DE3942338A1

DE3942338A1 - Verfahren zur herstellung feuerhemmender mineralfaser-leichtkoerper

Info

Publication number: DE3942338A1
Application number: DE3942338A
Authority: DE
Inventors: Heindirk Tom Prof Dr Dieck; Ralf Dipl Chem Doehring
Original assignee: Metallgesellschaft AG
Current assignee: GEA Group AG
Priority date: 1989-12-21
Filing date: 1989-12-21
Publication date: 1991-06-27

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung feuerhemmender, schall- und wärmedämmender Leichtkörper auf Basis anorganischer Fasern.

Feuerhemmende poröse, schall- und wärmeisolierende Leichtkörper auf Basis von anorganischen Fasern sind bekannt. Derartige Leichtkörper enthalten organische und/oder anorganische Bindemittel sowie anorganische Füllstoffe und werden nach den verschiedensten Trocken- oder Naßverfahren hergestellt.

Aus DE-PS 7 09 938 ist ein Verfahren zur Herstellung hitzebeständiger Isolierkörper auf Basis mineralischer Fasern bekannt, wobei der mineralische Faserstoff in Wasser aufgeschlämmt, mit einem wäßrigen organischen Bindemittel, wie Stärke versetzt und anorganische Kolloidstoffe, wie Kieselgel zugegeben werden. Neben den zur Bildung von Gelen führenden Zusätzen können noch weitere kolloidreiche Mineralstoffe, beispielsweise Tonminerale zugesetzt werden. Die Grundbestandteile, Mineralfaser, organischer Binder und anorganischer Binder, können in einem einzigen Mischverfahren miteinander vereinigt werden, zweckmäßigerweise wird der anorganische Binder nach der Vereinigung des organischen Binders mit den Mineralfasern eingebracht. Die Kieselgele werden durch Einwirken von Kohlendioxid, Ammoniak oder sauer reagierenden Stoffen auf Alkalisilicatlösungen erzeugt. Neben den anorganischen Gelen kann noch Kalk als Bindemittel verwendet werden.

Gemäß dem aus US-PS 32 24 927 bekannten Verfahren zur Herstellung hitzebeständiger Formteile wird zu dem in Wasser aufgeschlämmten anorganischen Fasermaterial kationische Stärke in einer Menge von 0,2 bis 1,5 Gew.-% zugesetzt, sodann kolloidales SiO₂ in einer Menge von 2 bis 20 Gew.-% (Bindemittel jeweils auf Fasermaterial bezogen) zugefügt und das System auf einen pH-Wert von 3 bis 5 angesäuert. Das Stärkematerial soll auf die Faser aufziehen, bevor die Zugabe des Kieselsols erfolgt. Die bindemittelhaltige Fasermasse wird abfiltriert, ggf. verformt und getrocknet.

Aus DE-OS 32 44 291 ist ein Verfahren zur Herstellung von Mineralfaserplatten nach dem Naßprozeß bekannt, wobei eine wäßrige Suspension aus Mineralfasern und Zuschlagstoff wie Ton, auf einem Siebband kontinuierlich entwässert und auf dem Filterkuchen kontinuierlich eine Bindemittellösung aus thermoplastischen Bindern oder Phosphatbindern, wie Aluminiumphosphat aufgetragen und in das Faservlies eingesaugt wird. In dem vorbekannten Verfahren erübrigt sich die Mitverwendung von Stärke.

Die vorbekannten Verfahren befriedigen in der technischen Praxis noch nicht in allen Fällen, sei es, daß die hergestellten Isolierkörper einen zu hohen organischen Binderanteil aufweisen oder die Binderanteile bei der Trocknung in die Oberflächenzonen wandern, die mechanische Stabilität bei Feuchtigkeitsaufnahme nicht ausreichend ist oder die Isolierkörper eine unbefriedigende Brandschutzwirkung besitzen und zur Bildung toxischer Verbrennungsprodukte neigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der Verfahren des Standes der Technik und insbesondere die vorgenannten Nachteile zu vermeiden.

