ES2978122T3 - Barrera termoacústica de alta temperatura con bajo humo y olor - Google Patents

Barrera termoacústica de alta temperatura con bajo humo y olor Download PDF

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Abstract

Se describe un material de barrera térmica para aplicaciones tales como escudos térmicos en automóviles y otros vehículos. El material de barrera térmica se fabrica en una máquina de fabricación de papel Fordenier a partir de una suspensión que tiene un contenido muy bajo de compuestos orgánicos que pueden causar humo y olor cuando se exponen a altas temperaturas. Se describe un primer material de barrera térmica que puede soportar hasta 650 °C y un segundo material de barrera térmica que puede soportar hasta 1000 °C; en cada caso, el material de barrera resiste su especificación de temperatura máxima mientras produce cantidades extremadamente bajas de humo y niveles extremadamente bajos de olores desagradables. Por otro lado, los materiales de barrera térmica de la técnica anterior con especificaciones de temperatura similares producen muchas veces más humo y olores desagradables a las mismas temperaturas y lo hacen durante un tiempo mucho más largo. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Barrera termoacústica de alta temperatura con bajo humo y olor
Campo técnico
Esta descripción se refiere en general a barreras de protección térmica y más particularmente a barreras de alta temperatura para uso como protecciones térmicas en la industria automotriz y otras industrias. La descripción también se refiere a barreras de alta temperatura que también muestran propiedades de absorción acústica.
Antecedentes
El material de protección térmica se ha utilizado durante mucho tiempo en la fabricación de automóviles para proteger paneles, componentes electrónicos, cableado y otros componentes del calor de superficies calientes adyacentes, tales como un colector de escape o un convertidor catalítico. En los últimos años, el resultado ha sido un aumento de la eficiencia del motor y un aumento de las normas de emisiones en temperaturas más altas del motor y del sistema de escape. Como resultado, ciertos componentes de los motores, y en particular los sistemas de escape, en los vehículos modernos pueden estar en funcionamiento significativamente más calientes que en el pasado. Por ejemplo, la gasolina no quemada en una corriente de escape a veces se quema intencionalmente en los convertidores catalíticos, aumentando por tanto la temperatura de las superficies exteriores de los convertidores en comparación con la tecnología más antigua. Los paneles y componentes circundantes deben protegerse de este calor.
Las protecciones térmicas y las barreras térmicas tradicionales en los vehículos suelen tener una construcción de tres capas que comprende un material de aislamiento térmico intercalado entre dos placas de acero aluminizado. A medida que las temperaturas han aumentado, estas protecciones térmicas tradicionales han comenzado a presentar varios problemas y deficiencias. Por ejemplo, algunos fabricantes de equipos originales (OEM) han recibido quejas de clientes sobre un olor parecido a una fogata acompañado de humo en la cabina de pasajeros durante el funcionamiento inicial de vehículos nuevos. A menudo se ha determinado que la causa fundamental del olor y el humo es la quema de componentes orgánicos como aglutinantes y fibras celulósicas en el material de barrera térmica de las protecciones térmicas. La demanda de vehículos más silenciosos también ha generado la necesidad de una mejor absorción acústica. Gran parte de la necesidad de absorción acústica se produce por debajo de los paneles del suelo de los vehículos, donde existen superficies calientes de los sistemas de escape. Esto plantea un desafío porque los materiales de absorción acústica no siempre son capaces de soportar las altas temperaturas presentes cerca de los componentes del escape de un vehículo. Este es un problema relacionado que necesita una solución.
Por consiguiente, existe la necesidad de un material de barrera térmica que aborde y resuelva los problemas de ignición, humo y olores desagradables encontrados con las barreras térmicas tradicionales de la técnica anterior cuando se exponen a altas temperaturas en vehículos modernos. Existe una necesidad adicional de una barrera térmica que también presente propiedades de absorción acústica en regiones de altas temperaturas. Estos materiales de absorción térmica y acústica deberían poder producirse en máquinas tradicionales de fabricación de papel y deberían poder moldearse según las formas deseadas sin perder su integridad. La presente invención se dirige principalmente a la provisión de un material de barrera termoacústica que aborde estas y otras necesidades. Resumen
Descrito brevemente, se proporciona un material de barrera térmica de alta temperatura que es capaz de soportar temperaturas de hasta 1000°C sin producir cantidades significativas de humo y olores desagradables. El material se fabrica en láminas en una máquina tradicional de fabricación de papel o Fordenier y se le puede dar la forma y configuración deseadas antes o después de que esté completamente seco. En un modo de realización para uso en un ambiente de temperatura más baja, el material de barrera ha demostrado la capacidad de soportar temperaturas de 850°C (1112°F) durante períodos prolongados de tiempo sin quemarse, producir humo o emitir olores desagradables. Este modo de realización se denominará en el presente documento, modo de realización TI650. En otro modo de realización, el material de barrera ha demostrado la capacidad de soportar temperaturas de 1000°C (1832°F) sin estos efectos indeseables. Este modo de realización se denomina en el presente documento, modo de realización TI1000 (TI1K).
