NO145469B

NO145469B - Ildfast fiber-isolasjonsmateriale.

Info

Publication number: NO145469B
Application number: NO77771274A
Authority: NO
Inventors: William Clyde Miiller
Original assignee: Johns Manville
Priority date: 1976-04-14
Filing date: 1977-04-13
Publication date: 1981-12-21
Also published as: SE422323B; DK164577A; DE2715696A1; FI64566B; JPS52135354A; FR2348430B1; JPS589079B2; CA1073477A; SE7704224L; FI771182A; DE2715696B2; FI64566C; DE2715696C3; AU2410877A; GB1541157A; US4040847A; FR2348430A1; NO771274L; AU504822B2; NO145469C

Description

Foreliggende oppfinnelse angår termiske isolasjonsmaterialer av ildfaste fibre som er særlig egnet for anvendelse i vannholdige pakninger, kjent som "våtpakninger".

Typiske ildfast fiber-termiske isolasjonstepper er relativt myke og spenstige med praktisk talt ingen evne til å være selvbærende når de anbringes vertikalt. For visse anvendelser er det imidlertid absolutt nødvendig at et ildfast fibermateriale er selvbærende slik at sluttproduktet (f.eks. en forbrenningskammer-foring) kan anbringes vertikalt uten ytre støtte. Tidligere forsøk på å fremstille selvbærende ildfaste fibermaterialer innbefatter impregnering av tepper av fibre med forskjellige binde-middelmaterialer, f.eks. siliciumholdige bindemidler. Det binde-middelimpregnerte ildfaste fiberteppe formes til en ønsket fasong, og bindemidlet varmeherdes så for å danne et stivt selvbærende legeme.

Slike tidligere kjente formbare tepper pakkes typisk i form av "våtpakninger". Teppet impregnert med et. vandig bindemiddel - system pakkes i en lufttett og vanntett beholder., som en plastpose. I dette system forblir bindemidlet i det vesentlige uherdet, og det formbare produkt kan lett sendes og lagres. For å installere teppet åpnes beholderen, og det impregnerte teppe formes så til den ønskede fasong, og bindemidlet herdes.

Der er imidlertid visse problemer med "våtpaknings"-typen

av pakning. Da våtpakningen må forbli bøyelig og formbar inntil den er installert, må impregneringsbindemiddelsystemet være av en ikke-gelerende type. Partiklene i slike ikke-gelerende bindemidler er tilbøyelige til å migrere til overflaten av fiberteppet under tørring. Et erholdt formet produkt har således bindemiddel bare i sine ytre overflatelag, hvilket gir en vesentlig svakere gjenstand enn de produkter som er fremstilt med gelerte binde-

middelsystemer hvor bindemidlet bibeholdes i hele fiberteppelegemet. Dessuten blir våtpakningene av fibre under forsendelse og lagring ofte utsatt for lave temperaturer som kan fryse den vandige del av bindemiddelsystemet. En slik frysning bringer fast bindemiddelmateriale til å falle ut av bindemiddelsystemet og fiberteppelegemet. Dette fører også til et vesentlig svekket produkt.

En anvendelse av ildfast fiber-våtpakninger er som termisk isolasjon for automobil-turbinmotorblokker. Det er imidlertid vanskelig å få tidligere kjente våtpaknings-fiberisolasjons-materialer til tilfredsstillende å feste til metallflater på motorblokkene. Hvis god vedheftning ikke oppnåes, blir den termiske effektivitet av isolasjonen vesentlig nedsatt.

Det er et mål ved foreliggende oppfinnelse å overvinne ulempene ved tidligere kjente våtpakningssystemer ved å fremskaffe et våtpakningssystem for ildfast fiber-termisk isolering som er stabilt efter å være utsatt for frysetemperaturer, som nedsetter migrering av bindemiddelkomponentene under tørring av det endelige formede produkt, og hefter sterkt til metallflater av den type som anvendes i automobilmotorer.