Die Erfindung löst die Aufgabe mit einem Verfahren zur Herstellung feuerhemmender, schall- und wärmedämmender Leichtkörper auf Basis anorganischer Fasern, durch Einbringen von organischen und anorganischen Bindemitteln sowie weiteren Zusatzstoffen in die wäßrige Aufschlämmung der anorganischen Faserstoffe, Abscheiden der Feststoffe, Entwässern und anschließendes Trocknen.

Ein Verfahren der genannten Art wird gemäß der Erfindung verbessert und die Erfindung besteht darin, daß

a) in einem ersten Schritt unter Rühren die in Wasser aufgeschlämmten anorganischen Faserstoffe gleichmäßig mit Stärke, einem Koagulationsregler, einem Tonmineral sowie nichtionischen und/oder anionischen oberflächenaktiven Substanzen versetzt werden, die Zusatzstoffe unter kräftigem Rühren auf dem Fasermaterial ausgeflockt werden und von der Fasermasse ein feststofffreies Filtrat abgetrennt wird, worauf
b) in einem zweiten Schritt in das mindestens teilweise entwässerte Faservlies ein mineralsaures Kieselsol eingetragen wird mit der Maßgabe, daß das penetrierende mineralsaure Kieselsol durch basisch wirkende Komponenten des Koagulationsreglers und der Faserzusammensetzung kontinuierlich aggregiert und geliert wird, worauf in an sich bekannter Weise das Faservlies entwässert und getrocknet wird.

Als anorganische Fasern werden Gesteins-, Schlacken-, Glas- und/oder Keramikfasern verwendet. Die anorganischen Fasern werden quasi synthetisch hergestellt, indem Schmelzen aus Mineralien wie Basalt, aus Schlacken wie Hochofenschlacke, aus Aluminium- oder Siliciumoxid oder aus Silikatglas mittels komprimierter Gase in einer Düse oder mittels Fliehkraft auf rotierenden Walzenaggregaten zu Fasermaterial verstäubt werden. Der Anteil der basischen Komponenten wie Alkali- und/oder Erdalkalioxide dieser Fasern, der je nach Schmelzenzusammensetzung erheblich zwischen 1 und 35 Gew.-% schwankt, beeinflußt ebenfalls die zeitliche Entwicklung des pH-Wertes des penetrierenden mineralsauren Kieselsols in Richtung höherer pH-Werte.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren werden als Koagulationsregler Verbindungen mehrwertiger Metallkationen eingesetzt, die schwerlösliche Silikate bilden und deren Anionen basisch gegenüber dem mineralsauren Kieselsol reagieren. Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können auch natürliche oder synthetische Ionenaustauscher, wie Tonminerale oder Ionentauscherharze, eingesetzt werden, wenn sie mit den entsprechenden Kationen belegt sind. Bevorzugt werden Carbonat, Hydroxid und/oder Oxid von Calcium und Magnesium, ggf. in Mischung verwendet. Somit fungieren sowohl diese basischen Komponenten als auch die basischen Anteile der Faserzusammensetzung selbst als Koagulationsregler für die Fällung bzw. Gelierung des sauren Kieselsols, wobei die mehrwertigen Ionen ebenfalls die Aggregation begünstigen.

Somit ermöglicht das Verfahren der Erfindung, in gezielter Weise aufgrund der in der ersten Stufe in das Faservlies eingebrachten Koagulationsregler, nunmehr in der zweiten Stufe den zeitlichen Verlauf des pH-Wertes und die Konzentration an mehrwertigen Kationen zu beeinflussen. Die Steuerung des pH-Wertes ergibt sich aus dem anfänglichen pH-Wert des sauren Sols und dessen zeitlicher Veränderung, verursacht durch Neutralisationsreaktionen mit der silikatischen Faser und dem Koagulationsregler. Eine Erhöhung der Konzentration des Koagulationsreglers beschleunigt die pH-Werterhöhung und somit die Gelbildung. Die Kationen koagulieren das saure Sol, sobald der pH-Wert oberhalb des Elektroneutralitätspunktes ist. Die Gelbildungsgeschwindigkeit erhöht sich mit der Konzentration der Kationen.

