DE202024100516U1 - Gas-permeable 3D thermal insulation product made from basalt fibers - Google Patents
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Abstract
Ein gasdurchlässiges, wärmeisolierendes 3D-Produkt, das hauptsächlich aus Basalt-Stapelfasern hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass Flocken aus niedrigschichtigem Graphen als Schicht mit einer Dicke von 15 bis 30 nm auf die Fasern angeordnet sind.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein gasdurchlässiges, wärmeisolierendes 3D-Produkt nach Anspruch 1 das durch Vakuumformen aus Mineralfasern herstellbar ist, die insbesondere durch Schneiden von Endlosfasern in Stücke mit einer gemessenen Länge von 6, 12, 18, 24 mm, überwiegend aus Basaltzusammensetzung, erhalten werden.The present invention relates to a gas-permeable, heat-insulating 3D product according to
Während des Faserbildungsprozesses können Endlosfasern mit niedrigschichtigem Graphen beschichtet werden, die in Form einer wässrigen Dispersion dem Schlichtemittel zugesetzt werden können, was zur Bildung einer 5-10 nm dicken Schutzschicht aus Graphenflocken auf der Oberfläche führt die Fasern, die die Hochtemperaturzerstörung des Basalts sowohl in saurer als auch in alkalischer Umgebung verhindern und außerdem die Bildung schmelzbarer Verbindungen an den Kontaktstellen der Mineralfasern reduzieren.During the fiber formation process, continuous fibers can be coated with low-layer graphene, which can be added to the sizing agent in the form of an aqueous dispersion, resulting in the formation of a 5-10 nm thick protective layer of graphene flakes on the surface of the fibers, which prevents the high-temperature destruction of the basalt in both acidic as well as in an alkaline environment and also reduce the formation of fusible compounds at the contact points of the mineral fibers.
Als Bindemittel können mineralische Bindemittel in Form einer Lösung aus Kieselsäure oder siliciumorganischen Bindemitteln eingesetzt werden. Diese Bindemittel dürfen keine phenolischen Verbindungen oder Oxide von Alkali- oder Erdalkalimetallen enthalten.Mineral binders in the form of a solution of silica or organosilicon binders can be used as binders. These binders must not contain phenolic compounds or oxides of alkali or alkaline earth metals.
Technisches Ergebnis: Herstellung gasdurchlässiger Produkte aus Mineralfasern, hauptsächlich aus Basaltzusammensetzung (Carbobasalt), mit einer Resistenz gegenüber aggressiven Umgebungen und Wasserdampf bei Temperaturen bis zu 1100°C.Technical result: Production of gas-permeable products from mineral fibers, mainly from basalt composition (carbobasalt), with resistance to aggressive environments and water vapor at temperatures up to 1100°C.
Das Gebrauchsmuster bezieht sich auf die Bereiche industrielle Hochtemperatur-Gasreinigung, Hochtemperatur-Gasneutralisation, Industrietiefbau, Schiffbau und kann auch für die Herstellung von Feuerlöschelementen von Gebäuden oder architektonischen Bauwerken mit einer Feuerwiderstandsgrenze verwendet werden von bis zu 120 Minuten.The utility model relates to the areas of industrial high-temperature gas purification, high-temperature gas neutralization, industrial civil engineering, shipbuilding, and can also be used for the production of fire extinguishing elements of buildings or architectural structures with a fire resistance limit of up to 120 minutes.
An alle Wärmedämmstoffe werden hohe Anforderungen gestellt. Zunächst müssen sie über hohe Wärmedämm- und Festigkeitseigenschaften verfügen. Darüber hinaus müssen diese Materialien über hohe Brandbekämpfungseigenschaften verfügen, bei einem Brand keine gesundheitsschädlichen Stoffe abgeben, der Einwirkung von Niederschlägen standhalten und beim Einsatz im Schiffbau meerwasserbeständig und leicht zu entsorgen sein. Zusätzlich zu all diesen Bedingungen müssen Produkte umweltfreundlich und gesundheitlich unbedenklich sein.High demands are placed on all thermal insulation materials. First of all, they must have high thermal insulation and strength properties. In addition, these materials must have high fire-fighting properties, do not release substances harmful to health in the event of a fire, withstand the effects of precipitation and, when used in shipbuilding, be seawater-resistant and easy to dispose of. In addition to all these conditions, products must be environmentally friendly and harmless to health.
