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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Herstellung eines Entfeuchtungselements, das eine
Fasermatrix umfasst, die mit Wasserglas imprägniert wurde. Die Erfindung
betrifft auch die Verwendung einer hochkonzentrierten Wasserglaslösung.
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Technischer
Hintergrund
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Luft wird normalerweise mit Hilfe
eines Entfeuchtungselements entfeuchtet, das durch Zusammenfügen eines
flachen und gefalteten Fasermaterials hergestellt werden kann, das
Feuchtigkeitsaufnahmeeigenschaften aufweist, um ein Laminat auszubilden,
das in Form eines Rotors aufgerollt oder in Blockform gestapelt wird.
Ein Laminat dieser Art ist in 3 gezeigt.
Das Entfeuchtungselement kann einer Wellpappe ähnlich betrachtet werden, die
zur Ausbildung eines Rotors aufgerollt wurde, oder Wellpappe, die
in Stücke
geschnitten wurde und deren Stücke
in Form eines Blocks gestapelt wurden. Dieses Element enthält eine
Struktur, die viele zueinander parallele Durchgänge aufweist. Die Falten weisen
normaler Weise 1,5 bis 3 mm Höhe
auf und die Durchgänge
weisen eine Länge
von 50 bis 400 mm auf. Ein Sektor eines solchen Rotors ist in 4 gezeigt.
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Die ursprüngliche Rolle oder der Block
werden gesägt
und geschliffen, um einen Rotor zu bilden, der oft mit einer Nabe,
Speichen und/oder einer Verkleidung versehen ist. Der Rotor bildet
das „Herz"
eines Luftentfeuchters, bei dem ein Ventilator oder Gebläse die Luft
durch die zahlreichen Rotordurchgänge treibt. Weil die Wände der
Durchgänge
ein Feuchtigkeitsabsorptionsmittel enthalten, ist die Luft nach
Durchtritt durch den Rotor trocken. Ein schwacher erhitzter Luftstrom
durchläuft
einen kleinen Sektor im Rotor und treibt die Feuchtigkeit daraus
aus. Es wird kontinuierlich trockene Luft erzeugt, indem der Rotor
kontinuierlich zwischen den Sektionen, die zu entfeuchtende Luft
enthalten und Sektionen, durch die erhitzte Luft strömt, gedreht
wird. Die extrahierte Feuchtigkeit wird mit dem erhitzten Luftstrom
in einem separaten Durchlaufsystem ausgetragen. Dieses Prinzip ist
in 5 dargestellt.
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SE-B-460 705 lehrt ein Verfahren
zum Herstellen eines Entfeuchtungselements, bei dem Papier aus Keramikfasern,
entweder vor oder nach Laminierung mit einer Wasserglaslösung imprägniert wird,
und bei dem das Papier erhitzt wird, nachdem es imprägniert wurde
und getrocknet, so dass sich ein hydratisiertes Wasserglas mit einem
Wassergehalt von 3–20%
bildet. Die erhaltene Matrix wird dann in Säure getaucht, um ein Silicahydrogel
zu bilden.
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SE-B-460 021 lehrt ein Entfeuchtungselement,
das aus einem Laminat besteht, das eine Bahn aus Keramikfasern umfasst,
die auf einer Seite gefaltet ist und eine Papierdicke von 0,18–0,25 mm
aufweist, eine Faltenlänge
von 2,5–4,2
mm und eine Faltenhöhe
von 1,5–2,3
mm. Dieses Laminat ist mit einem aktiven Siliciumdioxid-Aluminiumoxid-Aerogel
imprägniert,
das 97–85%
Siliciumdioxid und 3–15%
Aluminiumoxid umfasst. Das Element wird durch Eintauchen des Keramikpapiers
in eine wässrige
Lösung
von Wasserglas hergestellt und dann getrocknet. Das Element wird
dann in eine wässrige
Lösung
von Aluminiumsulfat eingetaucht und wiederum getrocknet.
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SE-B-462 671 beschreibt ein Verfahren
zur Herstellung eines Entfeuchtungselements, bei dem ein Laminat
bestehend aus einer wellenförmigen
Bahn und einer flachen Bahn mit einer wässrigen Wasserglaslösung imprägniert wird,
gefolgt vom Trocknen des Laminats und Erhitzen desselben auf einen
Wassergehalt von 5–45%,
wonach das Laminat in eine wässrige
Metallsalzlösung
getaucht und schließlich
getrocknet und erhitzt wird.
