DE69728399T2

DE69728399T2 - Verbundmatte

Info

Publication number: DE69728399T2
Application number: DE69728399T
Authority: DE
Inventors: John Spital DINWOODIE
Original assignee: Saffil Ltd
Current assignee: Saffil Ltd
Priority date: 1996-07-26
Filing date: 1997-07-22
Publication date: 2005-03-10
Anticipated expiration: 2017-07-23
Also published as: CN1226199A; DE69728399D1; EP0914246B1; CN1267269C; JP2000515825A; AU3628797A; EP0914246A1; KR20000029471A; ES2216159T3; WO1998004404A1; GB9615720D0

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine laminierte Verbundmatte mit einer Schicht aus anorganischen Fasern, die durch ein Bindemittel miteinander verbunden sind, und mit einer Schicht aus einem Intumeszenzmaterial. Insbesondere betrifft die Erfindung eine laminierte Verbundmatte, die zum flexiblen Befestigen der zerbrechlichen Keramik- oder Metallmonolithen verwendet werden kann, wie man sie in Abgaskatalysatoren und Dieselrufiltern in deren Metallgehäuse findet. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Herstellen einer laminierten Verbundmatte.
Abgaskatalysatoren und Dieselrußfilter werden routinemäßig in Automobile und andere Straßenfahrzeuge eingebaut, um die vom Motor erzeugten Abgase zu reinigen. Diese Vorrichtungen weisen üblicherweise einen keramischen Bienenkorb-Monolithen auf, der in einem Metallgehäuse untergebracht ist und einen Träger für den Katalysator darstellt. Der Keramikmonolith ist mit einer Mehrzahl von sehr kleinen Strömungskanälen versehen und hat eine zerbrechliche Struktur, die beschädigt werden kann, wenn sie der Art von Vibrationskräften ausgesetzt ist, die beim Gebrauch jedes Straßenfahrzeugs vorwiegend auftreten. Darüber hinaus sind der Monolith und das umgebende Metallgehäuse beim Gebrauch extrem hohen Temperaturen ausgesetzt, die eine Ausdehnung dieser Teile verursachen, jedoch nicht im gleichen Ausmaß. Als Folge davon muss das Befestigungssystem, das zum Befestigen des Keramikmonolithen in seinem Metallgehäuse verwendet wird, den Monolithen von den begleitenden Vibrationskräften isolieren und jeden Unterschied zwischen der Ausdehnung des Monolithen und des Gehäuses ausgleichen. Auf diese Weise können die Belastungen, denen der Monolith während des Gebrauchs als Ergebnis der unterschiedlichen Ausdehnung oder der Vibrationskräfte unterliegt, auf ein annehmbares Maß reduziert werden.
Es ist bekannt, zum Befestigen des zerbrechlichen Keramikmonolithen in dem umgebenden Metallgehäuse eine Verbundfasermatte zu benutzen; siehe z. B. US 4 011 651 und WO 94/24425. Die Fasermatte wird in dem Ringraum zwischen dem Monolithen sowie dem umgebenden Metallgehäuse angeordnet und wird in diesem Ringraum unter einem Pressdruck gehalten, so dass sie auf den Monolithen und das Gehäuse einen radialen Druck ausübt, der den Monolithen an seiner Stelle hält.
Die EP 0 573 834 A beschreibt einen Abgaskatalysator mit einem Monolithen, der mittels einer wärmeisolierenden Matte in einem Katalysatorgehäuse untergebracht ist. Die Matte besteht aus in der Schmelze gebildeten feuerfesten Keramikfasern, die geglüht worden sind, um der Matte einen sogenannten Rückfederungswert (Resiliency value) von mindestens 10 kPa zu verleihen. Vorzugsweise liegen die Fasern in einer feinkörnigen kristallinen Form vor. Die Matte kann auch eine gesonderte Schicht aufweisen, die nichtexpandierte Vermiculit-Flocken enthält.
Wir haben nun eine laminierte Verbundmatte entwickelt, die eine Schicht aus anorganischen Fasern, welche durch ein Bindemittel miteinander verbunden sind, und eine Schicht aus einem Intumeszenzmaterial aufweist. Die Verbundmatte kann zur Befestigung der Keramik- oder Metallmonolithe, wie sie in Abgaskatalysatoren und Dieselrußfiltern vorliegen, in deren Metallgehäusen benutzt werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine laminierte Verbundmatte zur Verfügung gestellt, die mit einer ersten und einer zweiten Schicht versehen ist, wobei die erste Schicht ein Intumeszenzmaterial (ein expandierbares Material) und die zweite Schicht eine Mehrzahl von anorganischen Fasern sowie ein Bindemittel, das zum Binden der Fasern untereinander und zum Binden der zweiten Schicht an die erste Schicht dient, enthält.
Die laminierte Verbundmatte gemäß der vorliegenden Erfindung weist zwei diskrete Schichten auf, die miteinander verbunden sind und durch die Klebstoffwirkung des in der zweiten Schicht enthaltenen Bindemittels eine einstückige Anordnung bilden.
Vorzugsweise ist das Bindemittel im Wesentlichen gleichmäßig durch die zweite Schicht hindurch verteilt, wobei diese eine Laminarscherfestigkeit von mindestens 0,1 MPa aufweist.
