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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Eine
Aufgabe dieser Erfindung ist die Bereitstellung einer Verbundmatte,
welche diesen Test bestehen kann.
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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.
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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.
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Seidenpapier
ist besonders geeignet, da für
das Bindemittel porös
und in der Lage ist, einen integralen Teil der Matte zu bilden.
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Besonders
geeignet ist ein Einzelbogen von Seidenpapier.
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Es
ist vorteilhaft, wenn der flexible Bogen einen gewissen Grad der
Kräuselung
aufweist.
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Somit
ist Seidenpapier, welches in der Lage ist, um mindestens 10% und
vorzugsweise 22% oder mehr seiner ursprünglichen Länge gedehnt zu werden, besonders
geeignet.
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Eine
geeignete Beschichtung kann aus irgendeinem filmbildenden polymeren
Material gebildet werden, welches zu einer flexiblen Haut führt, welche
die obersten Fasern inkorporiert.
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Beispielsweise
ist ein Latexgummi mit einer höheren
Glasübergangstemperatur
(Tg) als das Bindermaterial geeignet. Der
Latex kann ein Verdickungsmittel enthalten, um die Beschränkung des
Latex auf die Oberfläche
der Faserschicht zu unterstützen.
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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.
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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.
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Somit
besteht auch eine Aufgabe der Erfindung darin, die Oberfläche der
Verbundmatte mit so niedrigen Koeffizienten von statischer und kinetischer
Reibung wie möglich
auszustatten.
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Gemäß einem
weiteren bevorzugten Merkmal der Erfindung ist der flexible Bogen
mit einem reibungsverringernden Material versehen.
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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.
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Geeignete
Materialien sind beispielsweise Mineralien wie Talkum oder Vermikulit
oder Graphit oder Molybdänit.
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Das
Material kann in einer Menge von 0,1 g/m2 bis
1 g/m2 eingesetzt werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 C1-8Acryl (C1-4alkyl)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 C1-4Alkyl(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.
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Wenn
das flüssige
Bindersystem eines ist, welches eine härtbare Polymerzusammensetzung
umfasst, kann es auch einen Katalysator zur Beschleunigung des Härtungsprozesses
umfassen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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In
einem alternativen Verfahren kann der flexible Bogen oder die Beschichtung
aufgebracht und zum Haften gebracht werden, nachdem die Faserschicht
komprimiert und getrocknet wurde.
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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.
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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.
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Die
vorliegende Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die folgenden
Beispiele erläutert,
ist jedoch nicht darauf beschränkt.
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Beispiel 1
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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.
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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.
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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.
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Jede
Probe wurde dann um einen Stab von 20 mm Durchmesser gewickelt und
hinsichtlich Delaminierung und Splittern untersucht.
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Die
Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
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Das
Seidenpapier besaß ein
Flächengewicht
von 22 g/m2.
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Die
Proben 1–3
und 6 sind Vergleichsbeispiele.
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Beispiel 2
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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.
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Der
Koeffizient der statischen und kinetischen Reibung wurde auf folgende
Weise gemessen.
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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.
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Kraft,
welche die Bewegung verhindert = Gewicht des Schlittens
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Die
Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt.
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Tabelle 2
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Die
Proben 1–5
sind Vergleichsbeispiele.
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Beispiel 3
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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.
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Beispiel 4
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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.