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SE-B-469 976 entsprechend US-A-5,423,934
beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Entfeuchtungselementen,
in den Papierbahnen, die ein formbares Material enthalten, wie Glasfaser
oder Cellulose, mit konzentrierter Wasserglaslösung getränkt und auf einen Trockenmassengehalt
von ungefähr
45–65%,
bezogen auf das Wasserglas, getrocknet und dann gefaltet werden.
Das gefaltete Laminat wird dann auf einen Trockenmassegehalt von
ungefähr
60–95%
getrocknet.
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EP-B-0,642,384 beschreibt ein Verfahren
zur Behandlung von Entfeuchtungselementen zum Zwecke der Beeinflussung
der Porengröße des Silicagels.
Dies wird erreicht durch Behandeln der Entfeuchtungselemente mit
Säure,
Base und einer Stabilisierungslösung,
die Salze von Zink, Aluminium und Phosphat enthält. Es wird in dieser älteren Anmeldung
auch angegeben, dass Wasserglas auf das Papier aufgebracht wird
und dass das Wasserglas dann getrocknet wird. Alle zuvor genannten
Druckschriften beschreiben einen Imprägnierschritt gefolgt von einem
Trocknungsschritt in Verbindung mit der Herstellung von Entfeuchtungselementen,
die eine Silicagelmatrix umfassen.
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US-A-3,826,703 betrifft ein Verfahren
zur Herstellung von faserigen Silicatprodukten, die zur Fertigung von
Platten, Rohren, Behältern
usw. geeignet sind.
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US-A-4,411,216 stellt ein Drucksättigungsgerät zum Imprägnieren
poröser
Substratmaterialien vor. Die imprägnierten Substratmaterialien
werden zur Fertigung von Behältern
usw. verwendet.
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Trocknungsstufen sind energieaufwändig und
erhöhen
damit die Herstellungskosten. Außerdem können ausreichende Mengen an
Wasserglas nicht einfach aufgebracht werden, wenn die Lösung die
geringe Konzentration besitzt, die bei bekannter Technologie erforderlich
ist. Folglich weisen die produzierten Entfeuchtungselemente eine
begrenzte Menge Silicagel auf und die Kapazität dieser Elemente ist nicht
optimal. Es besteht deshalb Bedarf an verbesserten Verfahren, die
die Produktionskosten senken und die Leistungsfähigkeit und Qualität des Endprodukts
erhöhen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Es wurde gefunden, dass die Trocknungsstufe,
die dem Eintauchen des Papiers in die Wasserglaslösung folgt,
völlig
eliminiert werden kann und dass die Menge an aufgebrachter Silicagelmatrix
gleichzeitig erhöht
werden kann, indem ein Verfahren wie in Anspruch 1 beschrieben angewendet
wird, das die Schritte umfasst:
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- a) Bereitstellen von Deckschichtpapier und
Papier zum Falzen;
- b) Eintauchen des Papiers in eine hochkonzentrierte Wasserglaslösung bei
einer Temperatur im Bereich von 45–95°C, wobei die hochkonzentrierte
Wasserglaslösung
eine Viskosität
von mindestens 350 mPa.s bei einer Temperatur von 45°C aufweist;
- c) Abkühlen
des eingetauchten Papiers mit Luft bei einer Temperatur von höchstens
35°C, und
bevorzugt bei einer Höchsttemperatur
von 25 °C;
und
- d) Tauchen des wasserglasimprägnierten Papiers in eine Lösung, die
sowohl Säuren
als auch Metallsalze enthält,
um Gele mit hoher mechanischer Festigkeit und einer hohen Entfeuchtungskapazität zu erhalten.
