DE4221001A1 - Hochtemperaturbeständiges Garn - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein hochtemperaturbeständiges Garn bzw. einen Zwirn zum Einsatz als Isolationsmaterial, das Verfahren zur Herstellung und die Verwendung für Gewebe, Geflechte und Seile.

Solche Produkte sind bekannt, z. B. unter der Bezeichnung isoKERAM, hergestellt aus geschleuderten keramischen Stapelfasern mit Prozeßfasern über einen Krempel- und Spinnprozeß. Als Festigkeitsträger wird ein Glasfilament oder Stahldraht beim Spinnprozeß eingearbeitet. Diese Garne und die daraus hergestellten Textilien haben den Vorzug, ein hohes Volumen zu besitzen und damit gute Isolationseigenschaften aufzuweisen. Durch das hohe Volumen wird außerdem das Verhältnis von Materialeinsatz pro laufenden Meter oder pro Quadratmeter sehr günstig beeinflußt.

Ein Nachteil ist, daß keramische Fasern auch Fasern mit einer Dicke von 3 µm enthalten, die toxikologisch ähnlich gesundheitsgefährdend sein können wie Asbest.

Andere Hochtemperaturisolationstextilien, wie z. B. die unter der Bezeichnung isoTHERM bekannten Garne und daraus hergestellte Weiterverarbeitungsprodukte sowie andere entsprechend behandelte Glasgarne mit erhöhtem SiO₂-Gehalt haben den Vorteil günstiger Herstellkosten, hoher Temperaturstabilität und bedingt durch das Fehlen von Prozeßfasern werden bei der Erstanwendung keine Verbrennungsprodukte frei. Diese Produkte haben obendrein den Vorteil, daß man Faserdurchmesser im kritischen Bereich unter 3 µm garantiert ausschließen kann, da sie aus gezogenen Mineralfasern bestehen, deren Dicke einstellbar ist. Die erhöhte Temperaturstabilität der Isothermgarne und ähnlicher Glasfasern und Glasgarne wird erreicht, indem die Glasfasern mit Säure behandelt werden und so ein Anteil, nämlich die dem Glas zur Schmelzpunktserniedrigung zugesetzten Bestandteile, vor allem also Alkali und zu einem geringen Teil auch Erdalkalibestandteile ausgewaschen werden. Zur Vermeidung des dabei auftretenden erheblichen Festigkeitsabfalles gibt es jetzt bekannte Arbeitsweisen, z. B. gemäß EP 236 735 B1, die angewandt werden, wenn der Festigkeitsabfall stört. Ein weiterer Weg zur Erhöhung des SiO₂-Gehaltes ist das Anlagern von SiO₂ an die Glasfaser nach Umladung durch Säurebehandlung der Faser.

Nachteil dieser Produkte ist die sehr hohe Packungsdicke, trotz des Texturierprozesses und damit das relativ geringe Isolationsvermögen und die dadurch entstehenden hohen Materialkosten pro laufendem Meter oder Flächeneinheit.

Aufgabe der Erfindung sind demnach hochtemperaturbeständige Garne und daraus hergestellte Gewebe, Geflechte und Seile, welche das Isolationsvermögen der oben erwähnten Produkte auf der Basis von keramischen Stapelfasern bei ausreichender Temperaturbeständigkeit aufweisen, die jedoch keine Faserdurchmesser im kritischen Bereich unter 3 µm enthalten und somit toxikologisch unbedenklich sind, so daß die bei Keramikfasern bestehende Gesundheitsgefahr entfällt.

Dies ist möglich durch die Kombination einer speziellen Mineralfaser bzw. Mineralfasermischung mit einer Prozeßfaser bzw. Prozeßfasermischung und Verarbeitung der Mischung zuerst auf einer Krempelanlage, wonach die Krempellunten dann zur Bildung von Garnen nach üblichen textiltechnischen Verfahren weiterverarbeitet werden.