En otro modo de realización, el material de barrera térmica está unido a un lado de un material de absorción acústica para formar una barrera termoacústica; en una protección térmica, la barrera térmica está orientada de modo que está dirigida hacia una superficie caliente tal como la superficie de un catalizador convertidor con el material de absorción acústica dirigido en contra de la superficie caliente. La barrera térmica tiene una baja conductividad térmica de modo que el calor no pasa fácilmente al material de absorción acústica. El material de absorción acústica queda por tanto protegido del calor y funciona para absorber el sonido que, de otro modo, podría penetrar en el compartimento de pasajeros. El resultado es un vehículo más silencioso y fresco en el que los paneles, el cableado y otros componentes están protegidos de las altas temperaturas del sistema de escape.
También se describe un método para formar la protección termoacústica de alta temperatura. Brevemente, el método comprende esparcir una capa de material de barrera térmica en forma de una suspensión sobre la superficie de un material de absorción acústica para formar un compuesto termoacústico en capas. El material de absorción acústica puede perforarse antes de que el material de barrera térmica se extienda sobre su superficie. El material de barrera térmica fluye hacia las perforaciones y une entre sí las dos capas de material de forma segura. A continuación, el material de barrera térmica se deshidrata y se seca en una máquina de fabricación de papel. Finalmente, el material termoacústico puede formarse en una configuración específica deseada para encajar en un área designada e intercalarse entre placas metálicas aluminizadas para soporte, durabilidad y reflexión de resonancia.
Estos y otros aspectos, características y ventajas de la invención se apreciarán mejor al revisar la descripción detallada que se establece a continuación junto con las figuras de los dibujos adjuntos, que se describen brevemente a continuación.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 es una vista en perspectiva de una barrera termoacústica en forma de lámina plana que incorpora los principios de la invención.
La figura 2 es una vista en alzado lateral de la barrera de la figura 1 que muestra la construcción en capas de la barrera.
La figura 3 es una vista en perspectiva de la barrera termoacústica vista desde el lado opuesto.
La figura 4 es una fotografía de un dispositivo de prueba diseñado para probar la capacidad de conformación en frío del material de barrera térmica de la barrera termoacústica.
La figura 5 es una fotografía de una pieza en forma de copa del material de barrera térmica formada según el método de la figura 3 y después de la prueba de calor y rotura.
La figura 8 es una fotografía que muestra la prueba en paralelo de una barrera térmica de la técnica anterior y una barrera térmica de la presente invención para emisiones de humo y olores desagradables cuando se calientan. La figura 7 es un gráfico que muestra los resultados de la prueba de humo y olores desagradables que se muestra en la figura 5.
La figura 8 es una fotografía que muestra la prueba en paralelo de una barrera térmica de la técnica anterior y una barrera térmica de la presente invención para determinar el punto de ignición de la llama cuando se calientan.
La figura 9 muestra cuadros y gráficos asociados que ilustran los resultados de pruebas en paralelo de una barrera térmica de la técnica anterior y una barrera térmica de la presente invención para la conductividad térmica (mapeo térmico).
La figura 10 es un gráfico que muestra los resultados de las pruebas en paralelo de una barrera térmica de la técnica anterior y una barrera térmica de la presente invención para determinar la toxicidad de los gases generados cuando se calientan.
La figura 11 es un cuadro resumido que recopila los resultados de varias pruebas realizadas en la barrera térmica TI1000 (TI1K) de la presente invención y una barrera térmica de la técnica anterior con especificaciones de rendimiento similares.
La figura 12 es un cuadro resumido que compara los resultados de varias pruebas realizadas en la barrera térmica TI650 de la presente invención y una barrera térmica de la técnica anterior con especificaciones de rendimiento similares.
Descripción detallada
Ahora se hará referencia con más detalle a las figuras de los dibujos, en las que números de referencia similares indican partes similares a lo largo de todas las distintas vistas. La figura 1 ilustra una barrera termoacústica que incorpora los principios de la invención en una forma preferida. La barrera 16 termoacústica comprende una capa 17 de barrera térmica de alta temperatura unida a una capa 18 de absorción acústica El término "alta temperatura", como se usa en el presente documento, significa temperaturas encontradas en superficies calientes adyacentes de motores y sistemas de escape modernos. Dichas temperaturas generalmente varían entre 650° C y 1000° C (1112° F y 1832° F), pero pueden ser algo más bajas o más altas en casos específicos. La capa 17 de barrera térmica de alta temperatura está formulada y fabricada como se detalla a continuación para soportar altas temperaturas mientras genera un humo muy suave (en comparación con la técnica anterior) y una intensidad muy baja de olor y de carácter desagradable.
