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Verfahren zur Herstellung eines porösen, insbesondere als Filter geeigneten
Faserstoffkörpers aus Silikatfasern, z. B. Glasfasern, und einem aus kohlenstoffhaltigen
Stoffen bestehenden Bindemittel Es ist bekannt, poröse, z. B. für Filterzwecke geeignete
Faserstoffkörper aus Silicatfasern, z.B. Glasfasern, und einem aus kohlenstoffhaltigen
Stoffen bestehenden Bindemittel herzustellen, vxrobei das Bindemittel durch Erhitzen
unter Luftabschluß ganz oder teilweise in Kohlenstoff umgewandelt wird.
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Für dieses Verfahren sind als Bindemittel Asphalt, Goudron und Pech
vorgeschlagen worden, die jedoch noch nicht zu zufriedenstellenden Ergebnissen geführt
haben.
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Die Erfindung besteht darin, daß bei dem angegebenen Verfahren als
kohlenstoffhaltiges Bindemittel Stärke oder Kunstharz verwendet wird.
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Stärke und Kunstharze sind an sich als Bindemittel für poröse Faserstoffkörper
bekannt, ohne daß sie jedoch bisher in solchen Körpern der angegebenen Wärmebehandlung
zur Ausscheidung von bzw. Umwandlung in Kohlenstoff unterworfen worden wären.
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Die Verwendung von Stärke und Kunstharz besitzt gegenüber derjenigen
von Asphalt u. dgl. die folgenden Unterschiede und Vorteile: Stärke und Kunstharze
lassen sich ohne Schwierigkeiten auf den Fasern in dünnsten Schichten und völlig
homogen verteilen, was für die Porosität der fertigen Gebilde von großer Bedeutung
ist. Sie können bei sehr niedriger Temperatur (um 3000 C) in Kohlenstoff
überführt
werden, ohne sich zu verflüssigen und dadurch die Verteilung auf den Fasern und
in den Fasermassen zu verändern.
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Aus der Stärke und den Kunstharzen entsteht bei der Verkohlung infolge
ihres hohen Anteiles an flüchtigen Bestandteilen und iri folge der niedrigen Temperatur,
die zur Verkohlung erforderlich ist, eine sehr poröse Kohlenstoffmodifikation, die
infolge ihrer großen Oberfläche hochaktiv ist. Der sich ergebende Kohlenstoff bildet
in dem Fasergebilde feinst und gleichmäßig verteilte dünnste Schichten. Demgegenüber
ergeben Asphalt und Teer viel dickere Uberzüge über die einzelnen Fasern und füllen
die Hohlräume viel stärker aus, ebenso natürlich die bei der Verkohlung daraus entstehende
Kohle.
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Asphalt und Teer werden beim Erhitzen zuerst flüssig, laufen zum Teil
aus den Faserkörpern aus bzw. in diesen nach unten und gehen erst bei Temperaturen
oberhalb 500 C in Kohlenstoff über. Die entstehende Kohle ist hart und dicht und
verhältnismäßig grob verteilt. Infolgedessen ist die Aktivität dieser Kohle äußerst
gering. Auch ist die Filterwirkung dieser Gebilde wegen der ungünstigen Verteilung
des Bindemittels mangelhaft.
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Die erfindungsgemäß mit einem Bindemittel von Stärke oder Kunstharz,
z. B. Phenolformaldehydharz.. hergestellten Faserkörper behalten ein geringes Gewicht,
widerstehen verhältnismäßig hohen Temperaturen und sind im wesentlichen gegen die
Einwirkung von Säuren und Alkalien ebenso indiü ferent oder noch indifferenter als
die Glasfasern selbst. Durch Zusatz bekannter Feuerverhütungsstoffe, wie Ammoniumphosphat,
kann die Feuersicherheit des Bindemittels noch erhöht werden.
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Die Zugabe des Bindemittels zu den Fasern kann durch Besprühen während
oder nach der Herstellung, durch Tränken oder auch durch mechanisches Mischen erfolgen
in der Weise. daß die Oberfläche jeder Faser mit einem feinen Überzug des Klebstoffes
versehen wird und dieser die Fasern an den Berührungspunkten wirksam zusammenhält.
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Nachdem die mit dem Klebstoff versetzte Fasermasse in die gewünschte
Form gebracht und das Lösungsmittel des Klebstoffes durch Trocknen entfernt worden
ist, wird der Körper in einem geschlossenen Raum in Abwesenheit von Sauerstoff auf
eine Temperatur erhitzt, bei welcher alles noch vorhandene Wasser und andere flüchtige
Bestandteile ausgetrieben werden. Wenn ein Entweichen von.
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Gasen nicht mehr stattfindet, zeigt sich, daß durch die ganze Masse
hindurch ein Niederschlag aus Kohlenstoff vorhanden ist, der jede Faser mit einem
feinen Film umgibt.
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Dabei haftet der Kohlenstoff zäh an der Oberfläche der Fasern und
bindet sich auch gut mit benachbarten Kohleteilchen. Der entstehende Rörper ist
sehr zäh und wesentlich druckfester als die Fasermasse allein. Die Karboni sation
kann in irgendeinem geeigneteil geschlossenen Behälter oder auch als kontinuierliches
Verfahren durchgeführt werden.
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Für die Karbonisation genügen je nach der Art des kohlenstoffhaltigen
Bindemittels schon Temperaturen von 300 bis 350° C.
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Durch Zufügung gewisser Substanzen zu dem Bindemittel ist es möglich,
die für die Karbon i sation erforderlichen Temperaturen herabzusetzen und die Eigenschaften
des zurückbleibenden Bindemittels zu beeinflussen.