Als Stärkekomponente werden im Verfahren der Erfindung native Stärken oder Stärkederivate verwendet. Die Herkunft der nativen Stärke ist nicht kritisch und als Stärkederivate eignen sich substituierte Stärken, Quellstärken oder abgebaute Stärken. Die Stärke oder Stärkederivate werden zweckmäßig als 0,5 bis 10%-ige Dispersion eingebracht.

Als Füllstoffe eignen sich in dem erfindungsgemäßen Verfahren Tonmineralien wie Bentonit, Kreide, Quarzmehl, ferner blähbare Mineralien wie Perlit oder Vermiculit. Bevorzugt werden Tonmineralien eingesetzt.

Zweckmäßig werden die Zusatzstoffe für die erste Stufe des Verfahrens der Erfindung in einer Menge verwendet - jeweils auf den anorganischen Faserstoff bezogen - von
0,1 bis 15 Gew.-% Stärke und/oder Stärkederivat,
0,1 bis 30 Gew.-% Tonmineral,
0,1 bis 5 Gew.-% Koagulationsregler.

Für feuerhemmende Faserkörper wird ein Anteil an Stärke und/oder Stärkederivat von vorzugsweise 0,5 bis 5 Gew.-% vorgesehen.

Zur Durchführung des Verfahrens der Erfindung wird in einem ersten Schritt eine Suspension von organischem Binder und Tonmineral zwecks besserer Quellung in warmem Wasser hergestellt, wobei eine Temperatur unterhalb der Verkleisterungstemperatur der jeweiligen Stärke eingestellt wird. Das Fasermaterial kann getrennt von der ersten Suspension in kaltem Wasser aufgeschlämmt werden. Nach einer Quellzeit von ca. 5 bis 15 min. werden die beiden Suspensionen vereinigt und der Koagulationsregler zugegeben. Durch Zugabe von oberflächenaktiven Substanzen können die Benetzungseigenschaften hinsichtlich Aggregation der Komponenten, Wassergehalt des entwässerten Faservlieses und des Verteilungsverhaltens der anorganischen Binderlösung beeinflußt werden. Der Filterkuchen enthält im allgemeinen weniger als 50 Gew.-% Wasser.

Als oberflächenaktive Substanzen werden nichtionische und/oder anionische Substanzen eingesetzt, beispielsweise nichtionische oberflächenaktive Substanzen aus der Gruppe Alkylphenolpolyglykolether, Ethoxylierungsprodukte von Fettsäuren, Fettsäureamiden, Fettsäureaminen und Fettalkoholen, ferner Fettsäureester von Polyalkoholen, des weiteren Polyacrylamide und Polyacrylate. Beispiele für anionische oberflächenaktive Substanzen sind Stoffe aus der Gruppe Alkansulfonate, Olefinsulfonate, Estersulfonate, Alkylarylsulfonate, Alkylsulfate, Ethersulfate.

In das mindestens teilweise entwässerte Faservlies wird anschließend ein mineralsaures Kieselsol eingetragen oder aufgesprüht. Das Kieselsol wird durch Eintragen, wie Einrühren einer alkalischen Alkaliwasserglaslösung in wäßrige Mineralsäure, vorzugsweise konzentrierte Salzsäure oder Schwefelsäure bis zur Einstellung eines pH-Wertes von 1,0 bis 5,5 gewonnen. Vorzugsweise wird Natronwasserglas mit einem Na₂O/SiO₂-Verhältnis von 1 : 3 und einem Feststoffgehalt von 41% verwendet. Dem mineralsauren Kieselsol können noch weitere Hilfsstoffe zugesetzt werden, beispielsweise oberflächenaktive Substanzen, Viskositätsregler.

Das mineralsaure Kieselsol wird auf das mindestens teilweise entwässerte Faservlies bzw. auf den Faserformkörper aufgetragen und durchtränkt diesen gleichmäßig. Für diesen Vorgang ist eine genaue Steuerung der Gelzeit des Sols erforderlich. Die Gelzeit ist abhängig der pH-Wertänderung des Systems und von Art und Konzentration der in Lösung befindlichen Kationen, insbesondere der Kationen der aus der Faser auslaugbaren Anteile und der Kationen des Koagulationsreglers.