Una capa 18 de absorción acústica está fijada a la capa 17 de barrera térmica en un lado de la misma. La capa 18 de absorción acústica se puede fijar a la capa de barrera térmica mediante cualquier medio apropiado, como por ejemplo con un adhesivo. Un método preferido para asegurar las capas entre sí se muestra en las figuras 2 y 3. La figura 2 muestra la barrera 16 termoacústica con la capa de absorción acústica dirigida hacia arriba y la figura 3 muestra una sección transversal de la barrera termoacústica. En este modo de realización, la capa de absorción acústica 18 está perforada para formar una pluralidad de agujeros 19 que se extienden a través de la capa de absorción acústica.
La capa 17 de barrera térmica se aplica inicialmente en forma de una suspensión sobre una superficie dirigida hacia arriba de la capa 18 de absorción acústica. La suspensión fluye parcialmente hacia los orificios 19, como quizás se ilustra mejor en la figura 2. A medida que la suspensión se deshidrata y se seca, preferiblemente usando un Fourdrinier u otro tipo de máquina de fabricación de papel, el material de barrera térmica en los orificios 19 se seca y bloquea la capa 18 de barrera térmica y la capa 17 de absorción acústica entre sí con una unión mecánica.
La capa 18 de absorción acústica puede estar formada por cualquier material que realice la función de absorber el sonido antes de que entre en el compartimento de pasajeros de un vehículo. En el modo de realización preferido, la capa 18 de absorción acústica está hecha de un material absorbente de sonido de fibra de vidrio no tejido tal como el disponible en Owens Corning Corporation de Toledo, Ohio y otros proveedores. Otros posibles materiales que pueden ser adecuados para la capa de absorción acústica incluyen, sin limitación, algodón y cebos absorbentes de sonido orgánicos, esteras de fibra de sílice y espuma absorbente de sonido, por mencionar algunos.
Mientras que la barrera termoacústica se muestra como una lámina plana o losa en las figuras 1 y 2, debe entenderse que, en uso, la barrera a menudo tendrá una forma para encajar en un espacio estrecho específico entre una superficie caliente tal como un convertidor catalítico y los paneles del suelo de un vehículo. Además, el panel termoacústico puede adherirse a un lado de una lámina metálica aluminizada conformada o intercalarse entre dos láminas metálicas que pueden presionarse para darle la forma deseada y también servir como reflectores térmicos. Por lo tanto, la lámina plana o losa mostrada en el modo de realización ilustrativo no pretende limitar la invención, sino sólo ilustrar la construcción en capas de la barrera de una forma simple y fácilmente comprensible.
Como se detalla a continuación, se ha descubierto mediante experimentación que el humo y los olores desagradables que a menudo producen las barreras térmicas de la técnica anterior (de los cuales se quejan los consumidores) resultan de la quema de aglutinantes orgánicos y otros componentes orgánicos presentes en el material de estas barreras por el contrario, los materiales a partir de los cuales se fabrica la barrera térmica de la presente invención tienen muy bajos contenidos de compuestos orgánicos y aglutinantes en comparación con las barreras térmicas de la técnica anterior, en un modo de realización preferido, la barrera térmica de esta invención se puede fabricar de la siguiente manera.
Realizando la barrera térmica
La Tabla 1 a continuación muestra los ingredientes usados para fabricar la barrera térmica de la presente invención y, para cada ingrediente, el porcentaje en peso del ingrediente usado en una suspensión que se va a convertir en la barrera térmica en una máquina de fabricación de papel.
Tabla 1
Excepto las fibras de basalto, las fibras y arcillas de la Tabla 1 se combinan con una oblea (entre 7 y 50°C) en una suspensión usando un despulpador. Para mantener la longitud de las fibras de basalto, se añaden directamente a la caja de mezcla y se homogeneizan en el material de mezcla para evitar las fuerzas de corte generadas en el despulpador. Luego se añade el látex y se precipita sobre la fibra y las cargas. La suspensión resultante se esparce sobre la cinta transportadora en el extremo húmedo de una máquina tradicional de fabricación de papel Fourdrinier formando una red húmeda de fibras. Si la barrera térmica se va a combinar con una barrera de absorción acústica, la suspensión se puede extender sobre una lámina delgada del material de absorción acústica, que puede haberse preparado con orificios para facilitar la unión de las dos capas. En la máquina se deshidrata y seca la banda húmeda. La red resultante puede luego cortarse en las formas deseadas y moldearse, si se desea, para que encaje en las áreas donde se va a utilizar.