Die Reinigung von Industriegasemissionen, die giftige Stoffe enthalten, ist heute in allen Industriezweigen eine unverzichtbare Anforderung. Neben mechanischen, physikalisch-chemischen und chemischen Methoden der Gasreinigung werden häufig thermische Methoden eingesetzt.Purification of industrial gas emissions containing toxic substances is now an essential requirement in all industries. In addition to mechanical, physical-chemical and chemical methods of gas purification, thermal methods are often used.
Mit dem Aufkommen neuer technologischer Verfahren und einer Steigerung des Produktionsvolumens stimuliert der Anstieg der Stromkosten die Schaffung energiesparender Systeme, die auf der Nutzung heißer Abgase mit einer Temperatur von 250-1000°C aus Industrieanlagen basieren Wärme- und Energiequellen. Gleichzeitig ist für die Wärmenutzung eine Vorreinigung heißer Gase sowohl von Staubpartikeln als auch von Säuredämpfen und anderen giftigen und schädlichen Substanzen erforderlich.With the emergence of new technological processes and an increase in production volumes, the increase in the cost of electricity stimulates the creation of energy-saving systems based on the use of hot exhaust gases with a temperature of 250-1000°C from industrial facilities as heat and energy sources. At the same time, for the use of heat, pre-cleaning of hot gases from both dust particles and acid vapors and other toxic and harmful substances is required.
Für einen stabilen Betrieb von Filterelementen ist eine hohe Beständigkeit gegenüber aggressiven Umgebungen und insbesondere bei hohen Temperaturen erforderlich. Das beanspruchte Produkt weist aufgrund der Ablagerung von Graphenschichten auf der Oberfläche der Basaltfaser eine hohe chemische Beständigkeit auf.For stable operation of filter elements, high resistance to aggressive environments and especially at high temperatures is required. The claimed product has high chemical resistance due to the deposition of graphene layers on the surface of the basalt fiber.
Die so gewonnene Carbobasalt Faser kann auch in Verbundwerkstoffen als Verstärkungskomponente verwendet werden.The carbobasalt fiber obtained in this way can also be used in composite materials as a reinforcing component.
Die Hochtemperatur-Gasfiltration wird insbesondere in folgenden technologischen Prozessen eingesetzt:
- - in der Metallurgie-, Zement- und Glasindustrie (direkte Reinigung von Abgasen bei Temperaturen von 800-1100 °C, insbesondere ohne Zwangskühlung, um Energiekosten und Energieressourcen zu reduzieren);
- - in der Petrochemie und Ölraffination (Sammeln feiner Katalysatorpartikel wie Platin, Iridium, Gold zum Zweck ihrer anschließenden Regeneration sowie toxischer Produkte der katalytischen Synthese zum Zweck der anschließenden Entsorgung);
- - Vergasung von Holzkohle und Torf (Sammlung fester Partikel, 650-870°C);
- - Siliziumproduktion (Sammeln von Quarzstaub, 250-400°C); und in vielen anderen Prozessen.
- - in the metallurgy, cement and glass industries (direct purification of exhaust gases at temperatures of 800-1100 ° C, especially without forced cooling, to reduce energy costs and energy resources);
- - in petrochemistry and oil refining (collection of fine catalyst particles such as platinum, iridium, gold for the purpose of their subsequent regeneration, as well as toxic products of catalytic synthesis for the purpose of subsequent disposal);
- - Gasification of charcoal and peat (collection of solid particles, 650-870°C);
- - Silicon production (collection of silica dust, 250-400°C); and in many other processes.