Nach Beendigung der Gelbildung, im allgemeinen ca. 5 bis 15 min, kann überschüssiges Restwasser abgetrennt werden, wobei ein Mindestwassergehalt von ca. 40 bis 50% im Faservlies nicht unterschritten werden soll. Der feuchte Faserformkörper wird abschließend bei 100 bis 250°C getrocknet. Die Bindung der Komponenten der Ansatzmischung kann durch die Trocknungszeit beeinflußt werden. Eine zu schnelle Trocknung kann die günstige Gelbildung behindern.

Hingegen führt eine optimierte Trocknungszeit zu gleichförmiger Bindung und Faserstruktur auch im Plattenvolumen. Dabei wird auch Restsäure durch basisches Fasermaterial neutralisiert.

Sofern es die Eigenschaften des Endproduktes erfordern, können während der einzelnen Stufen des Verfahrens der Erfindung noch weitere Behandlungen vorgenommen werden. Ferner kann ein Applizieren von Mitteln zur Oberflächenbehandlung, wie anorganische Farbstoffe und Hilfsstoffe, die eine weitere mechanische Bearbeitung erleichtern, zweckmäßig sein.

Gegenüber herkömmlichen Produkten weisen die gemäß der Erfindung hergestellten Leichtkörper auf Basis anorganischer Fasern Vorteile auf. Im Brandverhalten zeichnen sich die Körper durch eine praktisch fehlende Schwelgas- oder Rauchgasbildung aus, es tritt keine Verfärbung auf und die mechanische Stabilität der Körper bleibt bei Feuereinwirkung erhalten. Hinsichtlich der Wasserfestigkeit bleibt bei Einwirkung von Wasserdampf und selbst von benetzendem Wasser die Formstabilität der Leichtkörper erhalten. Ferner ermöglicht die gleichmäßige Faserfilzstruktur auch nachträgliche mechanische Bearbeitungs- und Formgebungsvorgänge ohne Zerstörung der Körper. Schließlich zeichnen sich die Leichtkörper durch praktische Unempfindlichkeit gegen Schimmelbildung und andere biologische Einflüsse aus.

Die Erfindung wird anhand der nachstehenden Beispiele näher und beispielhaft erläutert.

Beispiel 1

a) In einem mit Rührwerk versehenen Behälter werden 440 g Basaltfasern (Faserlänge ca. 0,1 bis 20 mm, Faserdurchmesser ca. 5 bis 15 µm und Erdalkalioxidgehalt ca. 30%) in 9 l Wasser von Raumtemperatur aufgeschlämmt. 15 g native Weizenstärke und 66 g Ton werden in Wasser von 40 bis 45°C suspendiert. Nach einer Quellzeit von 10 min wird die Stärke/Ton-Suspension unter Rühren zu der Faseraufschlämmung gegeben. Dann werden 3,25 g gefälltes Calciumcarbonat in der Aufschlämmung gleichmäßig verteilt, oberflächenaktive Substanzen zugesetzt und bis zur Ausflockung der Komponenten auf der Faser kräftig gerührt. Dabei darf nur bis zur Klärung gerührt werden, weil ein weiteres Rühren zur Knäuelbildung der Fasern führt. Zur besseren Trennbarkeit der Bestandteile vom Wasser werden 20 ml einer 1%-igen Fettalkoholpolyglykoletherlösung zugesetzt und die gesamte Masse in einem Schub auf ein Filtersieb (28 cm×30 cm) gegeben. Der entstehende Filterkuchen wird bis auf einen Wassergehalt von ca. 43% entwässert und dabei auf eine Dicke von 2,5 cm verdichtet.