Pruebas
La mayoría de las pruebas que se describen a continuación se realizaron de acuerdo con el método industrial establecido correspondiente (normalmente una norma ASTM). Sin embargo, debido a la naturaleza subjetiva de la prueba de olores desagradables, se desarrollaron métodos de prueba internos que cuantificaron la intensidad y el carácter desagradable de los olores producidos por los materiales de barrera térmica de la técnica anterior y por los materiales de barrera térmica de la presente invención. También se llevó a cabo una prueba objetiva para detectar la presencia de sustancias químicas que se sabe que producen olores desagradables. Además, las pruebas de enmascaramiento térmico se llevaron a cabo utilizando un método de prueba interno utilizado históricamente para evaluar diversas propiedades de conducción térmica del material aislante de protección térmica. Estas pruebas se detallan a continuación.
1. Pruebas de vibración y capacidad de conformación del oro
Las figuras 4 y 5 ilustran dispositivos utilizados para probar la capacidad de conformación en frío del material de barrera térmica elaborado según el proceso descrito anteriormente. La prueba se realizó según el método de prueba Wi-TP-033_0. Se probaron los modos de realización TI650 y TI1000 (TI1K) de los materiales de barrera térmica. Para cada material, se troqueló una muestra circular 23 del material a partir de una hoja y se colocó sobre una depresión esférica en el yunque de una prensa 22. Luego se presionó un ariete 24 esférico sobre la muestra hasta que la muestra fue empujada hacia la depresión, moldeando así la muestra en una configuración en forma de cuenco.
Después de moldear cada muestra en forma de cuenco como se describe, se calentó en un horno a 400°C durante 30 minutos y luego se colocó en un agitador 26 de mesa (figura 5) durante 5 minutos. También se calentaron y agitaron de esta manera piezas planas troqueladas que no habían sido moldeadas. Esta prueba buscaba simular el calor y la vibración que podría experimentar el material cuando se utiliza en un vehículo. Si la muestra se rompe en varios pedazos después de calentarla y agitarla o muestra grandes separaciones, entonces es probable que el material se agriete o se rompa durante la formación de choque de una protección térmica comercial o durante el uso normal. Como se muestra en el cuadro resumido de resultados de la prueba de la figura 11, la prueba reveló para el material TI650 que no había grietas y que la muestra estaba intacta después del calentamiento y la vibración como se describe. Se observó que el material TI1000 (TI1K) presentaba algunas pequeñas grietas, pero por lo demás la muestra estaba intacta después del calentamiento y la vibración. La conclusión es que el material de barrera térmica de la presente invención exhibe propiedades aceptables de capacidad de conformación en frío.
Para determinar la pérdida de masa debido al polvo en comparación con los materiales de barrera térmica de la técnica anterior, se probaron muestras de barrera térmica troqueladas y conformadas en frío de la presente invención y muestras de materiales de barrera térmica de la técnica anterior, en cada caso, se pesó una muestra, se calentó a 400°C durante 30 minutos, se colocó en un agitador de mesa durante 5 minutos y luego se pesó nuevamente. Cualquier pérdida de peso se debe al polvo que se desprende del material de la muestra durante el proceso de calentamiento y agitación. La figura 5a muestra los resultados de estas pruebas. Como puede verse, para las tres muestras de la técnica anterior analizadas, la pérdida total de peso debido a la producción de polvo (pérdida de la muestra troquelada más pérdida de la muestra formada en frío) varió entre 0.65% y 1.04%. La pérdida de la muestra troquelada fue significativamente menos que la pérdida de la muestra formada en frío para cada uno de estos materiales de barrera térmica de la técnica anterior.
En marcado contraste, la pérdida total de peso debido a la producción de polvo para la muestra de barrera térmica TI1000 (TI1K) bajo las mismas condiciones de prueba fue de apenas 0.14% y aproximadamente la mitad de la pérdida (.06%) se debió a la pérdida de muestra troquelada. Para la muestra TI650 de la presente invención, la pérdida total de peso fue todavía de apenas el 0.14%, pero la gran mayoría de la pérdida (0.12%) se debió a pérdidas de polvo de la muestra troquelada. La muestra formada en frío perdió sólo el 0.02% de su peso durante la prueba. La conclusión es que las barreras térmicas formadas según la presente invención muestran mucha menos pérdida de peso debido al polvo que las barreras térmicas probadas de la técnica anterior.
