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Hitzebeständig beschichtetes
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Bauteil Die Erfindung betrifft ein hitzebeständig beschichtetes Bauteil
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein derartiges hitzebeständig beschichtetes Bauteil ist aus der DE-OS
16 69 267 insbesondere für das Gießereiwesen bekannt; typische Bauteile mit einer
solchen bekannten Beschichtung sind Metallgießformen oder Bodenplatten hierfür sowie
Pfannen, Fördergefäße oder Öfen, also solche Bauteile, deren Oberflächen mit der
Schmelze in Berührung kommen oder aus anderen Gründen einer starken Hitzebelastung
unterliegen.
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Als Beschichtungsmaterialen für diese Bauteile dienen körniges Quarzglaspulver
(Quarzsand) und ein Bindemittel auf der Basis von kolloidaler Kieselsäure (Kieselsol),
mit Zusätzen eines Suspendierungsmittels in Form von Magnesium-Montmorillonit-Ton
und/oder hydrophilen Xanthomonas-Kolloiden in Mengen von 0,05 bis 2 Gew.-Prozent
sowie eines mehrwertigen aliphatischen Alkoholes in Mengen von 3 bis 30 Gew.-Prozent
und eines Hochtemperatur-Netzmittels in Form eines Phosphorsäureesters in Mengen
von 0,01 bis 1 Gew.-Prozent, jeweils bezogen auf die Menge des wässrigen Kieselsol.
Das Verhältnis Quarzsand zu Kieselsol kann dabei zwischen 10 : 0,5 und 10 : 60 schwanken,
wobei bevorzugt ein Überwiegen des Quarzsandes im Verhältnis von 10 : 3 ist. Der
Gesamtfeststoffgehalt der Beschichtung beim Auftrag liegt inzwischen 30 und 80 Gew.-Prozent,
vorzugsweise bei etwa 65 Gew.-Prozent.
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Der Auftrag des Beschichtungsmaterials erfolgt auf eine gegebenenfallS
mehrere 100 OC heiße, geschlossene Bauteiloberfläche, wo eine schnelle Trocknung
unter Entwicklung von Wasserdampf unter Erzeugung einer anhaftenden dichten Überzugsschicht
erfolgt.
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Ein Auftrag auf eine geschlossene Oberfläche unter gleichzeitigem
Austreiben der flüchtigen Träger ist Voraussetzung für die gewünschte Schichtbildung
mit diesen bekannten Beschichtungsmaterialien. Eine Beschichtung poröser Oberflächen
ist nicht vorgesehen; ein solcher Beschichtungsversuch führt einem undefinierten
Eindringen von Beschichtungsbestandteilen in die poröse Oberfläche unter Zurücklassung
eines rißhaltigen und bruchgefährdeten, also nicht geschlossenen Überzugs mit rauher
Oberfläche, der keinen wirksamen Hitzeschutz bietet. Bei entsprechend großporiger
Oberfläche können die Beschichtungsmaterialien auch vollständig in die Oberfläche
eindringen, wobei der Quarzsand jedoch stört und, soweit er infolge seiner Korngröße
nicht oder nicht vollständig eindringt, an der Oberfläche des Bauteils nicht ausreichend
gebunden ist. Daher wird gemäß der DE-OS 16 69 267 auch vorgeschlagen, Bindemittel
aus dem wässrigen Kieselsol und den Suspendierungs-und Netzmitteln sowie mehrwertigen
Alkoholen, jedoch ohne Quarzsand, zu verwenden, um Faserstoffe wie Glasfasern, Aluminiumsilikatfasern,
Steinwolle, Asbest und Kaliumtitanat zu binden. Dadurch entsteht ein silikatgebundenes
Faserbauteil ähnlich den Isolierbauplatten etwa gemäß der DE-PS 27 32 387 oder der
DE-OS 29 18 689, wo anstelle von Kieselsol ein Bindeton entsprechend geringer Teilchengröße
zur Erzeugung einer vollständigen Imprägnierung einer Mineralfaserplatte verwendet
wird.
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Etwa aus der US-PS 34 90 065 ist es auch bekannt, Mineralfaserplatten
mit einem Kieselsol enthaltenden Mittel in einer nur wenige Millimeter starken oberflächennahen
Schicht zu imprägnieren, um die Standfestigkeit derartiger Platten im Brandversuch
zu verbessern. Hierzu wird ein
Bindemittel aus 5 bis 95 Gew.-Prozent
KieseIsol,Rest Bentonit verwendet, zusammen mit zwei körnigen anorganischen Füllstoffen,
die einen Schmelzpunkt einmal unterhalb und einmal oberhalb etwa 1100 OC besitzen,
wobei als höher schmelzender Füllstoff etwa ein Bindeton als wasserhaltiges Aluminiumsilikat
und für den niedriger schmelzenden Füllstoff Feldspat infrage kommt. Im Brandfalle
ergibt der niedriger schmelzende Füllstoff eine zusätzliche verfestigende keramische
Bindung, welche die körperlici Integrität der imprägnierten Schicht auch beim Wegbrennen
der Mineralfasern aufrecht erhalten soll. Der gesamte Feststoffgehalt des Imprägniermittels
beträgt zwischen 2 und 25 Gew.-Prozent, wobei durch Einstellung der Viskosität,
Zusatz von Netzmitteln, mechanisch durch Einrakeln oder Einwalzen oder physikalisch
durch Unterdruck an der der Beschichtung gegenüberliegenden Seite der Platte die
Eindringtiefe und damit die Dicke der Imprägnierschicht bestimmt werden kann. Der
Feststoffgehalt des Imprägniermittels wiederum besteht zu 1 bis 20 Gew.-Prozent
aus Kieselsol (Feststoff), 1 bis 15 Gew.-Prozent Bentonit, Rest die beiden anorganischen
Füllstoffe mit unterschiedlichen Schmelzpunkten in einem gegenseitigen Verhältnis
zwischen ca. 1 : 9 und 9 : 1.