Durch den Einsatz der Direktfiltration von Abgasen und staubigen Verbrennungsprodukten mit dem erfindungsgemäßen 3D-Produkt werden die Energiekosten um bis zu 15 % gesenkt, der Energieverbrauch um bis zu 10 % gesenkt und das Umweltproblem großer Industriesiedlungen gelöst.By using direct filtration of exhaust gases and dusty combustion products with the 3D product according to the invention, energy costs are reduced by up to 15%, energy consumption is reduced by up to 10% and the environmental problem of large industrial settlements is solved.
Zusätzlich zu den oben genannten Bereichen kann dieses Produkt als Katalysatorträger für die Nachverbrennung schädlicher und gefährlicher staubförmiger Materialien, die Arsen, Phosphor, Fluor und Zyanide enthalten, dienen.In addition to the above areas, this product can be more harmful and dangerous as a catalyst support for afterburning dusty materials containing arsenic, phosphorus, fluorine and cyanide.
Die Probleme der Hochtemperatur-Gasreinigung in modernen technologischen Prozessen werden in der Arbeit „Sauerstofftrennung aus Luft mithilfe keramikbasierter Membrantechnologie für nachhaltige Kraftstoffproduktion und Stromerzeugung“ von S.S. ausführlich beschrieben. Hashim, S. Bhatia, in Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2011.The problems of high-temperature gas purification in modern technological processes are discussed in the work “Oxygen separation from air using ceramic-based membrane technology for sustainable fuel production and power generation” by S.S. described in detail. Hashim, S. Bhatia, in Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2011.
Chemische Reaktionen zwischen den Inhaltsstoffen von Gasemissionen, die unter normalen Bedingungen praktisch nicht nachweisbar sind, beschleunigen sich mit steigender Temperatur erheblich. Ein System, das giftige Stoffe enthält, kann durch Wärmebehandlung unschädlich gemacht werden, wenn die darin ablaufenden Reaktionen zur Bildung weniger toxischer Bestandteile führen.Chemical reactions between the ingredients of gas emissions, which are virtually undetectable under normal conditions, accelerate significantly as the temperature increases. A system containing toxic substances can be rendered harmless by heat treatment if the reactions taking place in it lead to the formation of less toxic components.
Für die thermische Neutralisierung von Gasemissionen gibt es drei Schemata: direkte Verbrennung in einer Flamme, thermische Oxidation (Nachverbrennung) und katalytische Nachverbrennung. Direkte Verbrennung in einer Flamme und thermische Oxidation (Nachverbrennung) erfolgen bei Temperaturen von 600 - 800°C, katalytische Oxidation - bei 250 - 450°C.There are three schemes for thermal neutralization of gas emissions: direct combustion in a flame, thermal oxidation (afterburning) and catalytic afterburning. Direct combustion in a flame and thermal oxidation (afterburning) occur at temperatures of 600 - 800°C, catalytic oxidation - at 250 - 450°C.
Der Gasphasenprozess der thermischen Oxidation erfolgt durch direkte Brandbehandlung (Verbrennung in einer Flamme) von Gasemissionen bei Temperaturen, die über der Zündtemperatur der brennbaren Bestandteile der Emissionen liegen.The gas phase process of thermal oxidation occurs by direct fire treatment (burning in a flame) of gas emissions at temperatures above the ignition temperature of the combustible components of the emissions.
Der Einsatz von Produkten mit erhöhter Beständigkeit gegenüber aggressiven Medien, einschließlich flüssiger und gasförmiger Medien, sowie der Einsatz von Produkten mit hohen Wärmedämmeigenschaften, geringer Dichte und hoher mechanischer Festigkeit in diesen Bereichen sind Aufgaben, die durch den Einsatz des erfindungsgemäßen 3D-Produkts / Carbobasalts gelöst werden können.The use of products with increased resistance to aggressive media, including liquid and gaseous media, as well as the use of products with high thermal insulation properties, low density and high mechanical strength in these areas are tasks that are solved by using the 3D product / carbobasalt according to the invention can be.