Das in der ersten Schicht enthaltene Intimeszenzmaterial ist vorzugsweise ein unexpandiertes Schichtsilicatmineral, insbesondere unexpandierter Vermiculit. Der unexpandierte Vermiculit liegt vorzugsweise in Form von Flocken vor. Er kann unbehandelt oder behandelt sein, letzteres durch Ionenaustausch mit Ammoniumverbindungen, wie Ammoniumdihydrogenphosphat, Ammoniumcarbonat oder Ammoniumchlorid. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Schicht selbst eine flexible Verbundplatte, die eine Kombination aus unbehandelten Vermiculit-Flocken, einem organischen Bindemittel, einem anorganischen Füllstoff und gegebenenfalls einem anorganischen Fasermaterial enthält. Geeignete anorganische Fasermaterialien sind zum Beispiel Alumino silicatfasern, Glasfasern, Zirconiumoxidfasern, Zirconiumoxid-Siliciumoxid-Fasern, Aluminiumoxidfasern, Aluminiumoxidwhiskers, Aluminoborsilicatfasern, Mullitfasern und Titanoxidfasern. Geeignete organische Bindemittel sind beispielsweise Naturkautschuk, Styrol-Butadien-Copolymere, Butadien-Acrylnitril-Copolymere sowie Acrylat- und Methacrylatpolymere und -copolymere. Geeignete anorganische Füllstoffe sind expandierter Vermiculit, hohle Glasmikrokugeln und Bentonit. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform enthält die erste Schicht vorzugsweise 20,0 bis 65,0 Gew.-% unexpandierte Vermiculit-Flocken, 3,0 bis 20,0 Gew.-% organisches Bindemittel, bis zu 40,0 Gew.-% anorganischen Füllstoff und 10,0 bis 50,0 Gew.-% anorganisches Fasermaterial (falls anwesend). Solche flexiblen Verbundplatten sind in einer Dicke von etwa 1,5 bis etwa 10,0 mm unter dem Handelsnamen Interam erhältlich.
Die in der zweiten Schicht der erfindungsgemäßen Verbundmatte enthaltenen anorganischen Fasern können irgend welche bekannten anorganischen Fasern sein. Wenn jedoch die Verbundmatte in Abgaskatalysatoren und Dieselrußfiltern zum flexiblen Befestigen der Keramik- oder Metallmonolithen, welche diese Vorrichtungen enthalten, verwendet werden sollen, müssen die Fasern bei den in solchen Vorrichtungen vorherrschenden hohen Betriebstemperaturen thermisch stabil sein (d. h. sie dürfen nicht abgebaut werden). Normalerweise sind die Fasern, welche in Verbundmatten enthalten sind, die für solche Befestigungszwecke eingesetzt werden sollen, bei Temperaturen von über 700°C, vorzugsweise von über 800°C, insbesondere von über 900°C, thermisch stabil.
Thermisch stabile anorganische Fasern sind beispielsweise keramische Fasern, wie Fasern aus Aluminiumoxid, Mullit, Aluminosilicat, Aluminoborsilicat, Zirconiumoxid und Titan oxid, sowie Glasfasern. Die bevorzugten thermisch stabilen anorganischen Fasern sind polykristalline anorganische Fasern, insbesondere polykristalline anorganische Oxidfasern, z. B. Fasern aus Aluminiumoxid, Mullit, Aluminosilicat, Aluminoborsilicat, Zirconiumoxid und Titanoxid. Von diesen sind Aluminiumoxidfasern, unter deren Bezeichnung wir auch Aluminiumoxidfasern mit einem geringen Prozentsatz an zugegebenem Siliciumdioxid als Phasenstabilisator verstehen, besonders bevorzugt. Die Fasern sind vorzugsweise kurze Stapelfasern mit einer Länge im Bereich von 1 bis 10 cm und einem mittleren Durchmesser im Bereich von 1 bis 10 Mikron. Besonders bevorzugte Aluminiumoxidfasern sind jene, die in Form einer lose gebundenen Matte mit niedriger Dichte von Imperial Chemical Industries PLC unter dem Handelsnamen Saffil verkauft werden und bei Temperaturen von über 1000°C thermisch stabil sind.
Die zweite Schicht kann zwei oder mehr verschiedene Arten von anorganischen Fasern enthalten, die innig miteinander vermischt oder in irgend einer Weise in vorgegebenen Mustern, z. B. in diskreten Schichten, voneinander getrennt und angeordnet sind.
Das in der zweiten Schicht enthaltene Bindemittel kann ein anorganisches Material sein, ist aber vorzugsweise ein organisches Material und insbesondere ein organisches Polymer. Geeignete organische Bindemittel sind im Einzelnen in der US 4 011 651 und der WO 94/24425 beschrieben, deren Inhalt durch Inbezugnahme in den vorliegenden Zusammenhang aufgenommen werden. Es sind beispielsweise Polymere, die von Vorläuferpolymeren oder Prepolymeren abgeleitet sind, welche als Teil des Verfahrens, das zum Herstellen der Verbundmatte angewandt wird, in situ auf den anorganischen Fasern gehärtet werden.
Ein besonders geeignetes Bindemittel ist jenes, das beim Härten einer härtbaren Polymerzusammensetzung erhalten wird. Geeignete Beispiele für härtbare Polymerzusammensetzungen sind jene, die eine Kombination aus einem Acrylpolymer und einem Vernetzungsmittel, insbesondere ein Epoxygruppen enthaltendes Vernetzungsmittel, z. B. ein Epoxidharz, enthalten. Härtbare Polymerzusammensetzungen dieser Art beinhalten normalerweise 90,0 bis 99,0 Gew.-%, vorzugsweise 95,0 bis 99,0 Gew.-% Acrylpolymer und 1,0 bis 10,0 Gew.-%, vorzugsweise 1,0 bis 5,0 Gew.-% Vernetzungsmittel. Das Acrylpolymer ist in geeigneter Weise ein Homopolymer oder Copolymer, das von mindestens einem Acrylmonomer abgeleitete Monomereinheiten enthält. Das Acrylpolymer ist zweckmäßigerweise aus C_1-8-Alkyl-(C_1-4-alkyl)-acrylaten ausgewählt. Es stellt bei einer bevorzugten Ausführungsform ein Homopolymer oder Copolymer dar, das Monomereinheiten enthält, die von mindestens einem Acrylmonomer abgeleitet sind, das aus C_1-8-Alkyl(meth)acrylaten ausgewählt ist, z. B. Methylmethacrylat, Methylacrylat, Ethylacrylat, Propylacrylat und Butylacrylat. Ein geeignetes Beispiel für ein solches Bindemittel ist ein Copolymer auf der Basis von n-Butylacrylat und Acrylnitril.