Im speziellen wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß man aus gezogenen Mineralfasern gebildete Stapelfasern mit erhöhtem SiO₂-Gehalt, z. B. mit Säure extrahierte oder mit SiO₂ beschichtete Glasstapelfasern mit einer Prozeßfaser über die Krempelanlage führt und daraus nach üblichen textiltechnischen Verfahren Garne bildet, und zwar gegebenenfalls mit entsprechenden Armierungen aus Glasfasern oder Draht, und diese gesponnenen Garne dann nach Wunsch weiter gezwirnt, geflochten, gewebt oder geseilt werden.

Als Mineralfasern kommen z. B. säurebehandelte E-Glasfasern, bei denen man bis zu 30 Gew.-% der Glasmenge mit Säure extrahiert hat, in Frage sowie noch stärker säurebehandelte E-Glasfasern mit wesentlich höheren SiO₂-Gehalten bis hin zu 98 oder 99 Gew.-% SiO₂ oder Glasfasern mit SiO₂-Umhüllung, wobei je nach gewünschter Hitze­ beständigkeit, auch normale Glasfasern, z. B. E-Glasfasern ohne Säurebehandlung als Mischungskomponente, die jedoch vorzugsweise 50 Gew.-% der gesamten Glasfasern nicht übersteigen soll, mit eingesetzt werden können.

Diese Mineralfasern können unbeschichtet, aber auch vorzugsweise oberflächenbeschichtet eingesetzt werden, da durch die Oberflächenbeschichtung wie noch erläutert, Wasserdampfdichtheit, Antistatikeigenschaften, verminderte Oberflächenreibung, besseres textiles Verhalten, Beeinflussung der Brennbarkeit und des Aussehens, erhöhte Unbedenklichkeit hinsichtlich Umwelts- und Arbeitsschutz und eine zusätzliche Erhöhung der thermischen Beständigkeit erzielt werden können. Oberflächenbeschichtungen sollen beim Verbrennen, d. h. bei der Pyrolyse, unbedenklich sein und für den Fall des Einsatzes als Armierungsgarne sollen sie eine erhöhte Haftvermittlung verleihen.

Diese Mineralfasern werden in einer Menge von 60 bis 95 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge des auf die Krempelanlage gegebenen Fasergemisches, vorzugsweise 80-90 Gew.-%, mit Faserdurchmessern von 6 bis 14 µm, vorzugsweise 6 bis 9 µm und Faserlängen von 20 bis 180 mm, insbesondere 50-120 mm und vorzugsweise 40 bis 60 mm verwendet.

Als Prozeßfasern kommen organische Textilfasern in Frage, insbesondere Viskosefasern, Acrylfasern, Polypropylenfasern, Schmelzklebefasern, also EVA-, PA-, PES-, geeignete PP-Fasern, aber auch Fasern aus EEA, PBV oder PIB, also geeignete thermoplastische Fasern allgemein, die insbesondere dann von Vorteil sind, wenn das Garnmaterial oder die daraus hergestellten Erzeugnisse für Formteile oder Stanzteile eingesetzt werden sollen, sowie Baumwolle, Flachs oder Aramid. Die Prozeßfasern sollten gute Verarbeitbarkeit und geringe Brennbarkeit haben, so daß in manchen Fällen der Einsatz von flammgeschützten brennbaren Fasern bevorzugt wird. Jedenfalls sollten auch diese Fasern beim Verbrennen keine toxischen Substanzen oder nur wenig toxische Substanzen abgeben.

Die Prozeßfasern werden in einer Menge von 5 bis 40 Gew.-%, vorzugsweise 10 bis 20 Gew.-% der auf die Krempel gegebenen Fasermischung eingesetzt werden mit Faserdurchmessern von 6 bis 18 µm, vorzugsweise 6 bis 10 µm und den für organische Stapelfasern üblichen Längen verwendet.