Wärmedämmstoffe mit hohen Anwendungstemperaturen aus Basaltfasern oder mikroporösen Calciumsilikat- oder keramischen Alumosilikatfasern sind beispielsweise aus folgenden Patenten bekannt:
Alle aufgeführten Produkte aus dem Stand der Technik weisen entweder eine unzureichende mechanische Festigkeit oder eine geringe Beständigkeit gegenüber aggressiven Umgebungen auf oder weisen eine geringe Gasdurchlässigkeit und eine niedrige Betriebstemperatur auf die 600°C nicht überschreitet.All listed prior art products either have insufficient mechanical strength or low resistance to aggressive environments or have low gas permeability and a low operating temperature that does not exceed 600 ° C.
Aus der
Der größte Nachteil dieses Keramikfaser-Isolierprodukts besteht darin, dass es im Vergleich zum erfindungsgemäßen 3D-Produkt/Carbobasalt bei relativ niedrigen Temperaturen im Bereich von 250°C bis 450°C keinen ausreichenden Wärmeschutz bietet, was seine weit verbreitete Verwendung einschränkt.The main disadvantage of this ceramic fiber insulation product is that it does not provide sufficient thermal protection at relatively low temperatures in the range of 250°C to 450°C compared to the 3D product/carbobasalt of the invention, which limits its widespread use.
Aus der
Das beanspruchte Gebrauchsmuster zielt darauf ab, die gasdurchlässigen Eigenschaften und die chemische Beständigkeit bei der Hochtemperaturreinigung und - desinfektion von Gasen sowie die Umweltfreundlichkeit des Herstellungsprozesses von Produkten für diese Zwecke, ihres anschließenden Betriebs und ihrer Entsorgung zu erhöhen.The claimed utility model is aimed at increasing the gas-permeable properties and chemical resistance in high-temperature cleaning and disinfection of gases, as well as the environmental friendliness of the manufacturing process of products for these purposes, their subsequent operation and disposal.
Das technische Ergebnis basiert auf der Tatsache, dass dieses vorzugsweise durch Vakuumformen hergestellte Produkt aus Keramikfasern (hauptsächlich Basalt) Basaltfasern besteht, die mit niedrigschichtigem Graphen vorbeschichtet sind. Die Dicke dieser Beschichtung sollte insgesamt im Bereich von 15 bis 30 nm liegen. Diese Beschichtung wird vorzugsweise während des Faserbildungsprozesses zusammen mit einem Schlichtemittel aufgetragen und ist eine wässrige Dispersion von Graphen.The technical result is based on the fact that this product, preferably manufactured by vacuum forming, consists of ceramic fibers (mainly basalt) basalt fibers pre-coated with low-layer graphene. The overall thickness of this coating should be in the range of 15 to 30 nm. This coating is preferably applied during the fiber formation process along with a sizing agent and is an aqueous dispersion of graphene.
Statt der Basaltfaser können auch andere Keramikfasern für das erfindungsgemäße Produkt eingesetzt werden.Instead of the basalt fiber, other ceramic fibers can also be used for the product according to the invention.
Beim Vakuumformen von 3D-Produkten ist das Bindemittel eine wässrige Lösung von Kieselsäure- oder Organosilicium-Bindemitteln oder eine Kombination dieser Bindemittel bevorzugt. Diese Bindemittel sollten vorzugsweise keine phenolischen Verbindungen, Oxide von Alkali- und Erdalkalimetallen enthalten.When vacuum forming 3D products, the binder is an aqueous solution of silica or organosilicon binders or a combination of these binders is preferred. These binders should preferably not contain phenolic compounds, oxides of alkali and alkaline earth metals.