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Auf diese Weise wird eine kunstharzgebundene Mineralfaserplatte mit
einer wenige Millimeter dicken imprägnierten Oberflächenschicht dadurch erzeugt,
daß eine Aufschlämmung der Feststoffe in die Oberfläche bis auf die gewünschte Tiefe
eingebracht und die Platte sodann bei etwa 200 "C eine Stunde lang getrocknet wurde.
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Eine solche Platte oder ein solches Bauteil mit einer imprägnierten
Oberflächenschicht ist jedoch als hitzebeständiges Bauteil nur sehr bedingt geeignet,
da die oberflächennahen Mineralfasern schnell zersetzt werden, so daß heiße Gase
durch die Imprägnierungsschicht hindurch auf die dahinterliegenden Faserschichten
relativ ungehindert einwirken können. Dabei bleibt zwar die impräqnierte Oberflächenschicht
als poröses Stützgerüst bestehen und sichert so in einem Brandfall die körperliche
Integrität
des Bauteils über einen längeren Zeitraum, jedoch führt die allmähliche Zersetzung
der dahinterliegenden, ungeSchutzten Faserschichten zu einem allmählichen Wegfall
der hinteren Abstützung der Imprägnierungsschicht, so daß diese abfällt. Weiterhin
ergibt eine bloße Imprägnierung keinen sicheren Berührflngsschutz der Mineralfasern
gegenüber am Bauteil gelagerten Körpern, die vor einer Berührung mit Mineralfasern
zuverlässig geschützt werden müssen. Etwa bei der Abstützung einer elektrischen
Heizwendel auf der Oberfläche eines derart imprägnierten Bauteils aus Mineralfasern
muß unter allen Umständen vermieden werden, daß irgendeine Berührung zwischen Mineralfasern
und der Heizwendel erfolgt; denn das in den Mineralfasern enthaltene Eisenoxid verbindet
sich mit dem Chrom-Nickel-Draht der Heizwendel, so daß das Metall der Heizwendel
seine Hochtemperaturbeständigkeit verliert und durchbrennt.
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Daher besteht ein Bedürfnis nach einem hitzebeständig beschichteten
Bauteil aus mineralischen Fasern, wobei eine geschlossene Oberflächenbeschichtung
sowohl einen zuverlässigen mechanischen Berührungsschutz für die Fasern ergibt,
als auch diese vor.jeglichem Zutritt heißer Gase oder dergleichen schützt, und darüber
hinaus die kunstharzgebundenen mineralischen Fasern im hinter der Beschichtung liegenden
Kernbereich des Bauteiles im bestimmungsgemäßen Betrieb soweit vor übermäßiger Erwärmung
geschützt sind, daß eine ausreichende strukturelle Unversehrtheit des Bauteiles
im Langzeitbetrieb gewährleistet ist.
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Demzufolge liegt der Erfindung ausgehend von einem hitzebeständig
beschichteten Bauteil gemäß der DE-OS 16 69 267 die Aufgabe zugrunde, auch bei Bauteilen
mit offenporiger Oberfläche, nämlich aus kunstharzgebundenen mineralischen Fasern,
eine geschlossene, fest haftende Oberflächenbeschichtung als Hitzeschiid im Dauerbetrieb
zu erzielen.
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Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs
1 gelöst.