Foreliggende oppfinnelse fremskaffer følgelig et ildfast fiber-isolasjonsmateriale av våtpakketypen i form av et bindemiddelimpregnert ildfast fiber-teppe, hvor bindemidlet er et bindemiddelsystem som inneholder 25 til 95 volum% av en vandig suspensjon av kolloidalt siliciumdioxyd inneholdende 15 - 30 vekt% faststoffer, 5-12 volum% ethylenglycol; og inntil 70% tilsatt vann, kjennetegnet ved at det kolloidale siliciumdioxyd er i form av partikler med en gjennomsnittlig partikkeldiameter på ikke over 10 nm.

Det ildfaste fiber-teppe og vandige uorganiske bindemiddelsystem ifølge oppfinnelsen er særlig egnet for å innesluttes i en vanntett og lufttett beholder for forsendelse og lagring, og som senere pakkes opp og formes til en ønsket fasong og tørres for å danne en fast masse av fibre bundet sammen med herdet bindemiddel.

I en foretrukken utførelsesform omfatter bindemiddelsystemet 67 volumdeler av en kolloidal siliciumdioxydsuspensjon inneholdende 15 vekt% fast stoff, 8 volumdeler ethylenglycol og 25 volumdeler tilsatt vann. Slike systemer har vist seg å være stabile efter frysing og tining og har en betraktelig nedsatt tilbøyelighet til bindemiddelmigrering under tørring. De hefter også til over-flater av metaller av den type som anvendes i bilmotorstøpe-stykker.

En hovedbestanddel av det ildfaste fiber-isolasjonsmateriale ifølge oppfinnelsen er et ildfast fiberteppe som omfatter forskjellige syntetiske ildfaste fibermaterialer, som stenull, mineral- eller slaggull, keramiske fibre og lignende. Det fibrøse materiale er typisk fra smelter av materialer overveiende av silikater av calcium, aluminium og to- eller treverdige metall-oxyder. Særlig foretrukne er de syntetiske aluminiumsilikatfibre som er dannet fra smelter av aluminiumoxyd og siliciumdioxyd, eller overveiende av aluminiumoxyd og siliciumdioxyd med mindre mengder av tilsatte oxyder, som titandioxyd, zirkoniumoxyd eller kromoxyd. Typiske for de sistnevnte materialer er kommersielle ildfaste fibre solgt av Johns-Manville Corporation under vare-merkene "CERAFIBER" og "FIBERCHROME". Ved en foret rukken utfør-elsesform består det ildfaste fibermateriale i teppet fullstendig av syntetiske aluminiumsilikatfibre.

Som anvendt her, er fiberlegemet betegnet som et "teppe" fordi det er i denne form produktet finner sin endelige anvendelse. Det er imidlertid ikke ment at uttrykket "teppe" skal være begrenset til de fibrøse legemsformer som kan selges på markedet under betegnelsen "teppe". Uttrykket er ment å innbe-fatte alle fibrøse legemer med en relativt vid, flat, langstrakt form som i alminnelighet forbindes med "tepper", enten fiberlegemet virkelig er vevet, filtret, filtet eller på annen måte overført til en slik form. Fibrene kan taes som de opprinnelig ble oppsamlet efter fiberdannelse, eller fibrene kan være sammen-presset , nålet eller på annen måte dannet til et "teppe". Slike former og fremstillingsmetoder er vel kjent for fagfolk, og det

er meningen at alle stort sett ekvivalente fremstillingsmetoder og spesifikke konfigurasjoner skal være innenfor rammen av oppfinnelsen.

Den nye bestanddel av det ildfaste fiber-isolasjonsmateriale ifølge oppfinnelsen er et bindemiddelsystem hvori dets faste bestanddel ikke utfelles i særlig grad til,tross for frysing og tining, og hvor den faste bestanddel ikke er tilbøyelig til å migrere til overflaten av teppet ved tørring. Dette bindemiddelsystem innbefatter tre grunnkomponenter; en vandig suspensjon av kolloidalt siliciumdioxyd med kritisk partikkelstørrelse, ethylenglycol og vann, idet det siste omfatter både vann inkorporert som en del av den vandige suspensjon av kolloidalt siliciumdioxyd, og i foretrukne utførelsesformer også innbefatter ytterligere vann.