Die Struktur der auf diese Weise erhaltenen Produkte schafft einen starken gasdurchlässigen Rahmen, verhindert die Bildung schmelzbarer Verbindungen beim Kontakt der Fasern und erhöht sich.The structure of the products obtained in this way creates a strong gas-permeable Frame, prevents the formation of fusible bonds when the fibers come into contact and increases.
Die Beständigkeit gegen gasförmige aggressive Umgebungen wurde durch den Gewichtsverlust des Produkts bei Wechselwirkung mit gasförmigen Substanzen sowohl alkalischer als auch saurer Basen bestimmt. Die Messungen wurden durchgeführt, nachdem das Produkt 24 Stunden lang bei einer Temperatur von 800 °C mit aggressiven Gasen interagiert hatte.Resistance to gaseous aggressive environments was determined by the weight loss of the product when interacting with gaseous substances of both alkaline and acidic bases. The measurements were carried out after the product had interacted with aggressive gases for 24 hours at a temperature of 800 °C.
Zusätzlich zum Gewichtsverlust wurden die Produkte auf mechanische Restfestigkeit getestet.In addition to weight loss, the products were tested for residual mechanical strength.
Unter diesen Bedingungen wies die erfindungsgemäße Faser einen Gewichtsverlust im Bereich von 0,5 - 0,8 % in alkalischer Umgebung und 0,4 - 0,6 % in saurer Umgebung auf. Die Leistung des Prototyps war mehr als zehnmal schlechter als die des angemeldeten Gebrauchsmusters.Under these conditions, the fiber according to the invention had a weight loss in the range of 0.5 - 0.8% in an alkaline environment and 0.4 - 0.6% in an acidic environment. The performance of the prototype was more than ten times worse than that of the registered utility model.
Die mechanische Restfestigkeit des beanspruchten Produkts nach 24-stündiger Einwirkung bei einer Temperatur von 800°C übertraf den Prototyp um durchschnittlich 22 %.The mechanical residual strength of the claimed product after 24 hours of exposure to a temperature of 800°C exceeded the prototype by an average of 22%.
Das Praxishandbuch „Feuerfeste Werkstoffe“, Vulkan-Verlag, beschreibt auf den Seiten 224, 235, 326-333 einige wärmedämmende Eigenschaften von Werkstoffen, die je nach Temperaturbereich variieren.The practical manual “Fireproof Materials”, Vulkan-Verlag, describes on pages 224, 235, 326-333 some heat-insulating properties of materials that vary depending on the temperature range.
Auch bei Temperaturen über 800 °C dominiert demnach in feuerfesten und wärmedämmenden Materialien die Wärmeübertragung durch Strahlung. Strahlungswärmeübertragungsdämpfer sind im Stand der Technik fein verteilte, überwiegend nanodisperse Additive, die Fasern verstärken und einen hohen Wärmeschutz bei Temperaturen über 1200 °C bieten.Even at temperatures above 800 °C, heat transfer through radiation dominates in fireproof and heat-insulating materials. In the state of the art, radiant heat transfer dampers are finely dispersed, predominantly nanodisperse additives that reinforce fibers and offer high thermal protection at temperatures above 1200 °C.
Bei Temperaturen unter 800 °C, also bei den maximalen Betriebstemperaturen von Gasfiltern, überwiegt die Wärmeübertragung durch Konvektion. Um in diesem Temperaturbereich hohe Wärmedämmeigenschaften zu erreichen, ist es daher notwendig, Bedingungen zu schaffen, die die konvektive Wärmeübertragung reduzieren, was in der beanspruchten technischen Lösung vorgeschlagen wird.At temperatures below 800 °C, i.e. at the maximum operating temperatures of gas filters, heat transfer through convection predominates. Therefore, in order to achieve high thermal insulation properties in this temperature range, it is necessary to create conditions that reduce convective heat transfer, which is proposed in the claimed technical solution.