Die Herstellung der säurebehandelten Glasfaser erfolgt z. B. gemäß DE-PS 36 03 909 und/oder 37 02 815, indem man die Glasfaser-Säuremischung langsam innerhalb einer Zeitspanne von 1/2 bis 3 Stunden auf Temperaturen im Bereich von 50°C bis dicht unterhalb des Siedepunktes der Säure erhitzt, bei dieser Temperatur hält und anschließend langsam auf Umgebungungstemperatur abkühlt, wobei Temperatursprünge im Bereich über 50°C sowohl beim Aufheizen wie beim Abkühlen vermieden werden und die Extraktion mit der Säure so lange fortgesetzt wird, bis ein Auslaugungsgrad von mindestens l Gew.-% bis zu 30 Gew.-% des ursprünglichen Fasergewichts erreicht ist, wobei vorzugsweise eine Säuremenge entsprechend 10 bis 200 g HNO₃ 52/53% pro Liter Bad, insbesondere 10 bis 100 g pro Liter angewandt wird. Wenn der dabei eintretende Festigkeitsabfall wenigstens zum Teil wieder aufgehoben werden soll, wird die Faser dann mit einem beständigen feuchtigkeits- und wasserdampfdichten dünnen elastischen Überzug versehen, damit die umhüllte Faser einen Restwassergehalt von 1 bis 10 Gew.-% beibehält. Nachdem dieser Überzug auf der Endfaser sein muß, muß also die Glasfaser entweder vorher zur Stapelfaser geschnitten und dann der Säurebehandlung und Beschichtung unterzogen werden oder jedenfalls die Beschichtung an dem zu Stapelfasern geschnittenen Material erfolgt, damit die Stapelfasern den wasserdampfdichten Überzug auch an den Enden haben. Wenn dagegen der Festigkeitsabfall bedeutungslos ist, genügt eine übliche Oberflächenbehandlung, die die weitere Verarbeitbarkeit auf Krempelanlagen fördert, also übliche Avivagen.

Eine weitere Art von thermisch stabilisierten Silikatglasfasern ist in der DE-PS 37 25 506 beschrieben. Ein erhöhtes Gewichtsverhältnis von Kieselsäure zu nicht kieseligen Oxiden unter Bildung einer SiO₂-Umhüllung wird dadurch erzeugt, daß die Fasern, ggfs. nach Säureextraktion, durch Säurebehandlung mit einer anionischen Ladung versehen, darauf mit kationischem Kieselsol überzogen und schließlich mit einer Appretur versehen werden. Auch hier kann man, um den evtl. durch die Säurebehandlung eingetretenen Festigkeitsabfall wenigstens zum Teil zu beseitigen, eine wasserdampfdichte Appretur aufbringen, so daß eine Restfeuchtigkeit von 1 bis 10 Gew.-% in der Faser verbleibt.

Beim Einsatz solcher Glasstapelfasern mit erhöhter thermischer Beständigkeit zusammen mit Prozeßfasern ist das Produkt dieses Verfahrens im Volumen vergleichbar mit den Erzeugnissen auf der Basis von keramischen Stapelfasern, aber mit dem Vorteil, daß die dabei eingesetzten Fasern keine Gesundheitsgefahr in sich bergen, da man das Vorliegen von Fasern mit 3 µm Dicke oder weniger mit Bestimmtheit ausschließen kann. Die Temperaturfestigkeit ist die für die bekannten Isothermgarne und der daraus hergestellten Weiterverarbeitungsprodukte und genügt daher für alle Anwendungen, wo jetzt die mit Säure extrahierten oder mit SiO₂ beschichteten Glasfasern eingesetzt werden. Die vorhandene Prozeßfaser, die in der Menge etwa der entspricht, wie sie bei der Verarbeitung von keramischen Stapelfasern benutzt wird, wird wie dort bei der Erstanwendung pyrolysiert, wobei das gegenüber den normalen Glasfasern mit erhöhter Temperaturbeständigkeit und daraus hergestellten Erzeugnissen vorhandene höhere Volumen und damit der bessere Isolationswert und die geringeren Materialkosten pro Meter oder Flächeneinheit erhalten bleiben.