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Definitionen
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Der Ausdruck „Wasserglas" wie er in dieser
Schrift verwendet wird bezieht sich auf wässrige Lösungen von Natriumsilicat („Sodawasserglas")
oder Kaliumsilicat. Natriumwasserglas und Kaliumsilicat werden oft
als (Na2O)m(SiO2)n bzw. (K2O)m(SiO2)n geschrieben, woraus ersichtlich ist, dass
das molare Verhältnis
zwischen den beiden Oxiden (n/m) schwanken kann. Im Falle der vorliegenden
Erfindung ist Natriumwasserglas mit n/m im Bereich von 3,3 bis 3,4
bevorzugt, und Wasserglas mit n/m von 3,2 bis 3,4 ist besonders
bevorzugt.
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Der Ausdruck „hochkonzentriertes Wasserglas"
wie er in dieser Schrift verwendet wird bezieht sich auf Wasserglas,
das eine untere Viskositätsgrenze
von mindestens 350 mPa/s bei 45°C
aufweist. Die obere Viskositätsgrenze
beträgt
800 mPa/s bei 95°C.
Die Viskosität
von hochkonzentriertem Wasserglas bei Raumtemperatur ist so hoch,
dass es äußerst schwierig
ist, das Papier im Wasserglas unterzutauchen und dass das Wasserglas
das Papier bei dieser Temperatur benetzt. Gemäß bekannter Techniken weist
ein typisches konzentriertes Wasserglas bei 20°C eine Viskosität von bis
zu 200 mPa/s auf. Hochkonzentriertes Wasserglas weist hingegen eine
viel höhere
Viskosität
bei 20°C
auf und kann in seiner am schwächsten
konzentrierten Form mit kaltem Sirup oder Melasse verglichen werden.
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Der Ausdruck „Papier" wie er in dieser
Schrift verwendet wird bezieht sich auf Blätter, die aus organischen Fasern
wie Cellulose hergestellt sind, oder aus anorganischen Fasern wie
Keramikfasern, Glasfasern, Schlackefasern, Carbonfasern und Mineralfasern
und Mischungen davon. Anorganische Fasern sind bevorzugt. Es ist
auch bevorzugt, Glasfasern und/oder Mineralfasern in Mischung mit
bis zu 20% Cellulosefasern oder Synthesefasern zu verwenden. Das
Papier weist typischerweise eine Dicke von 0,1–0,3 mm auf. Die Faltenhöhe des gewellten
Papiers beträgt
typisch zwischen 1–5
mm und die Faltenlänge
typisch von 1,5–7
mm. Das Papier weist ein typisches Flächengewicht von 20–50 g/m2 auf.
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Ausführliche
Beschreibung der Erfindung
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Wie zuvor erwähnt betrifft die Erfindung
ein Verfahren zur Herstellung von Entfeuchtungselementen, die eine
Papiermatrix umfassen, die mit Wasserglas imprägniert wurde, das später in Silicagel
umgewandelt wird. Statt konzentriertes Wasserglas als Ausgangsmaterial
für Silicagel
zu verwenden, wird hochkonzentriertes Wasserglas verwendet. Dieses
Wasserglas ist so hochviskos, dass es praktisch unmöglich wird,
Papier bei Raumtemperatur zu imprägnieren. Das hochkonzentrierte
Wasserglas wird jedoch bei Temperaturen von 45–95°C fluid und funktioniert in
der Weise des konzentrierten Wasserglases. Das Papier, das imprägniert werden
soll, wird daher in heißes
hochkonzentriertes Wasserglas eingetaucht und dann mit Luft mit
einer Temperatur von höchstens
35 °C, bevorzugt
höchstens
25°C abgekühlt. Es
ist nicht notwendig, das Papier zu trocknen. Das abgekühlte, imprägnierte
Papier weist auch gute Hafteigenschaften auf und kann leicht mit
anderem Papier verbunden werden.
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Hochkonzentriertes Wasserglas kann
zum Beispiel durch Verdampfen von Wasser aus dem konzentrierten
Wasserglas vor der Herstellung bereitet werden.
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Wenn Papier auf herkömmliche
Weise mit Wasserglas imprägniert
wird, wird das imprägnierte
Papier wärmegetrocknet.
In Verbindung mit diesem Prozess wird das Wasserglas fluid und beginnt
zu laufen. Beim Prozess gemäß der Erfindung
besteht keine Gefahr, dass dies auftritt, da das hochkonzentrierte
Wasserglas sich in der Abkühlstufe
verfestigt oder eindickt.