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Danach enthält das Beschichtungsmaterial neben anorganischem Bindemittel
wie Kieselsol anorganische Fasern wie Aluminiumsilikatfasern, die beim Aufbringen
auf das Bauteil gewissermaßen durch Filterwirkung an dessen Oberfläche zurückgehalten
werden und daher in der geschlossenen Oberflächenschicht vorliegen. Dort wirken
die Fasern als schichtbildendes Mittel für das Kieselsol und ermöglichen so die
Bildung einer absolut geschlossenwandigen Oberflächenschicht. Aus Kostengründen
kann gegebenenfalls ein Teil der Fasern der Beschichtungsmasse durch grobkörnige
anorganische Füllstoffe ersetzt werden, die ebenfalls an der -Oberfläche des Bauteils
verbleiben und infolge ihrer Grobkörnigkeit nicht in dessen Oberfläche eindringen
können. Weiterhin weist jedoch die Beschichtungsmasse auch feinkörnige anorganische
Füllstoffe wie Tone oder Kaolin auf, die zusammen mit einem weiteren Teil des Kieselsol
in die Oberfläche eindringen und dort ähnlich der Lehre der US-PS 34 90 065 eine
Imprägnierungsschicht bilden, die bei Erwärmung über den Zersetzungspunkt der mineralischen
Fasern des Bauteil hinaus ein poröses Stützgerüst bilden. Im Unterschied zur Imprägnierungsschicht
der US-PS 34 90 065 ist diese jedoch an ihrer Außenseite erfindungsgemäß durch eine
geschlossenwandige Oberflächenbeschichtung abgedeckt, die in einem Zuge mit der
Erzeugung der Imprägnierungsschicht mitgebildet wird und diese. sowie die dahinterliegenden
ungeschützten Mineralfasern des Bauteils vor mechanischer Berührung und vor Gaszutritt
sowie als vorgelagerter weiterer Hitzeschild schützt. Im Langzeitbetrieb eines erfindungsgemäßen
Bauteils aus kunstharz gebundenen mineralischen Fasern etwa in Form einer Wärmedämmplatte
für eine Ofentür oder dergleichen erfolgt ein Temperaturabfall über die geschlossenwandige
Oberflächenbeschichtung sowie die anschließende Imprägnierungsschicht hindurch derart,
daß die an die Imprägnierungsschicht anschließenden Fasern im weaentlichen unversehrt
bleiben und so die strukturelle Integrität der Wärmedämmplatte auch im Langzeitbetrieb
aufrecht erhalten wird. Im Falle der Verwendung des Bauteiles zu einer Lagerung
heißer Körper, beispielsweise der elektrischen Heiz-
wendel eines
Heizgerätes wie eines Einkochtopfes kann an den AuflagestelLen des heißen Körpers
lokal durchaus auch eine ÜberhitZung der hinter der Imprägnierungsschicht liegenden
Fasern im Bereich des heißen Körpers zugelassen werden, so daß diese teilweise zersetzt
werden, da die ausreichende Tragfähigkeit und strukturelle Unversehrtheit der tragenden
hitzebeständigen Oberfläche des Bauteiles dadurch gesichert ist, daß die Oberflächenschicht
und die ein zusätzliches Stützgerüst bildende Imprägnierungsschicht durch danebenliegende,
einer geringeren Wärmeeinwirkung ausgesetzten mineralischen Fasern ausreichend abgestützt
bleiben. Insbesondere etwa bei der Lagerung einer elektrischen Heizwendel bleibt
auch der dort erforderliche Berührungsschutz durch die geschlossene Oberflächenbeschichtung
unversehrt aufrechterhalten.
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Es ist aus der DE-OS 31 02 935 bekannt, ein anorganisches, keramisches
Bindemittel in Form niederschmelzender Mineralteilchen mit einem hohen Anteil an
Aluminiumsilikatfasern für eine hitzebeständige, durch keramische Bindung aushärtende,
geschlossene Beschichtung eines Bauteils zu verwenden, wobei der hohe Anteil an
Aluminiumsilikatfasern mit einer Temperaturbeständigkeit von über 1000 OC einer
Tendenz der Beschichtung zu einem Schrumpfen entgegenwirkt. Das zu beschichtende
Bauteil besteht jedoch nicht aus kunstharzgebundenen mineralischen Fasern, sondern
im wesentlichen aus aus der Flammenpyrolyse gewonnenem mikroporösem Oxidaerogel,
also einem gepreßten hochdispersen Pulver mit einer Partikelgröße, die um einige
Zehnerpotenzen geringer ist als der Durchmesser üblicher mineralischer Fasern, so
daß das Bauteil hier mit einer praktisch geschlossenwandigen Oberfläche vorliegt.
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Als anorganisches temperaturbeständiges Bindemittel kommt im Rahmen
der Erfindung neben Kieselsol grundsätzlich auch jeder andere anorganische temperaturbeständige
Kleber wie Wasserglas oder Monoaluminiumphosphat infrage. Eine Verwendung von kolloidaler
Kieselsäure oder Kieselsol ist
jedoch im Hinblick auf die überlegene
Verträglichkeit mit den meisten mineralischen Fasern bevorzugt.
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Als mineralische Fasern für das Bauteil sind Basaltfasern bevorzugt,
da diese einerseits gegenüber Glasfasern hitebeständiger und andererseits gegenüber
Aluminiumsilikatfasern erheblich billiger sind. Grundsätzlich kommen jedoch alle
mineralischen Fasern zur Bildung des Bauteils in Frage, wobei in funktioneller Hinsicht
möglichst hitzebeständige Fasern wie Aluminiumsilikatfasern grundsätzlich bevorzugt-sind,
in der Praxis jedoch Zugeständnisse unter Kostengesichtspunkten gemacht werden können,
da die erfindungsgemäß aufzubringende hitzebeständige Beschichtung des Bauteiles
die entsprechende Anforderungen an die Fasern des Bauteiles je nach Bedarf des Einsatzfall
verringern können. Die jeweils anzuwendenden Faserdurchmesser und Raumgewichte ergeben
sich aus den praktischen Erfordernissen, so etwa durch die gewünschte mechanische
Festigkeit der Platte oder des Formteils.