Die Zusammensetzung derartiger Garne beträgt wie erwähnt 60 bis 95 Gew.-% Glasfaser mit erhöhter thermischer Beständigkeit und 5 bis 40 Gew.-% Prozeßfaser, wie z. B. Zellwolle oder Acryl.

Die Glasfasern sind vorzugsweise aus E-Glas. Die Verarbeitung kann auf handelsüblichen Krempelanlagen und nach gängigen Spinnprozessen erfolgen, wie sie auf diesem Gebiet üblich sind.

Es sind prinzipiell alle für derartige Fasern bzw. Fasergemische üblichen Spinnverfahren anwendbar, wobei vorzugsweise jedoch das Streichgarnverfahren, Spinnverfahren über Krempel und Ringspinnmaschine, Offen-End-Spinnverfahren und die Vliesherstellung über Kardierung und mechanische, thermische oder chemische Verfestigung angewandt werden.

Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung.

Beispiel 1

Für die Mineralfaser wird als Ausgangsmaterial ein Glasfaserroving von 68 tex-2400 tex und 9 µm Faserdicke eingesetzt, der zu Faserlängen von 50-120 mm gehäkselt wird.

Darauf erfolgt die Säurebehandlung mit dem Flockenfärbeapparat gemäß DE-PS 36 03 909 bzw. DE-OS 37 02 815, die anschließend noch beschrieben werden. Die säurebehandelte Faser wird dann in einer Menge von ca. 85 Gew.-% der Gesamtmenge mit ca. 15% Zellwolle als Trag- bzw. Prozeßfaser gemischt und gekrempelt, wobei Krempellunten von ca. 500 tex bis 2500 tex, vornehmlich 2000 tex hergestellt werden.

Diese Krempellunten werden dann auf der Ringspinnmaschine oder der OE-Spinnmaschine mit einem Seelenmaterial aus Glasfasern (Filamenten) oder Stahldraht zu einem Core-Garn versponnen, wobei ein üblicher Drehungsbeiwert angewandt wird.

Bei einem Garngewicht von 300 bis 500 tex wird vorzugsweise eine Seele von 68 tex verwendet. Bei Garn von 1000 tex eine Seele von 136 tex und bei einem Garn von 2000 tex eine Seele von 272 tex (üblicherweise zweimal 136 tex).

Das Garn kann ggfs. zu einem zweifachen oder mehrfachen Zwirn verzwirnt werden und aus den Garnen oder Zwirnen können dann sowohl Breitgewebe als auch Gewebebänder hergestellt werden. Die m²-Gewichte liegen gewöhnlich zwischen 500 g/m² bis 4500 g/m².

Die Säurebehandlung der verwendeten Glasfaser war wie folgt:

Eine HT-Färbeapparatur üblicher Bauart (säurefest) von 2000 Liter Flotteninhalt wurde mit 2000 Liter einer etwa 10 gew.-%igen Salpetersäure (300 l Salpetersäure 52/53% und 1700 l Wasser) gefüllt. Dann wurden 350 kg Glasstapelfaser (EC-Glas) von 40 bis 80 mm Länge und 9 um Wasserdicke eingefüllt. Dies ist ein Flottenverhältnis von etwa 1 : 5,7. Die beschickte Flotte wurden dann innerhalb von 30 Minuten von 25°C (Ausgangstemperatur) auf 80°C gebracht und dann 30 Minuten bei 80°C gehalten. Dann wurde durch indirektes Abkühlen die Temperatur innerhalb von 15 Minuten auf 50°C gebracht und dann durch Kaltwasserzulauf weiter abgekühlt. Der Bypass war dabei und auch in den folgenden Arbeitsgängen immer offen. Der Kaltwasserzulauf erfolgte durch Spülen im Überlauf und danach Ablassen des Bades.