Wenn eine erfindungsgemäße Verbundmatte zum Befestigen eines Keramik- oder Metallmonolithen in einem Abgaskatalysator oder einem Dieselrußfilter benutzt werden soll, ist das in der zweiten Schicht enthaltene Bindemittel vorzugsweise ein anorganisches Bindemittel, das durch die hohen Temperaturen, welchen die Matte beim Gebrauch ausgesetzt ist, im Wesentlichen pyrolysiert oder ausgebrannt wird. Zusätzlich ist das organische Bindemittel eines, das nicht zur Bildung von toxischen Emissionen führt, wenn es pyroly siert oder ausgebrannt wird. Aus diesem Grund ist es vorzugsweise frei von Chlor und Stickstoff.
Die Beladung des Bindemittels in der zweiten Schicht liegt normalerweise im Bereich von 2 bis 15 Gew.-%, vorzugsweise im Bereich von 5 bis 15 Gew.-%.
Wenn eine erfindungsgemäße Verbundmatte zum Befestigen eines Keramik- oder Metallmonolithen eingesetzt werden soll, werden die in der zweiten Schicht enthaltenen anorganischen Fasern im Allgemeinen durch das Bindemittel in einem komprimierten Zustand gehalten, so dass sie einen Druck ausüben können, der zwischen dem Monolithen und dem umgebenen Gehäuse wirkt, wenn das Bindemittel einmal entfernt ist. Normalerweise hat die zweite Schicht eine Dichte im Bereich von 30 bis 700 kg/m³, vorzugsweise im Bereich von 100 bis 500 kg/m³ und insbesondere im Bereich von 100 bis 350 kg/m³.
Vorzugsweise ist die Verteilung des Bindemittels in der zweiten Schicht derart, dass der Gewichtsprozentsatz des Bindemittels in jedem Bereich von 1 mm³ der Schicht, bezogen auf das Gesamtgewicht der Schicht in jenem Bereich, innerhalb 40%, vorzugsweise innerhalb 30%, insbesondere innerhalb 20%, des gesamten Gewichtsprozentsatzes des Bindemittels in der Schicht, bezogen auf das Gesamtgewicht der Schicht, liegt. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Verteilung des Bindemittels in der zweiten Schicht derart, dass der Gewichtsprozentsatz des Bindemittels in jedem Bereich von 1 mm³ der Schicht, bezogen auf das Gesamtgewicht der Schicht in jenem Bereich, innerhalb 10% des gesamten Gewichtsprozentsatzes des Bindemittels in der Schicht, bezogen auf das Gesamtgewicht der Schicht, liegt.
In der erfindungsgemäßen Verbundmatte weist die zweite Schicht vorzugsweise eine Laminarscherfestigkeit von mindestens 0,1 MPa, vorzugsweise von mindestens 0,2 MPa, insbesondere von mindestens 0,3 MPa, auf. Unter der Laminarscherfestigkeit ist die Kraft zu verstehen, die aufzuwenden ist, um eine Delaminierung der Schicht zu bewirken. Die Laminarscherfestigkeit kann in bequemer Weise an einem Instron-Gerät oder einer ähnlichen Vorrichtung, die mit einem Drei-Punkt-Biege-Test arbeitet, gemessen werden. Vorzugsweise kann die zweite Schicht auch einen Druck von mindestens 10⁴ Pa (1,0 kgf/cm²), insbesondere einen Druck im Bereich von 14,7 × 10⁴ Pa bis 39,2 × 10⁴ Pa (1,5 bis 4,0 kgf/cm²) ausüben, wenn eine Probe der Schicht mit einer Dicke im Bereich von 5 bis 10 mm zwischen zwei Platten bis auf eine Dicke von 3 mm zusammengedrückt wird und das Bindemittel entfernt ist.
Die zweite Schicht wird zweckmäßigerweise durch Imprägnieren einer Fasermasse, welche die anorganischen Fasern enthält, mit einem flüssigen Bindemittelsystem, welches das Bindemittel oder einen Vorläufer hiervon und eine Trägerflüssigkeit enthält, hergestellt. Nachdem die Fasermasse mit dem flüssigen Bindemittelsystem imprägniert worden ist, im Allgemeinen gefolgt von einem Entfernen der überschüssigen Trägerflüssigkeit, wird die imprägnierte Fasermasse einer Trocknungsstufe unterworfen. Während des letzten Teils der Trocknungsstufe wird die imprägnierte Fasermatte vorzugsweise unter einem Pressdruck gehalten, und zwar solange, bis das Bindemittel die Fasern zusammenhalten kann und die Expansion der Faserschicht deutlich begrenzt ist, wenn die Kompressionskräfte gelöst werden. Im Allgemeinen wird die ganze Trocknungsstufe durchgeführt, während die imprägnierte Fasermasse unter einem Pressdruck gehalten wird. Es ist aber auch möglich, nur das Endstadium der Trocknungsstufe in dieser Weise durchzuführen und noch zufriedenstellende Ergebnisse zu erhalten. Während der Trocknungsstufe wird im Wesentlichen die ganze und vorzugsweise die gesamte restliche Trägerflüssigkeit entfernt. Ein Entfernen der überschüssigen Trägerflüssigkeit vor dem Trocknen kann durch Pressen der imprägnierten Fasermasse zwischen Walzen oder Platten erfolgen, wobei sie unter Vakuum gesetzt oder zentrifugiert wird.