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Im Hinblick auf die Gegebenheiten der Produktion liegen die Faserdurchmesser
insbesondere im Falle von Basaltwolle 3 zwischen etwa 3 und 6 Um, wobei Raumgewichte
von 100 kg/m3 bis 200 kg/m3 in der Regel zur Bildung einer ausreichend festen mechanischen
Platte oder eines entsprechend festen Formteiles, das mit Kunstharz wie Phenolharzgebunden
ist, zweckmäßig sind.
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Die Korngröße der feinkörnigen und der gegebenenfalls vorhandenen
grobkörnigen Füllstoffe ist derart mit der Beschaffenheit der zu beschichtenden
Mineralfaseroberfläche korreliert, daß die Fasern des Bauteiles ein Filter bilden,
das die grobkörnigen Füllstoffe zumindest weit überwiegend zurückhält und die feinkörnigen
Füllstoffe in das Bauteil eindringen läßt. Die Fasern des Füllstoffe$ entsprechen
insoweit, auch wenn sie auf geringere Faserlängen gemahlen verwendet werden, den
grobkörnigen Füllstoffen und werden somit an der Oberfläche des Bauteils zurückgehalten.
Bei einem Bauteil aus kunstharzgebundener Basaltwolle mit einem
Faserdurchmesser
von einigen Mikrometern und einem Raumgewicht von 180 kg/m3 bedeutet grobkörnig
eine mittlere Korngröße oberhalb von 5 Um, vorzugsweise oberhalb von 10 em, und
feinkörnig eine mittlere Korngröße von weniger als 5 pm, insbesondere weniger als
3 em und insbesondere weniger als 1 pm. Dabei ist unschädlich, wenn ein gewisser
Anteil der grobkörnigen Füllstoffe so feinkörnig ausfällt, daß er miteindringt,
und umgekehrt ein gewisser Anteil der feinkörnigen Stoffe so grobkörnig ausfällt,
daß er an der Oberfläche des Bauteils verbleibt. Die so gegebenenfalls mit eindringenden
Anteile des an sich grobkörnigen Füllstoffes sind im Rahmen der Erfindung dann dem
feinkörnigen Füllstoff zuzurechnen, während umgekehrt an der Oberfläche des Bauteils
verbleibende grobkörnige Anteile des an sich feinkörnigen Füllstoffes dem grobkörnigen
Füllstoff zuzurechnen sind. Je nach den verwendeten anorganischen Füllstoffen läßt
sich durch einige Orientierungsversuche in jedem Falle eine gewünschte Steuerung
des eindringenden und des an der Oberfläche verbleibenden Anteils errreichen.
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Als feinkörnige anorganische Füllstoffe, die in die Oberfläche des
Bauteils zur Erzeugung einer Imprägnierungsschicht eindringen, eignen sich insbesondere
in der Natur in entsprechend geringer Teilchengröße vorkommende siliciumhaltige
Stoffe wie Tone oder Kaolin, wobei Kaolin häufig zu bevorzugen sein wird. Die Menge
der feinkörnigen Füllstoffe in der Beschichtung richtet sich nach der jeweils gewünschten
Eindringtiefe, und kann zwischen 5 Gew.-% bei geringerer Eindringtiefe von beispielsweise
etwa 0,5 mm und 50 Gew.-%bei extrem starker Eindringtiefe von beispielsweise 10
mm oder mehr liegen, jeweils bezogen auf die gesamten Feststoffe der Beschichtungsmasse.
Üblicherweise wird ein Anteil zwischen 10 und 30 Gew.-Prozent, insbesondere 10 bis
20 Gew.-Prozent gewählt werden, was eine Eindringtiefe von einigen Millimetern ergibt.
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Als anorganische Fasern für die Beschichtungsmasse kommen grundsätzlich
alle entsprechend temperaturbeständigen
Fasern wie Aluminiumsilikatfasern,
Quarzfasern usw. in Frage, wobei jedoch Aluminiumsilikatfasern aus Kostengründen
in Regel bevorzugt sein werden. Grundsätzlich kann der gesamte oberhalb der Oberfläche
des Bauteils in der geschlossenen Oberflächenbeschichtung vorliegende anorganische
Füllstoffanteil ausschließlich durch die Fasern gebildet sein. Die Fasern müssen
so eng beieinander liegen, daß das Kieselsol dazwischen eine Verbindung zu benachbarten
Fasern bildet und an diesen haftet, statt eigene, nicht an Füllstoff gebundene Partikel
zu bilden. Die Fasern wirken somit primär als Dispergierungsmittel für das Kieselsol,
um mit diesem eine geschlossene Oberfläche zu bilden.