Dann wurde der Inhalt einmal kalt gespült und das Bad wieder abgelassen und schließlich wurde mit einem Spülbad, das Ammoniak enthielt, der gesamte Inhalt auf pH 8 gebracht und das Spülbad dann abgelassen.

Um der behandelten Glasfaser eine Kennfärbung zu verleihen, wurde dann mit Basic Blue 5, C.I. 42 140 (30 g/Flotten­ inhalt) 10 Minuten lang kalt gefärbt und die Spulen wurden dann durch einmaliges Füllen der Apparatur mit Wasser und Ablassen des Wassers gespült.

Die Nachbehandlung erfolgte in der gleichen Apparatur direkt am Stapelgarn mit einer Dispersion von 10 g/l eines hitzereaktiven, selbstvernetzenden copolymeren Kunststoffderivats (z. B. in Form einer handelsüblichen anionenaktiven weißen dünnflüssigen Dispersion mit 27% Aktivsubstanz vom pH 4, die in kaltem Wasser in jedem Verhältnis unter Rühren löslich ist. Sie vernetzt bei Temperaturen ab 130°C). Als Dispergiermittel war der Flotte 1 g/l eines handelsüblichen Waschmittels zugesetzt. Die Stapelfasern wurden 30 Minuten in der HT-Färbeapparatur mit der Schlichte behandelt. Dann wurde das Material aus dem Nachbehandlungsbad ausgebracht und in dem der HT-Apparatur nachfolgenden Schnelltrockner getrocknet, indem 1 Minute bei 130°C abgedrückt und dann 45 Minuten bei 130°C getrocknet und gleichzeitig kondensiert wurde. Wie bei der Färbung war auch beim Trocknen der Luftverlauf von innen nach außen.

Diese Behandlung ergab einen Gewichtsverlust der Glasfaser von ca. 20% und eine Überzugsmenge von ca. 1 Gew.-%, bezogen auf Glasfaser.

Beispiel 2

Dieses Beispiel wurde wiederholt, wobei die Mischung aus folgenden Fasern bestand.

30% E-Glasfasern, 9 µm Faserdicke, Faserlänge 40-60 mm, 55% E-Glasstapelfaser von 1430 tex×1, mit 2-3 Gew.-% Kieselsol beschichtet, und Stapellängen von 40-60 mm, 5% Polyaramidfasern und 15% Viskosefasern, jeweils ebenfalls mit Stapellängen von 40-60 mm.

Das Fasergemisch wurde gekrempelt, wobei wiederum Krempellunten von ca. 500 tex bis 2500 tex, vornehmlich 1000 tex, hergestellt werden. Diese Krempellunten werden dann auf der OE-Spinnmaschine mit einem Seelenmaterial aus 136 tex Filamenten zu einem Core-Garn versponnen.

Die Herstellung der mit Kieselsol beschichteten Glasfaser war wie folgt:

In eine HT-Färbeapparatur (säurefest) mit 2000 l Flotteninhalt wurde ein Bad aus 7 g/l HNO₃ 52%ig, und 1 g/l des nichtionogenen Alkylpolyglykoläthers Perenin eingebracht. In die Apparatur wurden ca. 350 kg E-Glasstapelfasern von 9 µm Faserdicke eingebracht, worauf das Bad innerhalb von ca. 50 min auf ca. 80°C erwärmt, 30 min bei dieser Temperatur gehalten und dann innerhalb von 50 min auf 30°C abgekühlt wurde (durch indirekte Kühlung). Die Flottenzirkulation erfolgte von außen nach innen bei einem Druck von 2 bar.

