebracht wird. Der Trocknungsschritt selbst wird durchgeführt, während sich die imprägnierte Fasermasse in Position auf dem flexiblen Bogen befindet.
Verschiedene Techniken können zur Imprägnierung der Masse von anorganischen Fasern eingesetzt werden. Beispielsweise können die individuellen Fasern gründlich in dem flüssigen Bindersystem dispergiert werden und die resultierende Dispersion kann zu einer Schicht gegossen werden, beispielsweise unter Anwendung eines Papierstellungsprozesses, welcher die Verwendung eines Flockungsmittels für das Bindemittel beinhalten kann. Alternativ kann die Dispersion als Schicht auf einen flexiblen Bogen gegossen werden oder individuelle Fasern können als Schicht, z.B. auf einem flexiblen Bogen, abgeschieden werden und die resultierende Faserschicht kann mit dem flüssigen Bindersystem imprägniert werden.
Wenn die Masse der anorganischen Fasern die Form eines Multifaser-Produkts einnimmt, bei dem die individuellen Fasern zu einer Matte niedriger Dichte angeordnet sind, kann die Matte einfach in dem flüssigen Bindersystem eingetaucht oder getränkt werden. Alternativ kann die Fasermatte niedriger Dichte mit dem flüssigen Bindersystem besprüht werden. In dem Verfahren des zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung kann die Behandlung der Matte mit dem flüssigen Bindersystem entweder vor oder nachdem die Matte in Position auf die flexible Folie gelegt wird durchgeführt werden.
Wenn das flüssige Bindersystem eine Dispersion eines härtbaren Vorläufer-Polymers umfasst, wie es bevorzugt ist, kann dem Trocknungsschritt ein weiterer Prozessierungsschritt folgen, in dem das Vorläufer-Polymer gehärtet wird. Dieser Härtungsprozess beinhaltet vorzugsweise, dass das Vorläufer-Polymer einer Art von Vernetzungsreaktion unterzogen wird. Jedoch sind die Temperaturen, welche beim Trocknungsschritt eingesetzt werden, gewöhnlich ausreichend, um sowohl die imprägnierte Fasermasse zu trocknen als auch das Vorläufer-Polymer zu härten, so dass ein separater Härtungsschritt normalerweise unnötig ist. Wenn ein separater Härtungsschritt eingesetzt wird, ist es jedoch wünschenswert, die imprägnierte Fasermasse für die Dauer des Härtungsschritts unter Kompression zu halten.
In einem alternativen Verfahren kann der flexible Bogen oder die Beschichtung aufgebracht und zum Haften gebracht werden, nachdem die Faserschicht komprimiert und getrocknet wurde.
Die Dicke der Verbundmatte der Erfindung wird von der beabsichtigten Endverwendung der Matte abhängen. Wenn die Verbundmatte jedoch zum Einbau eines keramischen oder metallischen Monolithen in einem Katalysator oder Diesel-Rußfilter verwendet werden soll, wird sie typischerweise eine Dicke im Bereich von 3 bis 15 mm, vorzugsweise im Bereich von 5 bis 12 mm und bevorzugter im Bereich von 5 bis 9 mm, aufweisen.
Die laminierte Verbundmatte der Erfindung kann auch zur Unterstützung der keramischen Monolithe, die in Heißgasfiltrationseinheiten und Kohlevergasungsanlagen gefunden werden, verwendet werden. Die laminierte Verbundmatte der Erfindung kann auch nützlich in Dichtungsanwendungen eingesetzt werden.
Die vorliegende Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele erläutert, ist jedoch nicht darauf beschränkt.
Beispiel 1
Proben einer Saffil(TM)-Aluminiumoxid-Fasermatte niedriger Dichte, jeweils mit einer Fläche von etwa 520 mm × 210 mm und einer Dicke von 25 bis 55 mm, wurden in einem Latex (Neocryll (TM) A2022, eine 60%ige wässerige Dispersion eines härtbaren Copolymers auf der Basis von n-Butylacrylat und Methacrylsäure, erhältlich von Zeneca Plc) eingetaucht, welcher auf einen Feststoffgehalt von etwa 5% Gew./Gew. verdünnt worden war. Die imprägnierte Saffil-Matte wog etwa 131,0 g und besaß eine Flächendichte von etwa 1,2 kg/m².
Die imprägnierten Saffil-Matten wurden dann auf 10 Stücke verschiedener flexibler Bögen gleicher Größe gelegt. Das resultierende Laminat wurde als "Sandwich" zwischen zwei Bögen von PTFE-beschichtetem Glasfasersieb gelegt, welches eine Trennoberfläche ergab, und dieses Sandwich wurde dann zwischen zwei Bögen von Glasfaser-gefüllter Silikonharzpappe gelegt. Die gesamte Anordnung wurde dann unter Verwendung von verstellbaren Klammern ("mole grips") zusammengepresst, bis die imprägnierte Schicht auf eine Dicke von etwa 5 mm (gleich einem ausgeübten Druck von etwa 0,5 Bar (50 kPa)) verringert war, und in dieser Position mit Klammern gehalten. Während dieser Anordnung lief überschüssiger Latex von den Proben ab.
Die vollständige Formanordnung wurde dann auf das Band eines Luft/Hochfrequenz(RF)-unterstützten Ofens gebracht und die Bandgeschwindigkeit wurde eingestellt, um eine Verweilzeit von etwa 20 Minuten zu ergeben. Die RF-Energie des Ofens wurde auf etwa 5,5 KW eingestellt und die Temperatur der Luft im Ofen auf etwa 155°C eingestellt. Die Probe wurde aus dem Ofen entfernt, wenn der Latex vollständig getrocknet und gehärtet (vernetzt) war. Die Klammern und Pappen wurden dann vorsichtig von den Proben entfernt und das PTFE-Sieb abgeschält, um die endgültige Verbundmatte freizulegen, welche eine Dicke von etwa 8 bis 9 mm aufwies.