2. Prueba de humo y olores desagradables
Las figuras 6 y 7 ilustran pruebas subjetivas del material de barrera térmica de esta invención para la producción de humo y olores desagradables a altas temperaturas. Como se expuso anteriormente, las quejas de los consumidores se han centrado en este aspecto desagradable de la técnica anterior. Para esta prueba, se calentó una placa 29 caliente de laboratorio a 400 °C. Se colocó una muestra de material 28 de barrera térmica de la técnica anterior sobre la placa 29 caliente y se mantuvo presionada con pesas 33. Luego, los miembros de un panel observaron el material y se centraron en el olor producido por la muestra a lo largo del tiempo a medida que aumentaba su temperatura. Los miembros de panel calificaron los olores producidos por la muestra en cuanto a intensidad y carácter desagradable durante un período de 5 minutos. Luego se tabularon todas las respuestas de los miembros de panel.
La misma prueba se realizó con una muestra 29 de la barrera térmica TI1000 (TI1K) fabricada según la presente invención y una barrera térmica de la técnica anterior con especificaciones similares. Nuevamente, los miembros de panel calificaron la intensidad y el carácter desagradable de los olores producidos por la muestra tal como lo habían hecho con la muestra 28 de la técnica anterior. Los resultados de esta prueba se muestran en el cuadro 36 de la figura 7, que representa los resultados de las pruebas en una escala de valoración frente al tiempo. Como puede verse, la intensidad de los olores producidos por el material de barrera térmica 39 de la técnica anterior se clasificó entre 4 y 5 desde .5 minutos hasta 2 minutos antes de estabilizarse lentamente en una clasificación de aproximadamente 1 después de 2.5 minutos. El carácter desagradable de 40 de estos olores se calificó aún más alto 6 hasta los 2 minutos de la prueba antes de caer lentamente a 1 a los 4 minutos.
Por el contrario, la intensidad de los olores producidos por las muestras TI1000 (TI1K) y TI650 fabricadas según la presente invención (gráfico 41) fue muy baja, justo por encima de cero, durante toda la duración de la prueba. El carácter desagradable de estos olores para estas muestras se clasificó entre 1 y 1.5 al principio, disminuyendo hasta justo por encima de cero al minuto de comenzar la prueba. Por tanto, las barreras térmicas fabricadas según la presente invención mostraron una reducción drástica en la intensidad y el carácter desagradable de los olores producidos a altas temperaturas en comparación con los producidos por la barrera térmica de la técnica anterior. Además de estas pruebas subjetivas, un laboratorio externo encargó una evaluación objetiva del olor. El laboratorio probó gases liberados de una muestra de material de barrera térmica de la técnica anterior y una muestra de material de barrera térmica elaborado según la presente invención cuando se calentó como se describió anteriormente. Se utilizaron técnicas de cromatografía de gases (GC) y espectrometría de masas (MS) para determinar la presencia de 1-butanol y Dimetoximetano, ambos considerados por la mayoría de los humanos como asociados e indicativos de olores desagradables. Como puede verse en el gráfico resumen de la figura 11, se determinó que la muestra de la técnica anterior producía 4.58 partes por millón (ppm) de 1-butanol, mientras que una muestra de la presente invención produjo menos de 3 ppm, menos de 1 ppm y en esta prueba no se detectó 1-butanol. En cuanto al Dimetoximetano, la muestra de la técnica anterior produjo 190 ppm mientras que la muestra de la presente invención produjo menos de 100 ppm, menos de 50 ppm y específicamente 42.6 ppm. Dichos niveles se consideran indicativos de niveles bajos de olores desagradables para los humanos.
La figura 12 muestra los mismos datos para la muestra de barrera térmica TI650 frente a la muestra comparativa de la técnica anterior. La muestra de la técnica anterior produjo 6.14 ppm de 1-butanol mientras que la muestra TI650 produjo menos de 4 ppm, menos de 2 ppm y, en esta prueba particular, nada de 1-butanol. La muestra de la técnica anterior produjo 224 ppm de Dimetoximetano mientras que la muestra TI650 de la presente invención produjo menos de 150 ppm, menos de 100 ppm y, en esta prueba particular, 55 ppm. Se considera que dichos rangos indican cantidades bajas de olores desagradables. Esta prueba objetiva respalda las conclusiones de las pruebas subjetivas de que una barrera térmica de la presente invención produce muchos menos olores desagradables cuando se calienta que lo que lo hace la de la técnica anterior.
La densidad del humo producido por las barreras de la presente invención también se midió según la norma ISO 5659-2:2006(E). La densidad medida para las muestras TI650 y TI1000 (TI1K) fue inferior a 5 g/cm3, menos de 2 g/cm3 y más específicamente medido en 0.88 g/cm3. Estas densidades de humo se consideran apenas detectables. Como se puede ver en la figura 6, que muestra la muestra 28 de la técnica anterior y la muestra 29 de TI1000 (TI1K) en paralelo en una placa 27 caliente a 400°C, la densidad del humo 32 producido por la muestra 29 TI1000 (TI1K) es mucho menor que la densidad del humo 31 producido por la muestra 28 de la técnica anterior. La conclusión es que el material de barrera térmica para altas temperaturas de la presente invención produce humo insignificante cuando se calienta a altas temperaturas, mientras que la técnica anterior produce un humo significativo del que se quejan los consumidores.