Nach dem Abkühlen wurden 10 g/l Kieselsol SH, 30%ig, zugesetzt und die Glasfasern so bei 30°C noch 20 min behandelt. Anschließend wurde gespult und neutralisiert, wobei mit NH₄OH bis pH 8 versetzt wurde, damit keine Saurereste im Garn verblieben.

Dann wurde in der gleichen Apparatur 10 min lang kalt mit Wasser behandelt, das 5 g/l des Ausrüstungsmittels Solusoft WA, ein modifiziertes Polysiloxan, und 3 g/l eines Binders mit permanentem Ausrüstungseffekt, nämlich Appretan 3450, eine selbstvernetzende Acrylat-Copolymer-Dispersion von ca. 50% Feststoffgehalt enthielt. Nach dieser Behandlung wurde die Stapelfaser ohne zu spülen aus dem Bad entnommen und bei 120°C getrocknet.

Claims (9)

1. Hochtemperaturbeständige Garne oder Zwirne bestehend aus 60-95 Gew.-% aus gezogenen Mineralfasern gebildete Stapelfasern mit einem Mindestfaserdurchmesser von mehr als 3 µm, insbesondere 6 µm und mehr und 5-40 Gew.-% organischer Prozeßfaser, jeweils bezogen auf Stapelfasermischung und ggfs. eine entsprechende Armierung aus Glasfilament oder Draht, erhalten durch übliches Krempeln und übliche textiltechnische Zwirnung zu einem Garn oder Core-Garn.

2. Garn nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mineralfaser Glasfaser mit erhöhtem SiO₂-Gehalt ist.

3. Garn nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasfaser mit erhöhtem SiO₂-Gehalt bis zu 50 Gew.-% durch normale Mineralfaser ersetzt ist.

4. Garn nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stapelfasergehalt aus 80 bis 90 Gew.-% Mineralfasern mit 6 bis 14 µm Faserdurchmesser und Fasernlängen von 20 -180 mm, insbesondere 50-150 mm zusammen mit 10 bis 20 Gew.-% Prozeßfaser mit Faserdurchmesser von 6- 18 µm und für organische Stapelfasern übliche Faserlängen neben der evtl. Seele besteht.

5. Verfahren zur Herstellung von hochtemperaturbeständigem Garn von gutem Isolationsvermögen durch Mischung von Mineralfasern und organischen Prozeßfasern und übliche textiltechnische Weiterverarbeitung und insbesondere den Garnen nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß man aus gezogenen Mineralfasern gebildete Stapelfasern, insbesondere Glasstapelfasern mit erhöhtem SiO₂-Gehalt in einer Menge von 60 bis 95 Gew.-% und 5 bis 40 Gew.-% organische Prozeßfaser, jeweils bezogen auf Gesamtstapelfasermischung über eine Krempelanlage führt und daraus nach üblichen textiltechnischen Verfahren, ggfs. mit entsprechenden Armierungen aus Glasfilament oder Draht, Garne bildet und diese gesponnenen Garne ggfs. nach Wunsch weiter gezwirnt, geflochten, gewebt oder geseilt werden, wobei die Mineralfasern einen Mindestdurchmesser von mehr als 3 µm, insbesondere 6 µm und mehr haben.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man 80 bis 90 Gew.-% Mineralfaser mit 6 bis 14 µm Faserdurchmesser und Faserlängen von 20 bis 180 mm zusammen bis 10 bis 20 Gew.-% Prozeßfaser mit Faserdurchmessern von 6 bis 18 µm einsetzt.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß man Mineralfasern mit Faserdurchmessern von 6 bis 9 µm und Faserlängen von 40 bis 60 mm und Prozeßfasern von 6 bis 10 µm einsetzt.

8. Verfahren nach Anspruch 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man die Glasfasern mit erhöhtem SiO₂-Gehalt bis zu 50 Gew.-% durch normale Glasfaser ersetzt.

9. Verwendung der Garne oder Zwirne nach Anspruch 1 bis 4 zur Herstellung von Geflechten, Geweben oder Seilen.