Um Basaltfasern eine zusätzliche Beständigkeit gegenüber gasförmigen, aggressiven Umgebungen zu verleihen, sollten die Bindemittel vorzugsweise keine Oxide von Alkali- und Erdalkalimetallen enthalten und/oder vorzugsweise selbst chemisch inert sein.In order to give basalt fibers additional resistance to gaseous, aggressive environments, the binders should preferably not contain oxides of alkali and alkaline earth metals and/or should preferably themselves be chemically inert.
Dieser Zustand kann beispielsweise durch Einbringen einer wässrigen Lösung von Kieselsäure in das Bindemittel oder einer Kombination dieser Lösung mit Organosiliciumverbindungen erreicht werden.This condition can be achieved, for example, by introducing an aqueous solution of silica into the binder or a combination of this solution with organosilicon compounds.
Eine Kieselsäurelösung in der Beschichtung kann zur Bildung von Siliziumoxidfilmen auf der Oberfläche der Fasern führen, was für zusätzliche Beständigkeit gegenüber aggressiven Umgebungen sorgt und die Festigkeitseigenschaften von 3D-Produkten erhöht.A silica solution in the coating can lead to the formation of silicon oxide films on the surface of the fibers, which provides additional resistance to aggressive environments and increases the strength properties of 3D products.
Die Beschichtung von Basaltfasern mit einer dünnen Graphenschicht mit einer Dicke von weniger als 15 nm kann zu gering sein um einen zuverlässigen Schutz vor Wechselwirkungen mit aggressiven Gas-Luft-Umgebungen zu bieten.Coating basalt fibers with a thin layer of graphene with a thickness of less than 15 nm may be too thin to provide reliable protection against interactions with aggressive gas-air environments.
Eine Graphenbeschichtungsdicke von mehr als 30 nm hat praktisch keinen zusätzlichen Einfluss auf die beschriebenen chemischen Eigenschaften eines erfindungsgemäßen 3D-Produkts, kann jedoch die mechanische Restfestigkeit dieser Produkte erheblich verringern.A graphene coating thickness of more than 30 nm has practically no additional influence on the described chemical properties of a 3D product according to the invention, but can significantly reduce the residual mechanical strength of these products.
Die Kombination der oben genannten Merkmale ermöglicht es, ein gasdurchlässiges, hitzebeständiges 3D-Produkt aus Keramikfasern, hauptsächlich Basalt (Carbobasalt), mit hoher Beständigkeit gegenüber den oben bezeichneten und weiteren aggressiven Umgebungen zu erhalten, das Wärmedämmeigenschaften in einem weiten Temperaturbereich bis zu 1100°C bietet.The combination of the above features makes it possible to obtain a gas-permeable, heat-resistant 3D product made of ceramic fibers, mainly basalt (carbobasalt), with high resistance to the above-mentioned and other aggressive environments, which has thermal insulation properties in a wide temperature range up to 1100°C offers.
Vorzugsweise werden Graphenflocken in Form einer wässrigen Dispersion von mehrschichtigem Graphen, bestehend aus elementaren zweidimensionalen Schichten, in das Schlichtemittel eingebracht.Graphene flakes are preferably introduced into the sizing agent in the form of an aqueous dispersion of multilayer graphene, consisting of elementary two-dimensional layers.
Die technische Lösung ist in den
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1 . Gesamtansicht des beanspruchten Gebrauchsmusters am Beispiel eines 3D-Filterabdeckungsprodukts. -
2 . Querschnitt einer mit niedrigschichtigem Graphen beschichteten Mineralfaser (Basaltfaser), wobei:- 1 - Mineral (Basaltfaser)
- 2 - Graphenflocken
-
3 a bis c Beispiele für gasdurchlässige thermische Isolierung 3D-Produkte.
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1 . Overall view of the claimed utility model using the example of a 3D filter cover product. -
2 . Cross section of a mineral fiber (basalt fiber) coated with low-layer graphene, where:- 1 - mineral (basalt fiber)
- 2 - Graphene flakes
-
3 a to c Examples of gas-permeable thermal insulation 3D products.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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