Der üblicherweise während der Trocknungsstufe angewandte Druck, um die imprägnierte Fasermasse zu komprimieren, liegt im Allgemeinen im Bereich von 5 bis 500 KPa, vorzugsweise im Bereich von 5 bis 200 KPa. Im Allgemeinen ist der angewandte Druck derart, dass eine gebundene Faserschicht mit einer Dichte im Bereich von 30 bis 700 kg/m³, vorzugsweise im Bereich von 100 bis 500 kg/m³, insbesondere im Bereich von 100 bis 350 kg/m³, gebildet wird. Wenn die Fasermasse, die imprägniert wird, ein Multifaserprodukt mit einer Dicke im Bereich von 10 bis 60 mm, z. B. im Bereich von 30 bis 50 mm, ist und eine Flächendichte im Bereich von 0,2 bis 2,0 kg/m², z. B. im Bereich von 1,0 bis 2,0 kg/m², aufweist, wird die erhaltene imprägnierte Fasermasse während der Trocknungsstufe im Allgemeinen bis zu einer Dicke von 2 bis 5 mm komprimiert. Dieser Druck wird in einfacher Weise in einem diskontinuierlichen Verfahren ausgeübt, und zwar durch sandwichartiges Anordnen der imprägnierten Fasermasse oder eines Laminats der imprägnierten Fasermasse und einer vorgeformten Intumeszenzplatte zwischen Platten und anschließendes Zusammendrücken der Platten, z. B. mittels Klammern, federbelasteten Spannbügeln oder hydraulischen Pressen. Alternativ kann es bei einem kontinuierlichen Verfahren bequem sein, die nötigen Kompressionskräfte auf die imprägnierte Fasermasse unter Benutzung einer Anordnung aus Walzen oder Bändern zu erzeugen.
Die imprägnierte Fasermasse kann eine Mehrzahl von diskreten Fasern enthalten oder die Form eines Multifaserprodukts aufweisen, in dem die einzelnen Fasern zu einer Matte mit geringer Dichte angeordnet sind, die durch Faserverschlingung lose zusammengehalten wird oder vielleicht durch andere Maßnahmen, wie Weben, Wirken, Heften, Nadeln oder Vakuumpacken, stärker verdichtet ist. Vorzugsweise ist die imprägnierte Fasermasse ein Multifaserprodukt, insbesondere ein solches Produkt, das eine Dicke im Bereich von 10 bis 60 mm, insbesondere im Bereich von 30 bis 50 mm, und eine Flächendichte im Bereich von 0,2 bis 2,0 kg/m², insbesondere im Bereich von 1,0 bis 2,0 kg/m², aufweist.
Das flüssige Bindemittelsystem kann ein anorganisches Bindemittelmaterial enthalten, weist aber vorzugsweise ein organisches Bindemittel oder einen Vorläufer hiervon und eine organische oder wässrige Trägerflüssigkeit auf, die das organische Bindemittel oder den Vorläufer auflösen oder dispergieren kann. Geeignete Bindemittelsysteme sind in der US 4 011 651 und der WO 94/24425 beschrieben und beinhalten beispielsweise Dispersionen oder Lösungen von Polymeren oder härtbaren Vorläuferpolymeren (Prepolymeren), die auf der imprägnierten Fasermasse als Teil der Trocknungsstufe oder in einer nachfolgenden Verfahrensstufe in situ gehärtet werden können. Das organische Bindemittel oder sein Vorläufer können ein wiedergewinnbares Material sein, das ein Wiedergewinnen von Fasern aus einem Abfallprodukt erlaubt, welches bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Verbundmatte anfällt.
Ein besonders geeignetes Bindemittelsystem ist ein System, das eine Dispersion, vorzugsweise eine wässrige Dispersion, einer härtbaren Polymerzusammensetzung enthält, die manchmal als Harz oder Latex bezeichnet wird. Geeignete Beispiele für härtbare Polymerzusammensetzungen sind jene, die eine Kombination aus einem Acrylpolymer und einem Vernetzungsmittel, insbesondere einem eine Epoxygruppe enthaltenden Vernetzungsmittel, z. B. einem Epoxidharz, enthalten. Härtbare Polymerzusammensetzungen dieser Art weisen normalerweise 90,0 bis 99,0 Gew.-%, vorzugsweise 95,0 bis 99,0 Gew.-%, Acrylpolymer und 1,0 bis 10,0 Gew.-%, vorzugsweise 1,0 bis 5,0 Gew.-%, Vernetzungsmittel auf. Das Acrylpolymer ist zweckmäßigerweise ein Homopolymer oder Copolymer, das Monomereinheiten enthält, die von mindestens einem Acrylmonomer abgeleitet sind, das aus C_1-8-Alkyl- (C_1-4-alkyl)-acrylaten ausgewählt ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Acrylpolymer ein Homopolymer oder ein Copolymer mit einem Gehalt an Monomereinheiten, die von mindestens einem Acrylmonomer abgeleitet sind, das aus C_1-8-Alkyl(meth)acrylaten ausgewählt ist, beispielsweise Methylmethacrylat, Methylacrylat, Ethylacrylat, Propylacrylat und Butylacrylat. Ein bevorzugtes Bindemittelsystem ist ein System, das eine wässrige Dispersion eines härtbaren Copolymers auf der Basis von n-Butylacrylat und Acrylnitril enthält.
