FR2536064A1 - Mousse en fibres ceramiques et son procede de production - Google Patents

Mousse en fibres ceramiques et son procede de production Download PDF

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Abstract

L'INVENTION CONCERNE UNE MOUSSE EN FIBRES CERAMIQUES. DE LA FIBRE CERAMIQUE EST CODISPERSEE DANS UN MILIEU LIQUIDE AVEC UN LIANT ORGANIQUE RETICULABLE A CHAUD ET LE MELANGE EST BATTU DE PREFERENCE AVEC DE PETITES QUANTITES D'UN SEL CRISTALLISABLE ET DE CHARGES. LORS DU BATTAGE, LE MELANGE EST TRANSFORME EN MOUSSE ET LA MOUSSE EST ENSUITE CHAUFFEE POUR RETICULER LE LIANT, POUR EVAPORER LE LIQUIDE ET POUR ACQUERIR LA STABILITE. LA MOUSSE PEUT ETRE UTILISEE TELLE QUELLE, MAIS ELLE EST ENSUITE DE PREFERENCE CHAUFFEE POUR DECOMPOSER LA MAJEURE PARTIE DU LIANT ORGANIQUE ET POUR QUE DES LIAISONS SOIENT FORMEES PAR LE SEL A L'INTERSECTION ENTRE FIBRES, DE MANIERE A FORMER UNE MOUSSE STABLE DOUEE D'EXCELLENTES PROPRIETES A HAUTE TEMPERATURE.