Den vandige suspensjon av kolloidalt siliciumdioxyd består i det vesentlige av siliciumdioxydpartikler dispergert i vann-med et faststoffinnhold i suspensjonen i området 15 - 30 vekt%. Det er kritisk for oppfinnelsen at den gjennomsnittlige partikkelstørr-else av siliciumdioxydet ikke er større enn 10 nm. 10 nm-grensen kan betraktes som den øvre grense av en konvensjonell fraksjon av siliciumdioxydpartikler. Som sådant kan der være noen partikler (mindre enn 10%) av litt større størrelse (opptil ca. 1 nm større, i de fleste tilfelle). Dette henspiller på konvensjonell kommersiell praksis å klassifisere siliciumdioxydpartikler i grupper som "fraksjoner" i hvilke ca. 90% eller mere av alle partiklene har størrelser innen et ca. 1 nm område. Således er der f.eks. 4 - 5 nm og 7 - 8 nm "fraksjoner". Slike fraksjoner er innenfor området for oppfinnelsen, som en 9 - 10 nm fraksjon ville være. Fraksjoner av større partikler som en 12 - 13 nm fraksjon er imidlertid ikke effektive ved foreliggende oppfinnelse fordi slike større partikler ikke nedsetter bindemidlets tilbøyelighet til å migrere. Dessuten har den meget lille partikkelstørrelse uventet vist seg å gi et produkt med betraktelig større styrke efter tørring enn tepper bundet med siliciumdioxyd med større par-tikkelstørrelse. Den vandige suspensjon av kolloidalt siliciumdioxyd er tilstede som 25 - 95 volum% av bindemiddelsystemet, og fortrinnsvis 60 - 95 volum%. Den faste siliciumdioxyddel av suspensjonen er i området fra 15% til 30 vekt%, fortrinnsvis 15 - 20 vekt% av suspensjonen. Da den spesifikke vekt av amorft siliciumdioxyd er 2,2, kan det lett beregnes at dette er ekvivalent med et siliciumdioxydinnhold på 7,4 - 16,4 volum%, fortrinnsvis 7,4 - 10,2 volum% av suspensjonen. Det er også ekvivalent med 1,9 - 15,6 volum%, fortrinnsvis 4,1 - 15,6 volum% av bindemiddelsystemet som et hele. Normalt innbefatter i kommersiell form kolloidale siliciumdioxydsuspensjoner små mengder av tilsatte materialer i alminnelighet beregnet på å stabilisere den kolloidale suspensjon. Slike tilsetninger påvirker ikke virkningen av bindemiddelsystemet ifølge oppfinnelsen og kan derfor her settes ut av betraktning. For formålene ifølge foreliggende oppfinnelse kan således den del av suspensjonen som er annet enn den kolloidale siliciuTidioxydkomponent, betraktes som i det vesentlige alt værende vann.

Den annen komponent av bindemiddelsystemet ifølge oppfinnelsen er ethylenglycol som er tilstede i en mengde på 5 - 12 volum%, fortrinnsvis 6-9 volum%, av systemet. Passende ethylenglycol (som har den kjemiske formel C2H^(OH)2 og alternativt er kjent som 1,2-ethandiol) kan være typisk kommersielt tilgjenge-lig ethylenglycol. I noen tilfelle er kommersiell ethylenglycol i virkeligheten en blanding av ethylenglycol og vann. Hvis en slik kilde anvendes ved foreliggende oppfinnelse, bør vanndelen av den kommersielle blanding beregnes separat som tilsatt vann i foreliggende system, og ethylenglycolkomponenten bør bestemmes som ren ethylenglycol. Hvis man således anvender 10 volum% av en 50-50 blanding av ethylenglycol og vann i foreliggende system, bør dette taes i betraktning som 5 volum% ethylenglycol og 5 volum% tilsatt vann.

Den tredje komponent i bindemiddelsystemet ifølge oppfinnelsen er vann. Den kolloidale si 1 iciumdioxydsuspensjon omfatter ca. 84 - 93 volum% vann basert på suspensjonen, hvilket svarer til ca. 21,5 til 88 volum% vann, beregnet på bindemiddelsystemet.