Wenn das flüssige Bindemittelsystem ein System ist, das eine härtbare Polymerzusammensetzung enthält, kann es auch einen Katalysator zum Beschleunigen des Härtungsvorgangs aufweisen.
Aus dem Vorstehenden wird deutlich, dass wir unter dem Ausdruck "flüssiges Bindemittelsystem" auch Bindemittelsysteme verstehen, die Dispersionen oder Suspensionen von fein verteilten Feststoffen in flüssigen Trägerstoffen enthalten.
Das flüssige Bindemittelsystem enthält normalerweise 0,5 bis 50,0 Gew.-% Bindemittel oder Vorläufer und 50,0 bis 99,5 Gew.-% Trägerflüssigkeit. Vorzugsweise weist das flüssige Bindemittelsystem 0,5 bis 10,0 Gew.-%, insbesondere 1,0 bis 5,0 Gew.-%, Bindemittel oder Vorläufer sowie 90,0 bis 99,5 Gew.-%, insbesondere 95,0 bis 99,0 Gew.-%, Trägerflüssigkeit auf.
Die Trocknungsstufe beinhaltet normalerweise die Anwendung von Wärme. Es kann ein üblicher Ofen zur Durchführung des Erhitzens benutzt werden. Jedoch wird bei einer Methode, die zum Herstellen einer erfindungsgemäßen laminierten Verbundmatte benutzt wird, ein dielektrisches Erhitzen, z. B. ein Erhitzen mittels Mikrowellen oder einer Hochfrequenz, angewandt, vorzugsweise in Kombination mit einer üblichen Erwärmungsmaßnahme, z. B. durch Anwenden eines Heißluftstroms, da dies zu einer deutlich gleichmäßigeren Verteilung des Bindemittels in der zweiten Faserschicht führen kann. Normalerweise beinhaltet die Trocknungsstufe ein Erhitzen der imprägnierten Fasermasse auf eine Temperatur im Bereich von 80 bis 200°C, vorzugsweise im Bereich von 100 bis 170°C. Temperaturen im Bereich von 140 bis 160°C sind besonders bevorzugt.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer laminierten Verbundmatte bereitgestellt, die eine erste und eine zweite Schicht enthält, wobei die erste Schicht eine Intumeszenzmasse und die zweite Schicht eine Mehrzahl von anorganischen Fasern sowie ein Bindemittel aufweist, das die anorganischen Fasern aneinander bindet. Das Verfahren umfasst das Ausbilden der zweiten Schicht durch einen Vorgang, bei dem eine die anorganischen Fasern enthaltende Fasermasse mit einem flüssigen Bindemittelsystem imprägniert wird, in dem das Bindemittel oder ein Vorläufer hiervon und eine Trägerflüssigkeit enthalten sind, sowie das Behandeln der erhaltenen imprägnierten Fasermasse in einer Trocknungsstufe unter Anwendung eines dielektrischen Erhitzens, so dass mindestens im Wesentlichen die Trägerflüssigkeit entfernt wird.
Bei einer anderen Methode, die zum Herstellen einer erfindungsgemäßen laminierten Verbundmatte angewandt wird, werden mindestens die Endstufen des Verfahrens zum Entfernen der Trägerflüssigkeit durchgeführt, während die imprägnierte Fasermasse an einer Seite einer vorgeformten Platte aus einem Intumeszenzmaterial angeordnet ist, so dass ermöglicht wird, dass das Bindemittel die Funktion des Verbindens der ersten mit der zweiten Schicht erfüllt.
Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer laminierten Verbundmatte mit einer ersten und einer zweiten Schicht zur Verfügung gestellt, wobei die erste Schicht eine Intumeszenzmasse und die zweite Schicht eine Mehrzahl von anorganischen Fasern sowie ein Bindemittel enthält, welches dazu dient, die anorganischen Fasern aneinander und die zweite Schicht an die erste Schicht zu binden, wobei das Verfahren das Imprägnieren einer die anorganischen Fasern enthaltenden Fasermasse mit einem flüssigen Bindemittelsystem, welches das Bindemittel oder einen Vorläufer hiervon und eine Trägerflüssigkeit enthält, sowie das Trocknen der erhaltenen imprägnierten Fasermasse in einer Trocknungsstufe umfasst, während die Fasermasse als Schicht an einer Seite einer vorgeformten Platte angeordnet ist, die das Intumeszenzmaterial ent hält, so dass mindestens im Wesentlichen die Trägerflüssigkeit entfernt wird.
Bei dem Verfahren gemäß diesem vierten Aspekt beinhaltet die Trocknungsstufe normalerweise das Anwenden von Wärme. Zum Erwärmen kann ein üblicher Ofen benutzt werden. Jedoch wird bei einer bevorzugten Ausführungsform ein dielektrisches Erhitzen, z. B. ein Erhitzen durch Mikrowellen oder Hochfrequenz, vorzugsweise in Kombination mit einer üblichen Erwärmungsmaßnahme, wie dem Einsatz eines Heißluftstroms, angewandt. Die in der Trocknungsstufe üblichen und bevorzugten Temperaturen sind so wie oben angegeben.