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Bei der Herstellung von Entfeuchtungselementen
wird das mit Wasserglas imprägnierte
Papier in eine Lösung
getaucht, die sowohl Säure
und Metallsalz enthält,
wobei die Zusammensetzung der Lösung
so gewählt
ist, dass das Produkt eine hohe mechanische Festigkeit und eine
hohe Entfeuchtungskapazität
erhält. SE-B-462
671 offenbart Beispiele geeigneter Metallsalze. Geeignete Säuren sind
Säuren
umfassend Schwefelsäure
bis Metallsulfate, Phosphorsäure
bis Metallphosphate, Salpeter säure
bis Metallnitrate und Salzsäure bis
Metallchloride. Eine Metallsalzlösung
ergibt ein Gel mit guter Stabilität. Weil jedoch ein niedriger
pH erforderlich ist, um eine hohe Feuchtigkeitsaufnahmekapazität zu erreichen,
ist ein hoher Salzüberschuss
erforderlich. Obwohl das Gel eine hohe Kapazität aufweist, wenn nur Säure verwendet
wird, zerfällt
das Gel leicht, wenn es im normalen Entfeuchtungsprozess eingesetzt
wird.
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Die in diesen Herstellungsstufen
erhaltene Matrix wird mit Wasser gewaschen und zu einem Endprodukt
getrocknet.
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Dieser Prozess weist viele Vorteile
auf. Zum Beispiel ermöglicht
der Prozess, dass mehr Wasserglas pro Flächeneinheit auf das Papier
aufgebracht wird, da das hochkonzentrierte Wasserglas natürlich stärker konzentriert
ist als konzentriertes Wasserglas. Dies ergibt ein Endprodukt, dessen
Feuchtigkeitsaufnahmekapazität
viel höher
ist als es ansonsten der Fall wäre.
Es führt
auch zu einer Reduzierung des Energieverbrauchs und damit der Produktionskosten,
da es nicht notwendig ist, das Papier anschließend an die Imprägnierung
zu trocknen. Zum Trocknen nassen Papiers werden große Mengen
an Energie verbraucht, da es notwendig ist, entweder Heißluft oder
IR-Lampen zu verwenden. Gemäß der Erfindung
behandeltes Papier erfordert nicht, dass teueres Trocknungsgerät vorgesehen
wird. Schließlich
weist das Produkt bessere Eigenschaften auf als bekannte Produkte,
da keine Gefahr besteht, dass das Wasserglas nach der Imprägnierung
zu laufen beginnt.
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Die Erfindung wird nun ausführlicher
mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen beschrieben.
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1 stellt
schematisch das Prinzip eines Prozesses zur Herstellung eines Entfeuchtungselements gemäß der Erfindung
dar.
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2 ist
ein Diagramm, das Gleichgewichtskurven für Entfeuchtungselementmaterial
zeigt. Das Feuchteverhältnis
(g absorbiertes Wasser/100 g knochentrockenem Material) ist als
Funktion der relativen Feuchte von Material, das gemäß der Erfindung
(A) einerseits hergestellt ist und für Material, das gemäß bekannter
Technologie (B) andererseits hergestellt ist, aufgetragen.
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3 zeigt
ein Laminat gebildet aus Deckschichtpapier und Faltpapier, das zur
Herstellung des Rotors in einem Luftentfeuchter verwendet wird.
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4 stellt
einen Sektor des fertigen Entfeuchtungsrotors dar. Der Rotor ist
gebildet aus einem Laminat der Art wie es in 3 gezeigt
ist, wobei dieses Laminat bei der Fertigung des Rotors um eine Welle
gewickelt wurde, und
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5 stellt
das Arbeitsprinzip eines Entfeuchtungselements dar. Die Luft, aus
der Feuchtigkeit extrahiert werden soll, wird durch Durchgänge in ein
Rotationsentfeuchtungselement geleitet. Gleichzeitig wird erhitzte
Luft im Gegenstrom durch einen anderen Sektor des Rotationsentfeuchtungselements
geleitet.
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Die in 1 dargestellte
Anlage weist Papierrollen 10 und 28 auf. Eine
Papierbahn aus der Rolle 10 wird über eine Führungsrolle 12 in
ein Bad 14 hinuntergeleitet, das erwärmtes hochkonzentriertes Wasserglas enthält. Daten
für typisches
hochkonzentriertes Wasserglas, das zur Verwendung in Verbindung
mit dieser Erfindung geeignet ist, ist aus Tabelle 1 unten ersichtlich.