Dette kan i og for seg være tilstrekkelig vann for formålene

ifølge foreliggende preparat, og derfor kan den tilsatte vann-mengde av denne komponent være så lav som 0%. Det foretrekkes imidlertid at der er tilsatt vann. Det tilsatte vann kan utgjøre så meget som 70 volum% av bindemiddelsystemet. Fortrinnsvis er det tilsatte vann tilstede som 10 - 40 volum% av systemet. Det tilsatte vann behøver ikke å være spesielt behandlet; vanlig drikke-vann, som springvann, har vist seg å være helt tilfredsstillende.

Fremstilling av en forbedret våtpakning i henhold til foreliggende oppfinnelse utføres som følger: Bindemiddelsystemet dannes ved å blande sammen den vandige suspensjon av kolloidalt siliciumdioxyd ethylenglycol og tilsatt vann. Denne blanding kan anbringes i en stor beholder eller kar hvori det ildfaste fiber-teppe dyppes. Alternativt kan bindemiddelsystemet pumpes fra et oppbevaringskar og dusjes på teppet. Et bindemiddelimpregnert teppe kan straks pakkes i en luft- og vann-tett beholder-, fortrinnsvis en plastpose. Det foretrekkes imidlertid heller først å sammenpresse det impregnerte teppe ved å føre det mellom trykk-valser for å klemme ut overskudd av bindemiddel og fastlegge tykkelsen av teppet før det pakkes i den luft- og vann-tette beholder.

Det kan også være ønskelig å inkorporere i bindemiddelsystemet et baktericid eller biocid i mengder på ca. 50 til 200 ppm for å inhibere bakterie- eller fungusvekst i våtpakningen. En slik inkorporering behøver ikke å være nødvendig hvor systemets pH er relativt høy, da en høy pH inhiberer den biologiske vekst.

For å illustrere preparatene og produktene ifølge foreliggende oppfinnelse er egenskapene av tre "våtpaknings" -tepper sammenlignet i de følgende tabeller. Bindemiddelsystemet i teppet ifølge oppfinnelsen ("prøve A") omfatter 67 volum% av en kommersiell kolloidal siliciumdioxydsuspensjon inneholdende 15 vekt% siliciumdioxyd (solgt under nr. "1115" av Nalco Chemical Company), 25 volum% springvann og 8 volum% ethylenglycol. Dette bindemiddelsystem ble anvendt til å mette et teppe fremstilt av syntetiske aluminiumsilikatfibre solgt under varemerket "CERAFIBER" av Johns-Manville Corporation beskrevet ovenfor. Denne eksperi-mentelt fremstilte våtpakning sammenlignes med to kommersielle ildfast fiber-våtpakninger. Forsøksprøve B er en våtpaknings-isolering fremstilt i Europa og inneholder en andel av uidenti-fisert organisk materiale øyensynlig tilsatt for å inhibere bindemiddelmigrering. Forsøksprøve C er en kommersiell våtpakning fremstilt i U.S.A. I begge kommersielle produkter antaes bindemidlene å omfatte betraktelige mengder siliciumdioxyd med en gjennomsnitt spartikkeldiameter større enn IO nm. Intet ethylen-glycol kunne påvises i prøvene. Forsøksteppet ifølge oppfinnelsen og det europeiske teppe var begge nominelt 2,54 cm tykke, mens det kommersielle amerikanske teppe var 1,27 cm tykt. De følgende tabeller illustrerer de respektive egenskaper av de tre prøver og viser forbedringen av våtpakningen ifølge oppfinnelsen.

Det fremgår av data i tabell 2 at våtpakningen ifølge oppfinnelsen har betraktelig mindre krympning og større styrke enn den kommersielle amerikanske våtpakning (prøve C) over hele området for undersøkte egenskaper. Dessuten er de termiske egenskaper av våtpakningen ifølge oppfinnelsen generelt bedre enn de for den kommersielle europeiske våtpakning (prøve B), særlig efter brenning av materialet ved temperaturer over ca. 1100 C. Det vil sees at krympningen av det europeiske materiale ved høye temperaturer var ofte 50% høyere enn for foreliggende materiale.