3. Prueba de llama de choque
Se probaron un material de barrera térmica de la técnica anterior y el material de barrera térmica TI1000 (TI1K) de la presente invención para determinar su tendencia a encenderse a altas temperaturas. Estos dos productos tienen especificaciones de temperatura máxima similares de 1000 °C. La configuración de la prueba se muestra en la figura 8. Se precalentó un horno 43 a una temperatura de 650°C antes de colocar una muestra de la técnica anterior de 2 pulgadas por 6 pulgadas y una muestra de 2 pulgadas por 6 pulgadas de la barrera 46 térmica TI1000 (TI1K) en el horno. Una mirilla en la pared del horno permitía determinar visualmente el punto de llama y la producción de humo, si la hubiera. Después de un corto tiempo en el horno, la muestra 44 de barrera térmica de la técnica anterior se incendió 45 como se ve en la figura 8 y comenzó a arder. Esto se considera un fallo catastrófico de la barrera. La muestra de barrera 46 térmica TI1000 (TI1K) de la presente invención no se encendió a 650 °C. De hecho, la barrera 46 térmica TI1000 (TI1K) se probó posteriormente a su temperatura de diseño de 1000 °C y nuevamente no se encendió ni falló.
De manera similar, se probó la ignición de un material de barrera térmica de la técnica anterior y del material de barrera térmica TI650 de la presente invención usando el mismo procedimiento. Estos dos productos tienen especificaciones de temperatura máxima similares de 650°C. Nuevamente, las dos muestras se colocaron en un horno precalentado a 650°C y se observaron. Como se muestra en la fotografía de la figura 12, la muestra de la técnica anterior se encendió y falló a esta temperatura, mientras que la muestra TI650 de la presente invención no lo hizo.
4. Pruebas de mapeo térmico
Se probaron barreras térmicas de la técnica anterior y barreras térmicas de la presente invención para determinar la conductividad térmica del material. Esta prueba a veces se denomina prueba de mapeo térmico y se llevó a cabo de acuerdo con la norma ASTM F433. En la prueba, se colocó una muestra de interés directamente sobre una placa caliente precalentada a 400°C. Se utilizó un termómetro infrarrojo para mapear el aumento de temperatura del lado superior (expuesto) de la muestra. La prueba se llevó a cabo para muestras de espesor 0.8 mm y 1.0 mm para cada uno de un material de barrera térmica de la técnica anterior, la barrera TI650 de la presente invención y la barrera TI1000 de la presente invención. Los resultados se muestran en la figura 7, donde los gráficos de la derecha muestran gráficamente que la barrera térmica de la técnica anterior condujo significativamente más calor a su cara expuesta que las muestras TI650 o TI1000 (TI1K) de la presente invención. Esto es cierto tanto para los espesores de las muestras de 0.8 como para los de 1.0 mm.
Los resultados de la prueba se muestran numéricamente a la izquierda en la figura 9. Para las muestras de 0.8 m de espesor, la cara expuesta de la muestra de la técnica anterior aumentó a una temperatura de 324° C mientras que las caras expuestas de las muestras TI650 y TI1000 (TI1K) aumentaron a solo 313° C y 304° C respectivamente. De manera similar, para las muestras de 1.0 mm de espesor, la cara expuesta de la muestra de la técnica anterior aumentó a 323 °C mientras que las caras expuestas de las muestras TI650 y TI1000 (TI1K) aumentaron a temperaturas de 312 °C y 289 °C respectivamente. Estos resultados demuestran una conductividad térmica (K térmica) para el material de barrera térmica de la técnica anterior de 0.188, mientras que la conductividad de las barreras térmicas de esta invención fue de 0.114 para el material TI650 y de 0.095 para el material TI1000 (TI1K). La conclusión es que las barreras térmicas de la presente invención tienen conductividades térmicas significativamente más bajas que las de la técnica anterior y transmiten menos calor de una superficie a la superficie opuesta.