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Tabelle
1:
Beispiele von Daten für
hochkonzentrierte Wasserglaslösungen
| Molverhältnis SiO2/Na2O | 3,3–3,4 |
| Dichte
(kg/dm3) | 1,41–1,45 |
| Verwendbar
im Bereich | 45–90°C |
| optimale
Dichte (kg/dm3) | 1,43 |
| optimale
Temperatur | 70°C |
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Tabelle 2 unten gibt zwei Beispiele
hochkonzentrierter Wasserglaslösungen
und ihre entsprechenden Viskositäten
an. Die Lösungen
sind so gewählt,
dass sie nahe bei den Viskositätsgrenzen
liegen, die für
hochkonzentrierte Wasserglaslösungen
gemäß der Erfindung
anwendbar sind.
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Tabelle
2:
Beispiele von Daten für
zwei hochkonzentrierte Wasserglaslösungen
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Die Papierbahn 18 wird im
Bad 14 mit Hilfe einer Rolle 16, die in der Lösung untergetaucht
ist, unter den Spiegel der hochkonzentrierten Wasserglaslösung heruntergelassen,
wobei die Wasserglaslösung
eine Temperatur von 45–90°C aufweist.
Wenn die Papierbahn 18 durch das Bad 14 läuft, wird
die Bahn mit hochkonzentrierter Wasserglaslösung bis zu einem Sättigungspunkt
getränkt.
Die gesättigte
Papierbahn wird dann durch eine Kühlkammer 20 nach oben
geführt,
in der Luft mit Raumtemperatur auf die Bahn 18 geblasen
wird. Die Bahn 18 wird dann über Füh rungsrollen 22 und 24 zu
einer Falzrolle 26 abgegeben, um eine gefaltete Papierbahn
auszubilden, die eine große
Zahl kleiner Falten aufweist.
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Das gefaltete Papier oder gewellte
Papier weist typischerweise eine Wellenhöhe von 1–5 mm und eine Wellenlänge von
1,5–7
mm auf, wie zuvor erwähnt.
Eine zweite Papierbahn 36 wird von der Papiervorratsrolle 28 abgenommen
und über
eine Führungsrolle 30 zu
einem Bad 32 geführt,
das erwärmte
hochkonzentrierte Wasserglaslösung
enthält,
in die die Papierbahn 36 über eine Rolle 34 eingetaucht
wird. Die Papierbahn 36 wird darin getränkt und man lässt sie
nach oben durch die Kühlkammer 38 laufen,
in der Luft von Raumtemperatur auf die Bahn 36 geblasen
wird. Die Bahn 36 wird von der Kühlkammer 38 über eine
Führungsrolle 40 zu
einer Kombinationsrolle 42 geleitet, wo die beiden Papierbahnen 18 und 36 vereint
werden, so dass sie eine imprägnierte
gewellte Kartonmatrix bilden. Weil die imprägnierten Papierbahnen 18 und 36 nach
der Abkühlstufe
aneinander haften, ist kein Leim erforderlich, um die Bahnen zusammenzufügen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren führt zu einer
Matrix, die von 10–25
mehr Silicagel enthält
als Matrices, die gemäß bekannter
Technologie ausgehend vom selben Papiertyp, dem selben aufgebrachten
Volumen an Wasserglas und der selben Art von Matrix bezüglich der
Geometrie und Abmessungen hergestellt wurden. Dies ist in 2 dargestellt, die zwei
Gleichgewichtskurven für
Material in Entfeuchtungselementen zeigt. Kurve A bezieht sich auf
Material, das gemäß der Erfindung
hergestellt wurde, während
Kurve B ein Material darstellt, das gemäß SE 469 976 hergestellt wurde, äquivalent
zu US-A-5,423,934. Eine Voraussetzung ist, dass A und B aus identischem
Faserpapier als Ausgangsmaterial hergestellt wurden und dass das
Papier mit gleich dicken Schichten hochkonzentriertem Wasserglas
in der Kurve A und typisch konzentriertem Wasserglas in Kurve B
beschichtet wurde.