Tiningsegenskapene fremgår av tabell 3- Våtpakningen i henhold til oppfinnelsen led bare en 20% nedsettelse i styrke målt som bøyningsfasthet. Den europeiske våtpakning (prøve B) var utsatt for mere enn 40% nedsettelse i styrke. (Den kommersielle amerikanske våtpakning (prøve C) synes å ha hatt en liten økning i styrke, men totalstyrken av dette materiale var så meget lavere

enn for de to andre materialer at en sammenligning på basis av

- fryse-tiningsegenskaper er meningsløs).

Det vil således sees at materialet ifølge oppfinnelsen opp-viser meget bedre termiske egenskaper, særlig ved høyere temperaturer, enn de kommersielle materialer ifølge teknikkens stand. Dessuten påvirkes det ikke særlig av frysing og tining, og opp-viser således en meget større temperaturstabilitet for lagring og transport .

For å prøve adhesjonsegenskapene av fiberisoleringen ble eksempler på våtpakningspreparater ifølge oppfinnelsen påført på prøver av metallstøpestykker av den type som anvendes i bil-turbinmotorer og brakt til å tørre. Senere forsøk på å skille metallet og isolasjonen viste at de var så tett sammenheftet at isolasjonen ikke kunne fjernes uten å rive den.

Et videre eksempel på overlegenheten av preparatene ifølge oppfinnelsen er vist i tabell 4 nedenfor. Laboratorieprøver av tre materialer ble fremstilt under anvendelse av tepper av 2,5 cm tykke ildfaste fibre, idet fibrene var de førnevnte kommersielle aluminiumsilikatfibre solgt under varemerket "CERAFIBER".

Prøve D inneholdt et bindemiddelsystem fremstilt av 9,5.vekt% siliciumdioxyd-faststoff av 4 nm gjennomsnittlig partikkelstørrelse og 8 vekt% ethylenglycol (dvs. et bindemiddel ifølge oppfinnelsen). Prøve E var identisk unntatt at den gjennomsnittlige partikkel-størrelse av slliciumdioxydet var 15 nm. Prøve F var identisk med prøve E unntatt at det ikke inneholdt noe ethylenglycol. De fysikalske egenskaper av disse tre prøver er angitt nedenfor.

Våtpaknings-isolasjonspakkene ifølge oppfinnelsen omfatter de ovenfor beskrevne isolerende preparater innelukket i en luft-og vann-tett beholder, som fortrinnsvis er en bøyelig plastpose. Andre beholdere kan også anvendes, som kraftpapirposer eller kartonger forseglet med passende belegningsmaterialer, metall-foliebeholdere osv.

Claims

1. Ildfast fiber-isolasjonsmateriale av våtpakketypen i form av et bindemiddel-impregnert ildfast fiberteppe, hvor bindemidlet er et bindemiddelsystem som inneholder 25 - 95 volum% av en vandig suspensjon av kolloidalt siliciumdioxyd inneholdende 15 - 30 vekt% faststoffer, 5-12 volum% ethylenglycol, og inntil 70 volum% tilsatt vann, karakterisert ved at det kolloidale siliciumdioxyd er i form av partikler med en gjennomsnittlig partikkeldiameter ikke større enn 10 nm.

2. Ildfast fiber-isolasjonsmateriale ifølge krav 1, karakterisert ved at bindemiddelsystemet inneholder 60 - 95 volum% av den vandige suspensjon av kolloidalt siliciumdioxyd.

3. Ildfast fiber-isolasjonsmateriale ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at siliciumdioxydet er i form av partikler med en gjennomsnittlig partikkeldiameter på ikke over 6 nm.

4. Ildfast fiber-isolasjonsmateriale ifølge krav 1-3, karakterisert ved at den vandige suspensjon av kolloidalt siliciumdioxyd er tilstede i en mengde på 67 volum% og inneholder 15 vekt% fast stoff, idet den gjennomsnittlige partikkelstørrelse ikke er over 6 nm, og at bindemiddelsystemet inneholder 8 volum- ethylenglycol og 25 volum% tilsatt vann.