Bei dem Verfahren gemäß diesem vierten Aspekt kann eine Schicht aus anorganischen Fasern auf einer Seite der vorgeformten Intumeszenzplatte angeordnet und während dieser Anordnung auf jener Platte mit dem flüssigen Bindemittelsystem imprägniert werden. Das Entfernen der Trägerflüssigkeit aus der imprägnierten Faserschicht und das Härten des Vorläuferbindemittels, falls ein solches Material eingesetzt wird, ergibt eine erfindungsgemäße laminierte Verbundmatte, bei der die Schicht der anorganischen Fasern in sich gebunden und durch das zurückgelassene Bindemittel auch mit der vorgeformten Intumeszenzplatte verbunden ist. Alternativ kann die Fasermasse zuerst mit dem flüssigen Bindemittelsystem imprägniert und dann an einer Seite der vorgeformten Intumeszenzplatte unter Bildung einer Schicht angeordnet werden. Wie vorher ergibt das Entfernen der Trägerflüssigkeit aus der imprägnierten Fasermasse und das Härten des Vorläuferbindemittels, falls es eingesetzt wird, eine erfindungsgemäße laminierte Verbundmatte. Jedoch kann mit der letztgenannten Technik ein Anteil der Trägerflüssigkeit aus der imprägnierten Fasermasse entfernt werden, bevor diese auf der vorgeformten Intumeszenzplatte angeordnet wird.
Es kann auch vorteilhaft sein, die vorgeformte Intumeszenzplatte mit dem Bindemittelsystem zu beschichten, bevor darauf die Fasermasse oder die imprägnierte Fasermasse angeordnet wird, z. B. durch Besprühen der Schicht mit dem flüssigen Bindemittelsystem oder durch Eintauchen der Schicht in ein Bad des flüssigen Bindemittelsystems.
Bei diesem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ein Entfernen der überschüssigen Trägerflüssigkeit vor dem Trocknen entweder vor dem Anordnen der imprägnierten Fasermasse auf der vorgeformten Intumeszenzplatte oder dann, wenn sich die Fasermasse in dieser Anordnung befindet, durchgeführt werden. Es kann auch wünschenswert sein, die imprägnierte Fasermasse einer Vortrocknungsstufe zu unterwerfen, bei der ein wesentlicher Anteil der Trägerflüssigkeit durch Anwendung von Wärme entfernt wird, bevor die Fasermasse auf die vorgeformte Intumeszenzplatte aufgebracht wird. Die Trocknungsstufe selbst wird durchgeführt, während die imprägnierte Fasermasse sich auf der vorgeformten Intumeszenzplatte befindet.
Zum Imprägnieren der Masse der anorganischen Fasern können verschiedene Techniken angewandt werden. Beispielsweise können die einzelnen Fasern in dem flüssigen Bindemittelsystem gründlich dispergiert und die erhaltene Dispersion zu einer Schicht, beispielsweise unter Anwendung eines Papierherstellungsverfahrens, gegossen werden. Bei dem Verfahren gemäß dem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Dispersion als eine Schicht auf einer vorgeformten Intumeszenzplatte gegossen werden. Alternativ können einzelne Fasern als eine Schicht abgelagert werden, z. B. auf einer vorgeformten Intumeszenzplatte, und die erhaltene Fa serschicht kann mit dem flüssigen Bindemittelsystem imprägniert werden.
Wenn die Masse aus anorganischen Fasern die Form eines Multifaserprodukts aufweist, in dem die einzelnen Fasern in Form einer Matte mit niedriger Dichte angeordnet sind, kann die Matte einfach in das flüssige Bindemittelsystem eingetaucht oder damit getränkt werden. Alternativ kann die Fasermatte mit niedriger Dichte mit dem Bindemittelsystem besprüht werden. Bei dem Verfahren gemäß dem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das Behandeln der Matte mit dem flüssigen Bindemittelsystem entweder vor dem Anordnen der Matte auf der vorgeformten Intumeszenzplatte oder nach diesem Anordnen durchgeführt werden.
Wenn das flüssige Bindemittelsystem eine Dispersion aus einem härtbaren Vorläuferpolymer enthält, ist es bevorzugt, dass der Trocknungsstufe eine weitere Stufe folgt, in der das Vorläuferpolymer gehärtet wird. Dieser Härtungsvorgang beinhaltet vorzugsweise, dass das Vorläuferpolymer eine gewisse Vernetzungsreaktion eingeht. Jedoch sind die in der Trocknungsstufe angewandten Temperaturen normalerweise ausreichend, um sowohl die imprägnierte Fasermasse zu trocknen als auch das Vorläuferpolymer zu härten, so dass eine gesonderte Härtungsstufe im Allgemeinen unnötig ist. Wenn eine getrennte Härtungsstufe angewandt wird, ist es jedoch wünschenswert, die imprägnierte Fasermasse während der Dauer der Härtungsstufe unter einem Pressdruck zu halten.
Die Dicke der erfindungsgemäßen Verbundmatte hängt vom beabsichtigten Endzweck der Matte ab. Wenn jedoch die Verbundmatte zum Befestigen eines Keramik- oder Metallmonolithen in einem Abgaskatalysator oder einem Dieselrußfilter benutzt werden soll, hat sie normalerweise eine Dicke im Bereich von 3 bis 15 mm, vorzugsweise im Bereich von 5 bis 12 mm, insbesondere im Bereich von 5 bis 9 mm.
Die Dicken der ersten und der zweiten Schicht relativ zueinander können für verschiedene Anwendungen unterschiedlich sein und lassen sich einstellen, so dass die Verbundmatte bei einer gegebenen Anwendung in Übereinstimmung mit annehmbaren Kosten den besten Nutzen bringt. Jedoch nimmt die erste Schicht, welche das Intumeszenzmaterial enthält, normalerweise 10 bis 50% der gesamten Dicke der Verbundmatte ein.
Die erfindungsgemäße laminierte Verbundmatte kann auch als Träger der Keramik-Monolithen verwendet werden, wie man sie in Heißgasfiltereinheiten und Kohlevergasungsanlagen vorfindet. Die laminierte Verbundmatte der Erfindung kann auch beim Einsatz von Dichtungen nutzbringend eingesetzt werden.