Description

La présente invention concerne une matière cellu-
laire ou en expansion de faible densité apparente, princi-
palement composée de fibres céramiques, et son procédé de production. L'expression "fibres céramiques" utilisée dans le présent mémoire désigne des fibres d'oxydes métalliques
polycristallins ayant une haute température de fusion dé-
passant, par exemple, 16500 C Des fibres céramiques con-
tiennent généralement de l'oxyde d'aluminium ou de l'oxyde de calcium et de la silice, ainsi que de plus faibles quantités d'autres oxydes métalliques tels que l'oxyde ferrique, l'oxyde de titane et l'oxyde de magnésium Une fibre céramique représentative comprend, par exemple, plus de 30 t d'oxyde d'aluminium ou de calcium, plus de 45 % de silice, toutle reste étant présent sous la forme d'autres
oxydes métalliques L'expression "fibres céramiques" uti-
lisée ici exclut, par conséquent, d'autres fibres inorgani-
ques telles que les fibres d'amiante et de verre.
Des fibres céramiques sont produites par plusieurs procédés connus dont l'un implique la formation d'un laitier fondu à une température supérieure à 1760 'C, puis la mise en contact d'une roue centrifuge ou roue de projection ou d'un gaz à grande vitesse avec la masse fondue pour produire
des fibres individuelles ayant une plage déterminée de dia-
mètres, qui sont ensuite refroidies et recueillies Diver-
ses compositions pour fibres céramiques et divers procédés de production de fibres sont décrits dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique N' 2 557 834, N' 2 674 539, No 2 699 397, NM 2 710 261, No 2 714 622 et N O 3 007 8060 Des fibres céramiques ont actuellement une grande diversité d'applications, et on les utilise-principalement en vrac comme charges et comme milieux d'isolation L'un
des problèmes liés aux fibres céramiques est que ces der-
nières ne sont pas facilement mouillées par des liquides et tendent à s'agglutiner plutôt qu'à se disperser dans
l'eau, même lorsqu'on ajoute des adjuvants de dispersion.
En revanche, l'amiante, matière minérale naturel-
le, est formée de faisceaux de fibres qui peuvent être disloqués mécaniquement ou chimiquement et réduits en fibres de petits diamètres qui sont aisément dispersées dans l'eau Des exemples de dispersions d'amiante sont décrits dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique No 2 972 221, No 3 630 012, N 3 738 805, No 2 626 213,
N 3 676 038, N 3 338 994 et N' 3 806 572.
Du fait que des fibres d'amiante forment rapide-
ment et aisément une dispersion aqueuse stable, il est possible de battre la dispersion et de préparer une mousse
stable, comme décrit dans les brevets des Etats-Unis d'Amé-
rique N O 3 338 994 précité et N' 3 461 191 Ces brevets font connaître la préparation d'une dispersion d'amiante
dans de l'eau contenant un surfactant Toutefois, malheu-
reusement, ces procédés ne sont pas applicables à des
fibres céramiques et ne donnent pas une dispersion ou sus-
pension stable qui puisse être adaptée à la production de mousses.
Il serait désirable de préparer une matière élas-
tique légère à partir de fibres céramiques, pour plusieurs raisons D'abord, des fibres céramiques ont une plus grande résistance à la chaleur que d'autres fibres inorganiques telles que l'amiante et le verre Ensuite, dans la mesure o l'amiante peut constituer un problème potentiel du point de vue de la santé, il serait désirable de trouver une
mousse résistant à la chaleur qui soit dépourvue d'amiante.
Conformément à la présente invention, on prépare une matière cellulaire volumineuse et peu dense composée principalement de fibres céramiques Les fibres sont
d'abord traitées de préférence afin de rendre leurs sur-
faces moins hydrophobes Elles sont ensuite mélangées ensemble avec un liant ou agent épaississant organique réticulable à chaud, de préférence une suspension aqueuse d'un caoutchouc vulcanisable à la chaleur et d'un agent tensio-actif pour former une mousse liquide dense On peut
aussi ajouter des sels inorganiques et des charges inor-
ganiques. Le mélange est battu ou fouetté en vue de son aération, et il est ensuite chauffé en vue de la réticulae tion de la matière organique qui s'y trouve, ce qui entraîne la formation d'une masse cohérente à structure cellulaire anastomosée.
Les mousses contenant la matière organique réti-
culée peuvent être utilisées sous cette forme Toutefois, pour des applications à haute température, la matière est encore chauffée à une température suffisante pour brûler ou éliminer les matières organiques présentes, ce qui donne essentiellement une mousse entièrement inorganique formée de fibres céramiques avec, le cas échéant, des charges et
des liants inorganiques.
En vue de préparer la mousse de fibres céramiques de la présenteinvention, il est nécessaire de produire tout d'abord une suspension liquide des fibres, cette suspension étant suffisamment stable et homogène pour laisser suffisamment de temps au chauffage subséquent et
à la réticulation sans sédimentation ni séparation indési-
rables des fibres ni perte de structure cellulaire.
La fibre céramique, telle que définie dans le présent mémoire, peut avantageusement être utilisée sous
la forme brute, telle qu'elle est fournie dans le commerce.
En variante, la fibre peut être préalablement traitée de
manière à rendre sa surface moins hydrophobe Un prétraite-
ment convenable implique, par exemple, l'application super-
ficielle d'une petite quantité, ordinairement moins de 1 % en poids, d'un agent de couplage tel qu'un silane ou un titanate, conjointement avec une petite quantité similaire d'un surfactant tel que l'oléate de sodium ou une matière
similaire Ce prétraitement, bien qu'il ne soit pas essen-
tiel, rend la fibre plus réceptive à un système aqueux et
capable de se disperser plus aisément.
On utilise de préférence un système aqueux dans le procédé en vue de remédier aux problèmes de manipulation de solvants organiques La quantité totale de matières
solides que l'on ajoute à l'eau, comprenant la fibre céra-
mique, l'épaississant-liant organique, les agents disper-
sants et d'autres liants et charges, représente moins de % et de préférence moins de 10 %, mais plus dé 1 % en
poids de l'eau utilisée dans le système.
Environ 50 à environ 95 % des matières solides devant être incorporées au système aqueux comprennent de la fibre céramique, non traitée ou préalablement traitée comme décrit dans le présent mémoire. La portion de matières solides comprend également environ 3 à environ 20 %-de liant ou de matière organique réticulable par la chaleur, qui peut se disperser dans le
système aqueux Le liant humide préconisé est une disper-
sion aqueuse d'un élastomère tel qu'un néoprène, un élas-
tomère fluoré, un caoutchouc éthylène-propylène, etc Tous
ces élastomères sont disponibles sous la forme de disper-
sions aqueuses, contenant normalement plus de 50 % en poids
de matières solides.
En particulier, si le produit résultant doit être utilisé dans des applications à basse température, ou si l'on désire un produit de faible densité, il est possible d'utiliser d'autres épaississants ou liants tels que des gommes organiques, par exemple l'alginate de sodium, seul ou conjointement avec la dispersion d'élastomère Parmi les matières solides utilisées, une proportion de 0 à environ % en poids peut consister en gommes dispersibles dans eau. Les matières solides peuvent aussi contenir O à