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Auch Aluminiumsilikatfasern sind jedoch noch teurer als die meisten
anorganischen grobkörnigen Zuschlagstoffe, wie gemahlenes Aluminiumoxid, Quarzsand,
Mullit, Zirkonoxid usw., so daß die Fasern aus Kostengründen soweit als möglich
durch grobkörnige Füllstoffe ersetzt werden sollten.
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Da die grobkörnigen Füllstoffe jedoch weniger als die Fasern, die
in Längen von mehr als 10 Um vorzugsweise mehr als lOOpm vorliegen, die geschlossene
Schichtbildung des Kieselsol unterstützen können, können die Fasern nur zu einem
Teil durch grobkörnige Füllstoffe ersetzt werden. Daher sollte das Verhältnis der
grobkörnigen Füllstoffe zu den Fasern nicht größer als 3 : 1, besser nicht größer
als 2 : 1 sein, so daß der Anteil des in Faserform vorliegenden Füllstoffes der
geschlossenen Oberflächenbeschichtung in jedem Falle erheblich bleibt. Aus Kostengründen
kommt für den grobkörnigen Füllstoff insbesondere Aluminiumoxid oder Siliciumoxid
in Sandform in Frage, wobei aus Gründen'der gesundheitlich risikolosen Handhabung
hier wiederum insbesondere Aluminiumoxid bevorzugt ist.
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Der Anteil der Fasern zuzüglich grobkörniger Füllstoffe und feinkörniger
Füllstoffe am gesamten Feststoffgehalt der Beschichtungsmasse ergibt sich aus der
gewünschten Imprägniertiefe und der gewünschten Dicke der geschlossenen
Oberflächenbeschichtung.
Bei größerer gewünschter Imprägniertiefe ist der Anteil an feinkörnigen Füllstoffen
höher zu wählen, bei größerer gewünschter Schichtdicke hthgègen der Anteil an grobkörnigen
Füllstoffen und Fasern. Bevorzugt ist jedoch der Anteil der grobkörnigen Füllstoffe
sowie Fasern deutlich größer als der Anteil der feinkörnigen Füllstoffe, wobei das
Verhältnis größer als 3 : 2, insbesondere größer als 2 : 1, vorzugsweise größer
als 3 : 1 ist, um eine massive Oberflächenbeschichtung mit einer Schichtdicke zwischen
etwa 0,5 mm und mehreren Millimetern zu erhalten, bei Bedarf mit einer Dicke der
Größenordnung der Dicke der Imprägnierungsschicht oder noch mehr, so daß die Imprägnierungsschicht
im extremen Fall vor allem der Verankerung der geschlossenen Oberflächenbeschichtung
dient, die ihrerseits den hauptsächlichen Hitzeschutz übernimmt.
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Die Menge an Kieselsol ergibt sich im wesentlichen aus dem Bedarf
an Bindemittel für die geschlossene Oberflächenbeschichtung einerseits und für die
Imprägnierungsschicht andererseits auf der Grundlage der hierfür gewählten Füllstoffanteile
im Hinblick auf die gewünschte Verbackung der Füllstoffe miteinander und mit den
Fasern des Bauteiles.
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Die Menge des Kieselsol hat eine Untergrenze dort, wo sich eine zu
geringe Abriebfestigkeit der Oberfläche durch zu geringen Bindemittelanteil ergibt.
Aus diesem Gesichtspunkt darf der Anteil des Kieselsol als Feststoff nicht geringer
sein als etwa ein Zehntel der damit zu bindenden grobkörnigen Füllstoffe und Fasern
in der geschlossenen Oberflächenbeschichtung, zuzüglich der für die Imprägnierungsschicht
benötigten Kieselsolmenge, so daß das-Kieselsol in der geschlossenen Oberflächenbeschichtung
jedenfalls in einen Feststoffanteil von 10 Gew.-Prozent oder mehr vorliegt. Eine
Erhöhung des Kieselsolanteils ergibt zunächst eine Erhöhung der Abriebfestigkeit
durch bessere Einbindung der Fasern und der grobkörnigen Füllstoffe sowie weiterhin
eine glänzende und glattere Oberfläche. Eine
Obergrenze für den
Kieselsolanteil in der geschlossenen Oberflächenbeschichtung liegt da, wo das Kieselsol
dazu neigt, sich in körniger Form zu partikulieren und auf diese Weise brüchig zu
werden. Dies wird durch einen ausreichend hohen Fiillstoff-, insbesondere Fasergehalt
des Kieselsol vermieden. Daher darf der Anteil des Kieselsol bezogen auf die Menge
der Füllstoffe in der Beschichtungsmasse - unter BerEicksichtigung nicht in Faserform
vorliegeiider grobkörniger Füllstoffe - nur etwa bei 1 : 1 liegen, so daß also mindestens
ebenso viel Gewichtsanteile Füllstoffe wie Trockengewichtsteile Kieselsol in der
geschlossenen Oberfläche vorhanden sind. Hierbei sollte jedoch der Gewichtsanteil
der in Faserform vorliegenden Füllstoffe nicht unter einem Drittel der Füllstoffe
der Oberflächenbeschichtung liegen, um die Fasern ausreichend als Netzwerkbildner
zur Bildung eines geschlossenen Films wirksam werden zu lassen.