Die vorliegende Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf das nachfolgende Beispiel erläutert, jedoch dadurch nicht eingeschränkt.
Beispiel 1
Eine Probe von Saffil (Marke), einer Aluminiumoxidmatte mit niedriger Dichte, die eine Fläche von etwa 520 mm mal 210 mm und eine Dicke von 25 bis 55 mm aufwies, wurde in einen Latex (Acronal (Marke) 35D, eine 50%ige wässrige Dispersion eines härtbaren Copolymers auf der Basis von n-Butylacrylat und Acrylnitril, erhältlich von BASF) getaucht, der bis auf einen Feststoffgehalt von etwa 3 (Gewicht/Gewicht) verdünnt worden ist. Die mit Saffil imprägnierte Matte wog etwa 131,0 g und hatte ein spezifisches Gewicht pro Oberfläche von etwa 1,2 kg/m².
Die mit Saffil imprägnierte Matte wurde dann auf die Oberseite eines ähnlich großen Stücks einer Befestigungsmatte aus Interam (Marke) 100 (einem Intumeszenzplattenmaterial, erhältlich von 3M, Flächendichte etwa 1,05 kg/m²) aufgelegt. Die Matte war vorher in die gleiche Lösung eingetaucht worden, wie die Saffil-Matte. Das erhaltene Laminat wurde sandwichartig zwischen zwei Platten aus einem mit PTFE-beschichteten Glasfasernetz angeordnet, das eine Trennoberfläche bildete. Diese Sandwichanordnung wurde dann zwischen zwei Platten aus einer mit Glasfasern gefüllten Siliconharztafel platziert. Die gesamte Anordnung wurde dann unter Benutzung von Klemmen gepresst, bis die mit Saffil imprägnierte Schicht auf eine Dicke von etwa 5 mm (entsprechend einem angewandten Druck von etwa 0,5 bar (50 kPa)) reduziert war, sowie mit Spannklemmen in dieser Position gehalten. Während dieser Anordnung wurde überschüssiger Latex aus den Proben abgeleitet.
Die vollständige Formenanordnung wurde dann auf das Band eines durch Luft und Hochfrequenz (HF) unterstützten Ofen gebracht, und die Bandgeschwindigkeit wurde derart eingestellt, dass sich eine Verweilzeit von etwa 20 Minuten ergab. Die HF-Energie des Ofens wurde auf etwa 5,5 kW und die Lufttemperatur in dem Ofen auf etwa 155°C eingestellt. Die Probe wurde aus dem Ofen entfernt, nachdem der Latex vollständig getrocknet und gehärtet (vernetzt) war. Die Spannklemmen und die Tafeln wurden dann vorsichtig von den Proben entfernt sowie das PTFE-Netz abgezogen, um die endgültige Verbundmatte zu erhalten, die eine Dichte von etwa 8 bis 9 mm hatte.

Claims

Laminierte Verbundmatte mit einer ersten und einer zweiten Schicht, wobei die erste Schicht eine Intumeszenzmasse und die zweite Schicht eine Mehrzahl von anorganischen Fasern sowie ein Bindemittel enthält, das dazu dient, die Fasern aneinander sowie die zweite Schicht an die erste Schicht zu binden.
Laminierte Verbundmatte nach Anspruch 1, worin das Bindemittel im wesentlichen durch die zweite Schicht hindurch gleichmäßig verteilt ist, wodurch die zweite Schicht eine Laminarscherfestigkeit von mindestens 0,1 MPa aufweist.
Laminierte Verbundmatte nach Anspruch 1 oder 2, worin die Verteilung des Bindemittels in der zweiten Schicht derart ausgebildet ist, dass der Gewichtsprozentsatz des Bindemittels in jedem Bereich von 1 mm² der Schicht, bezogen auf das Gesamtgewicht der Schicht in jenem Bereich, innerhalb von 40% des gesamten Gewichtsprozentsatzes des Bindemittels in der Schicht, bezogen auf das Gesamtgewicht der Schicht, liegt.
Laminierte Verbundmatte nach Anspruch 3, worin die Verteilung des Bindemittels in der zweiten Schicht derart ausgebildet ist, dass der Gewichtsprozentsatz des Bindemittels in jedem Bereich von 1 mm² der Schicht, bezogen auf das Gesamtgewicht der Schicht in jenem Bereich, innerhalb von 10% des gesamten Ge wichtsprozentsatzes des Bindemittels in der Schicht, bezogen auf das Gesamtgewicht der Schicht, liegt.
Laminierte Verbundmatte nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin die zweite Schicht eine Laminarscherfestigkeit von mindestens 0,2 MPa aufweist.
Laminierte Verbundmatte nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin die zweite Schicht einen Druck von mindestens 9,8 × 10⁴ Pa (1,0 kgf/cm²) ausüben kann, wenn eine Probe der Schicht mit einer Dicke im Bereich von 5 bis 10 mm zwischen zwei Platten bis zu einer Dicke von 3 mm komprimiert und das Bindemittel entfernt wird.
Laminierte Verbundmatte nach Anspruch 6, worin die zweite Schicht einen Druck im Bereich von 14,7 × 104 bis 39,2 × 10⁴ Pa (1,5 bis 4,0 kgf/cm²) ausüben kann, wenn eine Probe der Schicht mit einer Dicke im Bereich von 5 bis 10 mm zwischen zwei Platten bis zu einer Dicke von 3 mm komprimiert und das Bindemittel entfernt wird.
Laminierte Verbundmatte nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin die erste Schicht eine Verbundplatte ist, die eine Kombination aus unexpandierten Vermiculit-Flocken, einem organischen Bindemittel, einem anorganischen Füllstoff und gegebenenfalls einem faserigen anorganischen Material enthält.