Jede Probe wurde dann um einen Stab von 20 mm Durchmesser gewickelt und hinsichtlich Delaminierung und Splittern untersucht.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
Tabelle 1
Das Seidenpapier besaß ein Flächengewicht von 22 g/m².
Die Proben 1–3 und 6 sind Vergleichsbeispiele.
Beispiel 2
Weitere Beispiele wurden wie Beispiel 1 hergestellt. Darüber hinaus wurden andere Proben 5 hergestellt, bei denen die Druckplatten perforiert waren. Ein weiteres Vergleichsbeispiel wurde hergestellt, in dem der flexible Bogen für Vergleichszwecke weggelassen wurde.
Der Koeffizient der statischen und kinetischen Reibung wurde auf folgende Weise gemessen.
Ein 40-cm²-Stück wurde aus einer Probe geschnitten und auf eine Oberfläche platziert, welche zur Oberfläche des Gehäuses äquivalente Reibungseigenschaften aufwies. Ein Reibungsschlitten mit einem Gewicht von 200 g, mit einer Kraftmessdose über eine Laufrolle verbunden, wurde auf der Probe platziert. Die Probe wurde entlang der Reibungsoberfläche gezogen und die erforderliche Kraft, um die Bewegung zu beginnen, und die erforderliche Kraft, um die Bewegung aufrechtzuerhalten, wurden gemessen. Die Koeffizienten statischer und kinetischer Reibung wurden wie folgt berechnet.
Kraft, welche die Bewegung verhindert = Gewicht des Schlittens
Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt.
Tabelle 2
Die Proben 1–5 sind Vergleichsbeispiele.
Beispiel 3
Eine Probe wurde hergestellt wie in Beispiel 1 unter Verwendung von Seidenpapier mit einem Flächengewicht von 22 g/m² und einem Kräuselfaktor von 22%. Nach dem Trocknen wurde 0,2 g/m² Talkumpulver als reibungsverringertes Material eingesetzt. Die Verbundmatte besaß eine Dicke von 8 mm und ergab, wenn sie um einen Monolithen gewickelt wurde, eine Packung mit einem Außendurchmesser von 146 mm. Die Monolith/Mattenpackung wurde leicht in ein Einheitsgehäuse mit einem Innendurchmesser von 138 mm eingeführt, ohne Knittern oder Zerreißen der Matte, und übte nach der Erwärmung zum Entfernen des Bindemittels einen Druck von 2,0 kgf/cm² auf das Gehäuse auf. Im Gegensatz dazu konnte eine Probe, welche kein Talkumpulver einschloss, nicht eingeführt werden, bis der Innendurchmesser des Gehäuses auf 143 mm erhöht wurde, welches nur einen Druck von 0,3 kgf/cm² ergab, welcher für eine Langzeitunterstützung des Monolithen nicht ausreichend ist.
Beispiel 4
Beispiel 3 wurde wiederholt, mit der Ausnahme, dass das Seidenpapier nicht vorhanden war. Es wurden ähnliche 5 Resultate beobachtet und darüber hinaus trat ein gewisses Splittern der Matten auf, wenn sie um den Monolithen gewickelt wurden.

Claims

Verbundmatte, umfassend eine Schicht anorganischer Fasern und ein Bindemittel, welches zur Bindung der Fasern aneinander dient, und einen flexiblen Bogen, wobei der flexible Bogen an mindestens einer Seite der Schicht der anorganischen Fasern haftet und so ausgewählt ist, dass die Fasern gebunden sind und nicht absplittern, um lose Fasern freizusetzen, wenn die Matte gebogen wird, wobei der flexible Bogen einen Koeffizienten statischer und kinetischer Reibung aufweist, gemessen zwischen der Oberfläche der Matte und der Oberfläche des Gehäuses, in das die Matte eingebaut werden soll, welcher weniger als 0,5 bzw. 0,4 beträgt, und der flexible Bogen Seidenpapier umfasst, welches ein Flächengewicht von 5 g/m² bis 50 g/m² aufweist und um mindestens 10% seiner ursprünglichen Länge gedehnt werden kann.
Matte nach Anspruch 1, wobei die anorganischen Fasern Aluminiumoxidfasern mit einer Länge im Bereich von 1 bis 10 cm und einem mittleren Durchmesser von 1 bis 10 μm sind.
Verfahren zur Herstellung einer Verbundmatte, umfassend eine Schicht anorganischer Fasern und ein Bindemittel, welches zur Bindung der anorganischen Fasern aneinander und zur Bindung der Schicht an einen flexiblen Bogen dient, welcher Bogen Seidenpapier umfasst, das ein Flächengewicht von 5 g/m² bis 50 g/m² aufweist und um mindestens 10% seiner ursprünglichen Länge gedehnt werden kann, welches Verfahren umfasst: Imprägnieren einer Fasermasse, welche die anorganischen Fasern umfasst, mit einem flüssigen Bindersystem, umfassend das Bindemittel oder einen Vorläufer davon und eine Trägerflüssigkeit; und Unterwerfen der imprägnierten Fasermasse, welche erhalten wird, einem Trocknungsschritt, während sie sich in Kontakt mit dem flexiblen Bogen befindet, um die Trägerflüssigkeit im Wesentlichen zu entfernen, wobei die so gebildete Matte in ein Gehäuse einbaubar ist und der flexible Bogen einen Koeffizienten statischer und kinetischer Reibung aufweist, der weniger als 0,5 bzw. 0,4 beträgt.