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Das wässrige Kieselsol, also die kolloidale Kieselsäure besitzt einen
Feststoffanteil von zwischen etwa 30 und 40%.
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Vorstehend ist wegen der funktionellen Wirksamkeit auf den Feststoffanteil
des Kieselsols abgehoben, da der Wasseranteil des wässrigen Kieselsols sowie gegebenenfalls
eine zusätzliche Wasserverdünnung nur dazu dienen, durch Einstellung des Vikosität
oder allgemein des Fließverhaltens das Bindemittel mit den Füllstoffen zu vermischen
und die entsprechenden Füllstoffe mit dem Bindemittel an die gewünschten Stellen
insbesondere in der Imprägnierungsschicht zu transportieren. Dies kann unterstützt
werden durch eine Zugabe von Netzmitteln, wie dies an sich dem Stand der Technik
bekannt ist, oder durch Absaugung von Kieselsol mit feinkörnigen Füllstoffen aus
der aufgetragenen Beschichtungsmasse in das Bauteil hinein, wobei natürlich auch
eine mechanische Unterstützung durch Rakeln oder Walzen in Frage kommt. Jedoch bleibt
an der Oberfläche des Bauteils immer eine geschlossene Beschichtung aus Kieselsol
mit Fasern und gegebenenfalls grobkörnigen Füllstoffen als Berührungsschutz und
Hitzeschild, wobei jedoch feinkörnige Teile der Überzugsmasse zusammen mit dem Bindemittel
gleichzeitig in
eine gewünschte Tiefe des Bauteiles eindringen
und durch Bildung einer dortigen Imprägnierungsschicht das Bauteil bei Temperatureinwirkung
stabilisieren sowie die geschlossenen Oberflächenbeschichtung verankern.
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Beispiel 1 Eine mit Phenolharz gebundene Mineralfaserplatte aus Basaltwolle
wurde mit einem Raumgewicht von 180 kg/m3 und einem Faserdurchmesser um 4 Mm in
der üblichen Weise erzeugt.
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Auf diese Mineralfasermatte wurde eine Überzugsmasse folgender Zusammensetzung
aufgetragen: 58,8 Gew.-Prozent wässriges Kieselsol (30% Feststoffanteil) 23,5 Gew.-Prozent
Aluminiumsilikatfasern (gemahlen auf 1 mm Länge) 11,9 Gew.-Prozent grobkörniges
Aluminiumoxid 5,9 Gew.-Prozent Kaolin Durch Absaugung an der gegenüberliegenden
Plattenseite drang ein Teil des Kieselsol mit dem Kaolin etwa 1 mm tief in die Mineralfaserplatte
ein und bildete dort eine poröse Imprägnierungsschicht, während das restliche Kieselsol
mit den Aluminiumsilikatfasern und dem grobkörnigen Aluminiumoxid an der Oberfläche
der Mineralfaserplatte eine geschlossene Überzugsschicht bildete. Die so beschichtete
Platte wurde bei 150 bC etwa 20 Minuten lang getrocknet und sodann mittels eines
Schweißbrenners extremer Hitze von der beschichteten Seite her ausgesetzt.
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Bei Beaufschlagung mit der Schweißbrennerflamme aus größerem Abstand,
die jedoch bei einer entsprechenden unbeschichteten Mineralfaserplatte bereits zu
einer Zersetzung der Oberfläche führte, zeigte sich überhaupt keine Veränderung
an der Beschichtung oder den Fasern. Bei extrem starker Hitzeeinwirkung entstand
an der dem Flammenauftreffpunkt gegenüberliegenden Seite der Imprägnierungsschicht
eine lokale Aushöhlung im Fasermaterial durch Zersetzung der dortigen
Mineralfasern
hinter der Beschichtung, während die Beschichtung selbst zwar geringfügige Verfärbungen
zeigte, zusammen mit der dahinterliegenden Imprägnierungsschicht in ihrer mechanischen
Integrität jedoch in keiner Weise beeinträchtigt wurde. Bereits in geringem Abstand
seitlich neben dem Flammenauftreffpunkt blieben auch die Fasern der Mineralfaserplatte
intakt: und sicherten so die Lage der Beschichtung.
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Nach Herausrechnung des Wasseranteils derla3lloidalen Kieselsäure
der obigen Beschichtungsmasse ergibt sich eine Feststoffverteilung von etwa 30 Gew.-Prozent
Kieselsol, 40 Gew.-Prozent Aluminiumsilikatfasern, 20 Gew.-Prozent Aluminiumoxid
und 10 % Kaolin.
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Beispiel 2 Eine Mineralfaserplatte entsprechend Beispiel 1 wurde mit
folgender Uberzugsmasse versehen: 70 Gew.-Prozent wässriges Kieselsol (30% Feststoffanteil)
13,3 Gew.-Prozent Aluminiumsilikatfasern (gemahlen) 6,7 Gew.-Prozent grobkörniges
Aluminiumoxid 10 Gew.-Prozent Kaolin.