5. Prueba de toxicidad de los gases generados
Se probaron una muestra de material de barrera térmica de la técnica anterior y una muestra del material de barrera TI1000 (TI1K) de la presente invención de acuerdo con la norma ASTM 800 relacionada con la medición de gases presentes o generados durante incendios. Específicamente, los gases producidos por estas muestras cuando se quemaron se recolectaron y analizaron mediante espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) para detectar compuestos tóxicos contenidos en el humo resultante. Las pruebas midieron la presencia de los siguientes compuestos: CO; CO2; HCl; HCN; HBr; HF; NO; NO2; y SO2, con excepción del monóxido de carbono (CO) y dióxido de carbono (CO2), ninguno de los compuestos tóxicos estaba presente. En cuanto a CO y CO2 Se determinaron los niveles en los gases y se presentan en la tabla de la figura 10. Como se puede observar, el material de barrera térmica TI1000 produjo más de 8 veces menos CO y más de 13 veces menos CO2 que el material de barrera térmica de la técnica anterior, una mejora sustancial y significativa. La muestra del material de barrera térmica TI1000 (TI1k) produjo menos de 100 ppm de gas CO, menos de 50 ppm y aproximadamente 46 ppm, medido según las normas ASTM 800. La muestra del material de barrera térmica TM000 (TI1k) produjo menos de 700 ppm de gas CO2, menos de 600 ppm y aproximadamente 599 ppm, medido según las normas ASTM 800.
6. Resumen de las pruebas
La figura 11 presenta una tabla que compara los resultados de las pruebas descritas anteriormente y otras pruebas para una muestra del material de barrera térmica TI1000 (TI1K). También se muestran los resultados de las mismas pruebas para una muestra de material de barrera térmica de la técnica anterior con especificaciones de rendimiento similares. Los resultados de la muestra de la técnica anterior se muestran en la columna 4, mientras que los resultados de la muestra TI1000 (TI1K) de la presente invención se muestran en la columna 5. Primero, se midió el calibre (espesor) y la densidad de cada muestra utilizando las normas ASTM indicadas. Se determinó que el calibre de la muestra de la técnica anterior era de 0.80 mm y su densidad era de 1.15 g/cm3. Esto se compara con la muestra TI1000 (TI1K) de la presente invención, que tenía un calibre de 0.857 mm y una densidad de 0.90 g/cm3. Las dos muestras eran muy similares en espesor y densidad.
Se realizó una prueba de propagación de llama horizontal en las dos muestras de acuerdo con las normas de prueba SAE J369. En esta prueba, cada muestra se suspendió en orientación horizontal y se colocó un mechero Bunsen por debajo de un extremo de la muestra. Si la muestra se encendía y la llama no se extinguía sola, se tabularía la velocidad a la que se observaba que la llama se propagaba en esta prueba, la muestra de la técnica anterior no se encendió (DNI) y la muestra de la barrera térmica TM000 (TI1K) tampoco se encendió.
Se realizó una prueba de compresión/recuperación en ambas muestras de acuerdo con las normas ASTM F36K utilizando una máquina de indentación estática Armstrong. Esta prueba mide la capacidad del material para absorber fuerzas de compresión y, una vez comprimido, lo bien que el material regresa a su calibre original. Se mide el espesor de la muestra y luego la muestra se somete a una carga extrema durante un tiempo específico suficiente para comprimir el material. Luego se retira la carga y se permite que el material rebote parcialmente hasta su espesor original. Luego se mide el espesor final. El espesor rebotado dividido por el espesor original representa la medida de compresión/rebote expresada como porcentaje. Es deseable un mayor rebote en estas pruebas, la muestra de la técnica anterior rebotó en un 16/28 o 57% mientras que la muestra de la presente invención rebotó en un 20/27 o 74%. Por lo tanto, una barrera térmica de la presente invención es más tolerante a las cargas de compresión que la barrera térmica de la técnica anterior.
La conductividad térmica de cada muestra se midió según el procedimiento descrito anteriormente. Los resultados se tabulan nuevamente en el gráfico resumen de la figura 11.
La figura 12 presenta una tabla que compara los resultados de las pruebas descritas anteriormente y otras pruebas para una muestra del material de barrera térmica TI650. También se muestran los resultados de las mismas pruebas para una muestra de material de barrera térmica de la técnica anterior con especificaciones de rendimiento similares. Al igual que con las pruebas para la muestra TI1000 (TI1K), los resultados de la muestra de la técnica anterior se muestran en la columna 4, mientras que los resultados de la muestra TI650 de la presente invención se muestran en la columna 5. Como puede verse en la figura 12, la muestra TI650 fabricada según la presente invención tuvo un rendimiento significativamente mejor que la muestra de la técnica anterior en prácticamente todas las pruebas.
La invención se ha descrito en el presente documento en términos de los modos de realización de ejemplo que el inventor considera que representan los mejores modos de llevar a cabo la invención. Sin embargo, un experto en la técnica entenderá que se puede realizar una amplia gama de adiciones, eliminaciones y modificaciones, tanto sutiles como generales, a los modos de realización ilustrativos sin apartarse de la invención tal como se define en las reivindicaciones adjuntas.