environ 30 %de charges inorganiques On apprécie particu-
lièrement des charges de faible densité telles que le mica, la vermiculite expansée ou non expansée et des sphères microscopiques de verre On peut utiliser d'autres charges et d'autres agents de renforcement fibreux, selon les propriétés finales désirées de la mousse Par exemple, on
peut ajouter des charges inorganiques telles que du car-
bone, du verre ou de l'amiante,ainsi que des fibres organi-
ques.
En outre, de faibles quantités de sels métalli-
ques, par exemple O à 1 %, peuvent étre ajoutées au mélange; des sels convenables comprennent, par exemple, des sels d'aluminium, de calcium, de fer, de zinc, etc Ces sels tendent à cristalliser pendant le séchage du produit et à lier les fibres ensemble dans un état expansé, en sorte que
la mousse reste stable lors de l'élimination du liant organi-
que par chauffage.
Les matières solides comprennent également environ 1 à environ 20 % de surfactant en vue de faciliter la dis- persion et le moussage des fibres céramiques et d'autres matières On peut utiliser tout surfactant anionique et on apprécie particulièrement ceux qui sont à base d'acides
gras tels que des oléates.
Enfin, on peut inclure un agent précipitant pour le surfactant, notamment lorsqu'il peut être souhaitable de faire prendre rapidement la mousse D'autres additifs convenables comprennent des agents porogènes, des pigments, etc. Les matières solides sont ajoutées à la quantité désirée d'eau pour former un mélange, et le mélange est ensuite battu, fouetté ou agité d'une autre façon pendant une période suffisante pour former une suspension uniforme de la fibre dans le système Un hydrobroyeur, couramment utilisé dans l'industrie de la fabrication du papier, s'est montré suffisant à cette fin Le mélange a pour effet que de l'air est incorporé au système en formant une structure cellulaire qui est rendue temporairement stable du fait de la présence d'additifs organiques A ce stade, la structure cellulaire persiste dans le mélange même si on le laisse
reposer pendant un certain temps.
Le mélange liquide-solides transformé en mousse
est ensuite traité en vue de la réticulation du liant organi-
que et de l'élimination de l'eau présente, de préférence par chauffage La mousse est initialement chauffée jusqu'à ce que l'eau s'évapore et que le liant organique se soit réticulé La température de réticulation du liant organique
est de préférence inférieure au point d'ébullition de l'eau.
A ce stade, la mousse devient une mousse épaisse conservant
sa forme La mousse sèche contenant le liant organique réti-
culé peut être utilisée telle quelle, notamment'si elle doit être exposée à des températures inférieures à la température
de dégradation Thermique de la matière organique qu'elle contient.
De préf rence, le mlanae non réticulé est également mis en forme tout en étant chauffé et réticulé On peut utiliser toutes techniques convenables de mise en forme, la plus simple consistant à verser la matière dans un moule ou à la déposer sur une courroie poreuse en mouvement pour for- mer une bande continue D'autres procédés de formage qui
peuvent être avantageux comprennent, par exemple, le moule-
par injection, le moulage sous vide, le moulage centrifuge ou la coulée du mélange sur une forme ou sur un article de
forme donnée.
Selon la forme de réalisation préconisée, la mousse, contenant l'élastomère ou le liant réticulé,-est
chauffée en outre ou finalement à une température suffi-
sante pour dégrader thermiquement, oxyder, décomposer ou
volatiliser le liant organique et les autres matières organi-
ques contenues dans la mousse Ce chauffage ne provoque pas l'affaissement de la mousse, notamment lorsque de petites quantités de sels métalliques et de charges sont incluses dans le mélange Ces sels et ces charges tendent à lier la fibre céramique contenue dans la structure en expansion
par l'établissement de ponts à l'intersection entre fibres.
De plus, on considère que le résidu de la matière organique
forme une ossature qui aide à maintenir la matière en expan-
sion. Le produit résultant est flexible et a une faible densité apparente, c'est-à-dire d'environ 4,82 à environ
96,4 kg/m 3, selon les conditions de traitement et les char-
ges La mousse de fibres céramiques peut être utilisée dans des environnements présentant une température continue supérieure à 10380 C et pouvant atteindre environ 1260 'C et une température intermittente allant jusqu'à environ 1315 'C, le point de fusion étant à peu près le même que celui des
fibres céramiques de la mousse, qui est de l'ordre de 1760 'C.
La mousse a également une faible conductivité thermique et constitue une excellente barrière à l'epreuve des flammes, La mousse de fibres céramiques de la présente invention n'est pas toxique, elle est relativement inerte eten raison de ses propriétés, on peut l'utiliser dans une grande variété d'applications, par exemple l'aérospatiale, les fours, les parois de chaudières, la protection nucléaire, les écrans pare- feu, etc.
D'autres caractéristiques de l'invention ressor-
tent des exemples qui suivent.
EXEMPLE 1
On a préparé le mélange suivant: 26 000 ml d'eau g d'alginate de sodium 800 ml de solution de savon contenant 15 % d'oléate de sodium g de mica g de dispersion de néoprène N 357 800 g de laine minérale prétraitée avec un silane Le mélange a été chargé dans un hydrobroyeur et trituré pendant environ 15 minutes La mousse humide a ensuite été coulée dans un moule et chauffée à environ 121-149 C jusqu'à ce que la matière soit sèche et que l'élastomère soit réticulé La matière a ensuite été chauffée progressivement à 288 C pendant environ 2 heures
pour brûler les résidus organiques.
On a suivi le même mode opératoire que dans l'exemple 1 pour préparer des mousses céramiques à partir
des formules suivantes.
EXEMPLE 2
000 ml d'eau 750 ml de solution à 15 % de savon g de mica ( 3 X) 60 g de vermiculite expansée N 4 g de microsphères de verre N' 3 g de latex "Viton" (condensé) à 40 % de matières solides 700 g de laine minérale R prétraitée avec un silane/oléate 4 g de sulfate d'aluminium
EXEMPLE 3
26 000 ml d'eau g d'alginate de sodium 700 ml de solution de savon à 15 % g de microsphères de verre N 2 g de sulfate de calcium g de mica ( 4 X) g de dispersion de polychloroprène à % 800 g de laine minérale R prétraitée au silane/oléate 2 g de sulfate d'aluminium 0,3 g d'oxyde de zinc (particules inférieures à 47 gm
EXEMPLE 4
000 ml d'eau g de gomme xanthane (polysaccharide) 750 ml de solution à 15 % de savon g de silicate de calcium (particules inférieures à 47 -m) g de sulfate de calcium (particules inférieures à 47 Dm) g de mica ( 3 X) g de dispersion de latex de "néoprène" (N 357) à 50 % de matières solides 0,1 g d'oxyde de zinc 2 g de sulfate d'aluminium 700 g de laine minérale prétraitée au silane/ oléate
EXEMPLE 5
26 000 ml d'eau 800 ml d'oléate de sodium à 15 % g d'alginate de sodium g de fibres de verre "E" fractionnées de 1,27 mm g de microsphères de verre N -2 g de dispersion de latex de "néeoprène" à % de matières solides 600 g de laine minérale 1 g de sulfate d'aluminium
EXEMPLE 6
000 ml d'eau 600 ml de solution ( 90) à 15 % de savon g d'alginate de sodium 5 g de polyéthylène de poids moléculaire 000 g de mica ( 3 X) g de latex de polychloroprène à 50 % de matières solides 700 g de "Kaowool" prétraité au silane/oléateo