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So wird beispielsweise die Karbonisation bei niedrigen Temperaturen
durch Beigabe kleiner Mengen von Kalk oder Alaun gefördert.
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Mit Stärke gemischte Oxalsäure, Borsäure, Chromalaun, Gerbsäure,
Bleiacetat, Kupferacetat oder Harnstoff ergeben ein etwas zäheres Bindemittel als
Stärke allein.
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Bei Verwendung eines Kunstharzes, z. B. von Phenolformaldehydharz,
lassen sich gute Ergebnisse mit einer kolloidalen Lösung dieses Harzes in Wasser
erzielen. Eine solche Lösung bildet einen dicken Brei, aber anscheinend ohne feste
Teilchen und mit solcher Viscosität, daß er schnell und vollständig in die Hohlräume
einer Glasfasermatte eindringen kann. Wenn die kolloidale Lösung mit den einzelnen
Glasfasern in Berührung kommt. so schlägt sich das feste Harz auf ihnen nieder und
haftet fest daran. Dieser Vorgang ist vielleicht darin begründet, daß die elektrische
Ladung der Harzteilchen der kolloidalen Lösung eine andere ist wie die elektrische
Ladung der Glasfasern. Dieses ist durch Versuche in der Weise festgestellt worden,
daß die Ladungen in einem der Stoffc von positiv zu negativ geändert wurden.
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Jedoch können auch noch andere Faktoren hierbei eine Rolle spielen.
Das von dem kol-1 loidalen Harz sich scheidende Wasser läßt man aus dem Faserstoffkörper
abtropfen. Bei einer dünnen Fasermatte geht die vollständige Füllung der Zwischenräume
durch die Harzteilchen in wenigen Sekunden vor sich.
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Bei dickeren Matten dauert es etwas länger, und es ist zweckmäßig,
die Matte leicht zu kneten, um die eingeschlossene Luft zu entfernen und das frei
werdende Wasser entweichen zu lassen. Hierauf kann die ge tränkte Fasermasse zur
gewünschten Dichte und Form gepreßt oder geformt und gegebenenfalls in dieser Form
bis zum Trocknen gehalten werden. alsdann wird die gepreßte Masse der Wärmebellanellung
unterworfen.
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Sie wird durch langsames Erhitzen bis auf eine Temperatur von beispielsweise
I80° C gebracht, wobei das Wasser verdampft und
der Earzniederschlag
zur Erstarrung kommt.
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Hierauf wird der Faserstoffkörper einer weiteren Destillation bzw.
Erhitzung in einer nichtoxydierenden Atmosphäre unterworfen, um das Harz in Kohlenstoff
zu verwandeln.
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Es ist nicht in jedem Fall nötig, daß das Bindemittel vollkommen
in Kohlenstoff umgewandelt wird, da in gewissen Fällen auch eine teilweise Umwandlung
genügt.
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Der erfindungsgemäR hergestellte Faserstoffkörper, der besonders
als Filter, aber auch als Wärmeisolierung geeignet ist, läßt auch mit Vorteil Anwendungen
zu, bei welchen der Kohlenstoff das aktive Mittel ist, während die Silicatfasern
nur den Träger für den Kohlenstoff bilden. So kann der Faserstoffkörper zur Absorption
großer Mengen schädlicher Gase benutzt werden. Eine Masse aus Silicatfasern bildet
eine ungeheuer große Oberfläche für die zugesetzte Kohlenstoffmenge, so daß ein
äußerst wirksames Filter zur Entfernung störender Gerüche und giftiger Gase aus
der Atmosphäre gebildet wird.
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Als Filter verwendete Faserstoffkörper gemäß der Erfindung bewirken
beispielsweise bei Lüftungsanlagen nicht nur eine Entfernung von Staub und sonstigen
physikalischen Verunreinigungen, sondern auch von gasförmigen Verunreinigungn. Der
Faserstoffkörper enthält auch den Kohlenstoff in so feiner Verteilung, daß er sich
ausgezeichnet als katalytisches Mittel bei chemischen Reaktionen eignet.
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Bei Filterplatten aus Silicatfasern bestanden bisher erhebliche Schwierigkeiten
darin, den gewünschten Grad von Porosität während des Gebrauches zu erhalten. Es
war nicht nur schwierig, diese Fasern zu einem geeigneten Stoff zu weben oder zu
filzen, der die genaue gewünschte Porosität besaß, sondern hierzu mußten auch gewöhnlich
Binde-und Schlichtemittel benutzt werden; welche im Gebrauch fortgewaschen werden
und dadurch die Porosität vergrößern. Bei einem Faserstoffkörper mit gemäß der Erfindung
karbonisierten Bindemitteln behält der Körper während der ganzen Dauer seines Gebrauches
die ihm einmal verliehenen physikalischen Eigenschaften. Die Porosität kann aber
nicht nur genau festgelegt, sondern auch geändert werden, indem man die Fasermasse
vor dem Erhitzen mehr oder weniger lang mit der kohlenstoffhaltigen Substanz behandelt.
Gegebenenfalls kann auch eine gewünschte kleine Menge eines indifferenten anorganischen
Stoffes, wie z. B. Ton oder Bentonit, der Behandlungslösung zugesetzt werden, um
die Poren der Fasermasse stärker zu füllen und dadurch die Porosität zu verringern.
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Falls gewünscht, kann man den Faserstofikörpern in einer oder mehreren
bestimmten Richtungen dadurch eine erhöhte Stärke verleihen, daß man die Fasern
parallel zueinander im wesentlichen in den betreffenden Richtungen des Körpers anordnet.
Anstatt aus geschichteten Einzelfasern können die erfindungsgemäßen Faserstoffkörper
auch aus Garnen, Geweben oder Gewirken bestehen.