Claims (4)

REIVINDICACIONES
1. Un material de barrera térmica para usar en la protección de componentes de un vehículo de las superficies del sistema de escape que comprende:
35 a 53%en peso de una pluralidad de arcillas
un resto que comprende:
silicato de magnesio, trihidrato de alúmina, vidrio de alumino-borosilicato, lana mineral de roca, fibra de basalto, coagulante de copolímero de acrilamida, látex acrílico, alcoxilato de alcohol graso, y poliacrilamida aniónica, en donde
una muestra del material de barrera térmica, cuando se expone a una temperatura de 400° Celsius, produce humo que tiene una densidad inferior a 5 g/cm3 medido según la norma ISO 5659-2:2006(E).
2. El material de barrera térmica de la reivindicación 1, en donde una muestra del material de barrera térmica, cuando se expone a una temperatura de 400° Celsius, produce humo que tiene una densidad inferior a 2 g/cm3 medido según la norma ISO 5659-2:2006(E).
3. El material de barrera térmica de la reivindicación 1, en donde la muestra del material de barrera térmica produce además menos de 4 ppm de gas 1-butanal medido por Cromatografía de Gases (GC) y Espectrometría de Masas (MS).
4. El material de barrera térmica de la reivindicación 1, en donde la muestra del material de barrera térmica produce además menos de 150 ppm de gas Dimetoximetano medido por Cromatografía de Gases (GC) y Espectrometría de Masas (MS).
5. El material de barrera térmica de la reivindicación 1, en donde la muestra del material de barrera térmica produce además menos de 100 ppm de gas CO medido según las normas ASTM 800.
6. El material de barrera térmica de la reivindicación 5, en donde la muestra del material de barrera térmica produce además menos de 50 ppm de gas CO medido según las normas ASTM 800.
7. El material de barrera térmica de la reivindicación 1, en donde la muestra del material de barrera térmica produce además menos de 700 ppm de gas CO2 medido según las normas ASTM 800.
8. El material de barrera térmica de la reivindicación 1, en donde la muestra del material de barrera térmica no se enciende cuando se expone a una temperatura de 650° Celsius en un horno.
9. El material de barrera térmica según la reivindicación 1, en donde una proporción total de coagulante de copolímero de acrilamida, látex acrílico, alcoxilato de alcohol graso, y poliacrilamida aniónica está en el rango de 1.63 a 6.05% en peso.
10. El material de barrera térmica según la reivindicación 1, en donde la pluralidad de arcillas comprende:
2 a 5% en peso de arcilla de filosilicato de aluminio;
17 a 23% en peso de silicato de aluminio hidratado;
12 a 18% en peso de silicato de magnesio hidratado; y
4 a 7% en peso de filosilicato.
11. Un material de barrera térmica según la reivindicación 1, el material de barrera térmica que comprende:
17 a 23% en peso de silicato de magnesio;
2 a 5% en peso de arcilla de filosilicato de aluminio;
17 a 23% en peso de silicato de aluminio hidratado;
12 a 18% en peso de silicato de magnesio hidratado;
4 a 7% en peso de filosilicato;
17 a 23% en peso de trihidrato de aluminio;
2 a 6% en peso de vidrio de alumino-borosilicato;
6 a 8% en peso de lana mineral de roca;
1 a 6% en peso de fibras de basalto;
0.05 a 1.5% en peso de coagulante de copolímero de acrilamida;
0.07 a 1.2% en peso de látex acrílico;
0.01 a 0.05% en peso de alcoxilato de alcohol graso; y
0.5 a 1.5% en peso de poliacrilamida aniónica.
12. Un material de barrera térmica para su uso en la protección de componentes de un vehículo de las superficies del sistema de escape que comprende:
26% a 42% en peso de una pluralidad de arcillas;
un resto que comprende:
silicato de magnesio, trihidrato de alúmina, vidrio de alumino-borosilicato, lana mineral de roca, fibra de basalto, coagulante de copolímero de acrilamida, látex acrílico, alcoxilato de alcohol graso, y poliacrilamida aniónica, en donde
una muestra del material de barrera térmica, cuando se expone a una temperatura de 400° Celsius, produce humo con una densidad inferior a 5 g/cm3 medido según la norma ISO 5659-2:2006(E).
13. El material de barrera térmica según la reivindicación 11, en donde una proporción total de coagulante de copolímero de acrilamida, látex acrílico, alcoxilato de alcohol graso, y poliacrilamida aniónica está en el rango de 0.61 a 4% en peso.
14. El material de barrera térmica según la reivindicación 11, en donde la pluralidad de arcillas comprende:
2 a 5% en peso de arcilla de filosilicato de aluminio;
8 a 12% en peso de silicato de aluminio hidratado;
12 a 18% en peso de silicato de magnesio hidratado; y
4 a 7% en peso de filosilicato.
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