Claims (8)

REVENDICATIONS
1 Matériau léger résistant à la chaleur, carac-
térisé en ce qu'il comprend environ 50 à environ 95 % de fibre céramique sous la forme d'une mousse élastique poreuse, ledit matériau ayant une densité apparente d'environ 4,82 à
environ 96,4 kg/m 3 et résistant à des températures supérieu-
res à 1038 C.
2 Produit suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau contient environ O à environ 30 % de
fibres inorganiques.
3 Produit suivantela revendication 2, caractérisé en ce que les charges inorganiques comprennent du mica, de
la vermiculite, des microsphères de verre et leurs mélanges.
4 Produit suivant la revendication 1, caractérisé
en ce que le matériau contient en outre un sel cristallisa-
ble -
Procédé de production d'une mousse inorganique peu dense, caractérisé en ce qu'il consiste à codisperser des fibres céramiques et un liant organique dans un milieu
aqueux conjointement avec un surfactant, à battre la dis-
persion en une mousse et à chauffer la mousse pour réticuler
le liant organique.
6 Procédé suivant la revendication 5, caractérisé en ce que la mousse contenant le liant réticulé est ensuite chauffée au-dessus de la température de décomposition du
liant organique.
7 Procédé suivant la revendication 5, caractérisé
en ce que le liant organique est un élastomère.
8 Procédé de production d'une mousse de fibres céramiques, caractérisé-en ce qu'il consiste à former un mélange aqueux comprenant enrviron 50 à environ 95 % de fibre céramique, environ 3 à environ 20 % de dispersion aqueuse d'un élastomère réticulable par la chaleur, O à environ 30 % de charges inorganiques, O à 1 % d'un sel métallique et 1 à environ 20 % d'un surfactant, à battre le mélange pendant une durée suffisante pour former une mousse humide et à
chauffer la mousse humide suffisamment pour réticuler l'élas-
tomère. 9 Procédé suivant la revendication 8, caractérisé en ce que la mousse contenant l'élastomère réticulé est ensuite chauffée davantage audessus de la température de
décomposition de l'élastomère.
10 Procédé suivant la revendication 8, caractérisé en ce que la fibre céramique est chauffée avec un agent de couplage choisi entre des silanes et des titanates avant la
formation du mélange aqueux.
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