b) Zur Herstellung der anorganischen Bindemittellösung werden 84,5 ml konzentrierte Salzsäure (Dichte = 1,18 g/cm³) mit 290,5 ml entmineralisiertem Wasser verdünnt. In diese Lösung werden 260 ml Natronwasserglas (Na₂O/SiO₂-Verhältnis 1 : 3; Feststoffgehalt ca. 41%) verdünnt mit 240 ml entmineralisiertem Wasser, unter kräftigem Rühren eingetragen. Nach beendeter Zugabe beträgt der pH-Wert 1,3. Der pH-Wert kann durch vorsichtiges Einbringen von wenig weiterem verdünnten Wasserglas zur leichteren späteren Gelbildung angehoben werden. Die fertige Binderlösung wird gleichmäßig auf das Faservlies aufgebracht und von diesem sofort aufgesogen. Ein geringer Filterunterdruck bzw. kurzes mehrmaliges Pressen des Faservlieses fördert die homogene Verteilung der Binderlösung. Nach 10 min ist die Gelbildung ausreichend fortgeschritten, so daß bei Unterdruck entwässert werden kann. Der Wassergehalt liegt danach bei 55 bis 60%. Das Filtrat ist bei optimierter Verfahrensweise praktisch feststoff- und kieselsolfrei. Das entwässerte Faservlies wird bei 125 bis 150°C im Ofen getrocknet.

Beispiel 2

Auf einem nach Beispiel la hergestellten Filterkuchen wird eine anorganische Bindemittellösung auf schwefelsaurer Basis aufgebracht. Zu ihrer Herstellung werden 26 ml konzentrierte Schwefelsäure (d = 1,84 g/cm³) in 350 ml Wasser eingerührt. In das erkaltete Gemisch werden - entsprechend dem Beispiel lb - 260 ml Natronwasserglas, verdünnt mit 240 ml entmineralisiertem Wasser, unter kräftigem Rühren eingetragen. Auftragen der Binderlösung auf den Filterkuchen, Gelbildung, Entwässerung des Faservlieses und Trocknung werden entsprechend der Arbeitsweise des Beispiels 1b vorgenommen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung feuerhemmender, schall- und wärmedämmender Leichtkörper auf Basis anorganischer Fasern, durch Einbringen von organischen und anorganischen Bindemitteln sowie weiteren Zusatzstoffen in die wäßrige Aufschlämmung der anorganischen Faserstoffe, Abscheiden der Feststoffe, Entwässern und anschließendes Trocknen, dadurch gekennzeichnet, daß

a) in einem ersten Schritt unter Rühren die in Wasser aufgeschlämmten anorganischen Faserstoffe gleichmäßig mit Stärke, einem Koagulationsregler, einem Tonmaterial sowie nichtionischen und/oder anionischen oberflächenaktiven Substanzen versetzt werden, die Zusatzstoffe unter kräftigem Rühren auf dem Fasermaterial ausgeflockt werden und von der Fasermasse ein feststofffreies Filtrat abgetrennt wird, worauf
b) in einem zweiten Schritt in das mindestens teilweise entwässerte Faservlies ein mineralsaures Kieselsol eingetragen wird mit der Maßgabe, daß das penetrierende mineralsaure Kieselsol durch basisch wirkende Komponenten des Koagulationsreglers und der Faserzusammensetzung kontinuierlich aggregiert und geliert wird, worauf in an sich bekannter Weise das Faservlies entwässert und getrocknet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als anorganische Faserstoffe Gesteins-, Schlacken-, Glas- und/oder Keramikfasern verwendet werden.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Stärkekomponente native Stärke oder Stärkederivate verwendet werden.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Koagulationsregler Verbindungen mehrwertiger Metallkationen verwendet werden, die schwerlösliche Silikate bilden und deren Anionen gegenüber dem mineralsauren Kieselsol basisch reagieren.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Koagulationsregler Carbonat, Hydroxid und/oder Oxid von Calcium und/oder Magnesium verwendet wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzstoffe, bezogen auf anorganischen Faserstoff, in einer Menge von
0,1 bis 15, vorzugsweise 0,5 bis 5 Gew.-% Stärke und/oder Stärkederivat,
0,1 bis 30 Gew.-% Tonmineral,
0,05 bis 5 Gew.-% Koagulationsregler,
verwendet werden.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das mineralsaure Kieselsol durch Behandeln einer Mineralsäure, vorzugsweise Salz- oder Schwefelsäure mit einer wäßrigen Alkalisilicatlösung, unter Einstellung eines pH-Wertes von 1,0 bis 5,5 hergestellt wird.