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Hieraus wurde im Anschluß an eine wie beim vorherigen Beispiel etwas
mehr als 1 mm dicke geschlossene Oberflächenbeschichtung eine etwa 5 mm unterhalb
der Oberfläche der Mineralfaserplatte liegende Imprägnierungsschicht hergestellt.
Nach dem Beispiel 1 entsprechender Weiterbehandlung ergaben die Flammenversuche
mit dem Schweißbrenner insbesondere bei starker punktförmiger Hitzebelastung eine
noch längere Unversehrtheit der hinter der Imprägnierungsschicht liegenden Mineralfasern,
was auf die wesentlich erhöhte Dicke der Imprägnierungsschicht im anaçhlpß an die
geschlossene Oberflächenbeschichtung zurückgeführt werden muß.
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Bei diesem Beispiel ergibt eine Umrechnung der Bestandteile
auf
Feststoffgehalt etwa 41 Gew.-Prozent Kieselsol, 26 Gew.-Prozent Aluminiumsilikatfasern,
13 Gew.-Prozent grobkörniges Aluminiumoxid und 20 Gew.-.Prozent Kaolin.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher veranschaulicht.
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Es zeigt Fig. 1 einen Schnitt durch den unteren Teil eines Einkochtopfes
mit einem erfindungsgemäßen Mineralfaserformteil zur Bildung einer bodenseitigen
Wärmedämlaplatte .
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Fig. 2 eine stark vergrößerte Einzelheit aus Fig. 1.
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Gemäß Fig. 1 weist ein Einkochtopf 1 einen Mantel 2, einen darin eingesetzten
Gutbehälter 3 mit einem Boden 4, unterhalb des Bodens 4 eine Wärmedämmschicht 5
und zwischen dem Boden 4 und der Wärmedämmschicht 5 eine Heizeinrichtung 6 auL.
Die Heizeinrichtung 6 besteht aus einer elektrischen Heizwendel 7, die von einer
Mehrzahl aneinandergereihter kurzer Hülsen aus Keramikmaterial, sogenannten Perlen,
als Berührungsschutz umg.eben ist. Der Boden 4 des Gutbehälters 3 ist an den Stellen
der Heizwendel 7 mit Aufnahmenuten 9 versehen, und liegt zwischen den Gängen der
Heizwendel 7 auf der Oberseite der Dämmschicht 5 auf, die ihrerseits die Heizwendel
7 in Lagernuten 10 von unten her abstützt.
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Die Dämmschicht 5 ist als Mineralfaserformteil ausgebildet, welches
plattenförmig vorgefertigt in den Mantel 2 einsetzbar ist. Das die Dämmschicht 5
bildende Formteil besteht im Beispielsfalle aus Basaltfasern 11, die mit Kunstharz
wie Phenolharz gebunden sind, wie dies-bei 12 in Fig. 2 angedeutet ist. Derartige
Basaltfaserplatten sind üblich und werden typischerweise mit Raumgewichten zwischen
100 und 200 kg/m3 sowie einem Bindemittelgehalt von etlichen
Gew.
- % hergestellt.
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Aus den einleitend geschilderten Gründen-dürfen die Basaltfasern 11
nicht mit der Heizwendel 7 in Berührung gelangen, was durch die Spalte zwischen
den Keramikhülsen 8 hindurch möglich wäre. Weiterhin wäre bei einer Abstützung der
etwa 800 OC heißen Heizwendel über die Keramikhülsen 8 unmittelbar auf der Basaltwolle
deren Hitzebelastung zu stark, so daß in unmittelbarer Nachbarschaft der-Heizwendel
7 liegende Basaltfasern thermisch zersetzt würden. Da das Bindemittel 12 in Form
von Kunstharz bei Temperaturen oberhalb von etwa 250 OC thermisch zersetzt und damit
weggeglüht würde, ginge der mechanische Halt der Basaltfasern 11 durch das Bindemittel
in weitem Umkreis um die Heizwendel 7 herum verloren, so daß die Basaltfasern dort
völlig lose vorliegen und ihre Abstützfunktion nicht mehr wahrnehmen können.
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Dadurch würde die Heizwendel 7 nicht mehr sauber in den Aufnahmenuten
9 des Gutbehälters 3 gehalten, sondern aus diesen abgesenkt, würde so neue Bereiche
der Basaltfasern 11 der Hitzebelastung aussetzen und so das die Dämmschicht 5 bildende
Formteil fortschreitend zerstören, wobei überdies die von der Heizwendel 7 auf das
Gut im Gutbehälter 3 übertragbare Heizleistung drastisch abfallen würde. Aus diesen
Gründen sind zur Bildung der Dämmschicht 5 bislang andere Stoffe insbesondere auf
der Basis von Asbestfasern eingesetzt worden, was jedoch in vielerlei anderer Hinsicht
nachteilig ist.