Laminierte Verbundmatte nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin die in der zweiten Schicht enthaltenen anorganischen Fasern bei Temperaturen über 700°C thermisch stabil sind.
Laminierte Verbundmatte nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin die in der zweiten Schicht enthaltenen anorganischen Fasern Keramikfasern sind.
Laminierte Verbundmatte nach Anspruch 9 oder 10, worin die in der zweiten Schicht enthaltenen anorganischen Fasern polykristalline anorganische Oxidfasern sind, die aus Aluminiumoxidfasern, Mullitfasern, Aluminosilicatfasern, Aluminoborsilicatfasern, Zirconiumoxidfasern und Titandioxidfasern ausgewählt sind.
Laminierte Verbundmatte nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin die in der zweiten Schicht enthaltenen anorganischen Fasern kurze Stapelfasern mit einer Länge im Bereich von 1 bis 10 cm und einem mittleren Durchmesser im Bereich von 1 bis 10 Micron sind.
Laminierte Verbundmatte nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin das in der zweiten Schicht enthaltene Bindemittel ein organisches Material ist.
Laminierte Verbundmatte nach Anspruch 13, worin das Bindemittel ein organisches Polymer ist.
Laminierte Verbundmatte nach Anspruch 14, worin das Bindemittel ein Polymer ist, das sich durch das Härten einer härtbaren Vorläuferpolymerzusammensetzung ergibt.
Laminierte Verbundmatte nach Anspruch 15, worin das Bindemittel ein Polymer ist, das sich durch Härten einer härtbaren Vorläuferpolymerzusammensetzung er gibt, die ein Acrylpolymer und eine Epoxidgruppe enthaltendes Vernetzungsmittel beinhaltet.
Laminierte Verbundmatte nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin die zweite Schicht 2 bis 15 Gew.-% Bindemittel, bezogen auf das Gesamtgewicht jener Schicht, enthält.
Laminierte Verbundmatte nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin die zweite Schicht ein spezifisches Gewicht pro Oberfläche im Bereich von 30 bis 700 kg/m³ aufweist.
Laminierte Verbundmatte nach Anspruch 18, worin die zweite Schicht eine Dichte im Bereich von 100 bis 500 kg/m³ aufweist.
Verfahren zum Herstellen einer laminierten Verbundmatte mit einer ersten und einer zweiten Schicht, wobei die erste Schicht eine Intumeszenzmasse und die zweite Schicht eine Mehrzahl von anorganischen Fasern sowie ein Bindemittel enthält, das dazu dient, die anorganischen Fasern aneinander und die zweite Schicht an die erste Schicht zu binden, wobei das Verfahren das Ausbilden der zweiten Schicht durch ein Verfahren beinhaltet, bei dem eine die anorganischen Fasern enthaltende Fasermasse mit einem flüssigen Bindemittelsystem imprägniert wird, in dem das Bindemittel oder ein Vorläufer hiervon und eine Trägerflüssigkeit enthalten sind, und das Behandeln der erhaltenen imprägnierten Fasermasse in einer Trocknungsstufe unter Anwendung eines dielektrischen Erhitzens, so dass mindestens im wesentlichen die Trägerflüssigkeit entfernt wird, beinhaltet.
Verfahren zum Herstellen einer laminierten Verbundmatte mit einer ersten und einer zweiten Schicht, wobei die erste Schicht eine Intumeszenzmasse und die zweite Schicht eine Mehrzahl von anorganischen Fasern sowie ein Bindemittel enthält, welches dazu dient, die anorganischen Fasern aneinander und die zweite Schicht an die erste Schicht zu binden, wobei das Verfahren das Imprägnieren einer die anorganischen Fasern enthaltenden Fasermasse mit einem flüssigen Bindemittelsystem, welches das Bindemittel oder einen Vorläufer hiervon und eine Trägerflüssigkeit enthält, und das Absetzen der erhaltenen imprägnierten Fasermasse als Schicht auf einer Seite einer vorgeformten Platte, welche die Intumeszenzmasse enthält, sowie das Behandeln der Masse in einer Trocknungsstufe, so dass mindestens im wesentlichen die Trägerflüssigkeit entfernt wird, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 21, worin in der Trocknungsstufe ein dielektrisches Erhitzen angewandt wird.
Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, worin in der Trocknungsstufe eine Kombination aus einem dielektrischen Erhitzen und einem Heißluftstrom angewandt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21, 22 oder 23, worin in der Trocknungsstufe eine Mikrowellen- oder Hochfrequenzerwärmung angewandt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 24, worin die imprägnierte Fasermasse während mindestens eines Teils der Trocknungsstufe unter einer Kompression gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 25, worin die ganze Trocknungsstufe durchgeführt wird, während die imprägnierte Fasermasse unter einer Kompression gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, worin der Druck, der während der Trocknungsstufe ausgeübt wird, um die imprägnierte Fasermasse zu komprimieren, im Bereich von 5 bis 500 kPa liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 27, worin die Fasermasse, die imprägniert ist, ein Multifaserprodukt ist, in dem die einzelnen Fasern zu einer Matte mit niedriger Dichte angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 28, worin das Multifaserprodukt eine Dicke im Bereich von 10 bis 60 mm und ein spezifisches Gewicht pro Oberfläche von 0,2 bis 2,0 kg/m² aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 29, worin das Bindemittel im wesentlichen gleichmäßig durch die Fasermasse hindurch verteilt ist, wodurch nach der Trocknungsstufe der zweiten Schicht eine Laminarscherfestigkeit von mindestens 0,1 mPa verliehen wird.