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Zur Erzielung einer ausreichenden Hitzebeständigkeit der Dämmschicht
5 auf der Basis von Basaltfasern 11 im Dauerbetrieb, und gleichzeitig zur Erzielung
eines wirksamen Berührungsschutzes zwischen den Basaltfasern 11 und der Heizwendel
7 ist erfindungsgemäß auf der Oberseite des die Dämmschicht 5 bildenden Formteiles
eine hitzebeständige Beschichtung 13 vorgesehen, die aus einer Oberflächenbeschichtung
14 und einer Imprägnierungsschicht 15 besteht, deren Zusammensetzung und Zustandekommen
einleitend näher erläutert worden sind. Die Dicke der Beschichtung 13 ist in
Fig.
1 und auch noch in der Vergrößerung gemäß Fig. 2 zur besseren Veranschaulichung
übertrieben dargestellt, da im veranschaulichten Beispielsfalle eine Dicke der Oberflächenbeschichtung
14 von etwa 0,5 mm und ebenso der Imprägnierungsschicht 15 von etwa 0,5 mm zur Bildung
einer ausreichenden hitzebeständigeniBeschichtung 13 ausreicht.
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Wie an dem strichpunktierten kreisförmigen Bereich 16 an der Unterseite
der Heizwendeln 7 veranschaulicht ist, ist die Hitzeeinwirkung durch die Beschichtung
13 hindurch so stark, daß im Umkreis der Heizwendel 7 das Bindeittel 12 ausglüht
und dort die Basaltfasern 11 daher ungebunden, lose vorliegen. Weiterhin kann die
Hitzebelastung der Basaltfasern im Bereich der Lagernuten 10 unmittelbar unterhalb
der Oberflächenbeschichtung 14 durchaus so groß sein, daß auch diese am stärksten
belasteten Basaltfasern 11 thermisch zersetzt werden, was jedoch beim veranschaulichten
Ausführungsbeispiel nicht auftreten dürfte.
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In jedem Falle ist jedoch wichtig, daß die geschlossene Oberflächenbeschichtung
14 der Hitzebelastung standhält und so als zuverlässiger Berührungsschutz zwischen
der Heizwendel 7 und den Basaltfasern 11 erhalten bleibt. Weiterhin bildet die Oberflächenbeschichtung
14 zusammen mit der Imprägnierung 15 ein auch bei Hitzebelastung unversehrtes Stützgerüst,
welches die mechanische Integrität der hitzebelasteten Oberfläche des Formteiles
gewährleistet.
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Das Formteil selbst erfährt sogar bei flächenhafter Hitzebelastung
noch keine merkliche mechanische Beeinträchtigung, wenn die Basaltfasern im Bereich
der Imprägnierungsschicht 15 thermisch zersetzt werden, da die Imprägnierungsschicht
15 auch ohne darin enthaltene Basaltfasern an der Rückseite der Oberflächenbeschichtung
14 ein dann poröses, jedoch mechanisch festes Stützgerüst bildet, welches lediglich
der Anbindung an die unversehrten Basaltfasern 11 bedarf. Bei nur lokaler, dort
aber sehr starker Hitzebelastung, wie im Beispielsfalle und wie sie in aller Regel
auftritt, ist eine feste mechanische Verbindung zwischen
gebundenen
Basaltfasern und der Imprägnierungsschicht 15 in denjenigen Bereichen problemlos
aufrechtzuerhalten, die einen ausreichenden Abstand von den hitzebelasteten Stellen
besitzen, wie dies etwa in Fig. 2 zu beiden Seiten der Heizwendel 7 angedeutet ist.
Infolge der mechanischen Unversehrtheit der Beschichtung 13 überbrückt diese dann
problemlos auch solche Bereiche, an denen infolge übermässiger Hitzebelastung an
der Rückseite der Beschichtung 13 eine ausreichende Verankerung der Imprägnierungsschicht
15 an den Basaltfasern 11 sowie darüber hinaus eine gegenseitige Bindung der Basaltfasern
11 fehlt. Auch ohne gegenseitige Bindung der Basaltfasern 11 in den Bereichen 16
können diese jedoch ihre Wärmedämmwirkung entfalten.
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Wie einleitend geschildert ist, sind die Dicke der Oberflächenbeschichtung
14 sowie insbesondere auch der Imprägnierschicht 15 in weiten Grenzen frei wählbar.
Dadurch kann die Dicke insbesondere der Imprägnierungsschicht 15 so gewählt werden,
daß infolge des Temperaturabfalles durch die Oberflächenbeschichtung 14 und die
Imprägnierschicht 15 hindurch an der Rückseite der Imprägnierschicht 15 die zur
Erzielung der gewünschten mechanischen Unversehrtheit erforderlichen Temperaturverhältnisse
vorliegen, also entweder eine Temperatur von 250 OC unterschritten wird, um die
dortige Wirksamkeit des Bindemittels 12 aufrechtzuerhalten, oder eine thermische
Zersetzungstemperatur für die Basaltfasern nicht unterschritten wird, um dort einen
unversehrten Anschluß von wärmedämmenden Basaltfasern 11 zu gewährleisten.
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