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Dokumentenidentifikation DE3850529T2 23.02.1995
EP-Veröffentlichungsnummer 0296233
Titel PANEEL NIEDRIGER DICHTE AUS GESCHÄUMTER MINERALWOLLE UND VERFAHREN.
Anmelder USG Interiors, Inc., Chicago, Ill., US
Erfinder IZARD, David, Graham, Wauconda, IL 60084, US
Vertreter Westphal, K., Dipl.-Ing.; Mußgnug, B., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat.; Neunert, P., Dipl.-Ing. Dr.-Ing., 78048 Villingen-Schwenningen; Buchner, O., Dr.rer.nat., 81245 München; Göhring, R., Dipl.-Ing.Univ., Pat.-Anwälte, 78048 Villingen-Schwenningen
DE-Aktenzeichen 3850529
Vertragsstaaten AT, BE, CH, DE, FR, GB, IT, LI, LU, NL, SE
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 12.01.1988
EP-Aktenzeichen 889011425
WO-Anmeldetag 12.01.1988
PCT-Aktenzeichen US8800170
WO-Veröffentlichungsnummer 8805098
WO-Veröffentlichungsdatum 14.07.1988
EP-Offenlegungsdatum 28.12.1988
EP date of grant 06.07.1994
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.02.1995
IPC-Hauptklasse D21H 13/40
IPC-Nebenklasse D21H 27/12   D21J 1/20   

Beschreibung[de]

Diese Erfindung befaßt sich mit Produkten aus Mineralfasern, insbesondere mit einem Verfahren zur Herstellung von starken Mineralfaser-Bauplatten mit einer niedrigen Dichte von circa 3-10 Pfund pro Kubikfuß (50-160 kg/m³), die als akustische Deckenplatten, Wärmeisolationsplatten, Schallisolationsplatten, zur Ummantelung von Rohren und Balken und für weitere ähnliche Zwecke eingesetzt werden können.

Die Filzherstellung im Wasser aus verdünnten wäßrigen Dispersionen von Mineralfasern und Aggregaten mit niedriger Dichte ist bekannt. Bei solchen Verfahren fließt eine verdünnte Dispersion aus Mineralfasern, Leichtzuschlag mit niedriger Dichte, Bindemitteln und anderen Zusatzstoffen zur Entwässerung auf einen sich fortbewegenden, mit Löchern durchsetzten Stützdraht, wie dies bei den Maschinen von Oliver oder Fourdrinier zur Formung von Platten der Fall ist. Dabei werden Durchlaufgeschwindigkeiten von rund 10-50 Fuß pro Minute (0.05-0.3 m/s) erzielt. Bei der Entwässerung der Dispersion bildet sich, vorerst durch die Einwirkung der Schwerkraft und anschließend durch Anlegen eines Vakuum-Druckgefalles, eine Platte. Die nasse Platte wird während mehrerer Stunden in beheizten Konvektionsöfen getrocknet. Anschließend wird das Produkt geschnitten und erhält gegebenenfalls eine Oberflächenbeschichtung, wie zum Beispiel Farbe, um daraus leichte Bauelemente, wie zum Beispiel akustische Deckenplatten herzustellen. Mit solchen Methoden können allerdings keine Bauplatten mit einer Dichte von weniger als etwa 12 Pfund pro Kubikfuß (190 kg/m³) hergestellt werden. Ein "Strukturelement" muß definitionsgemäß in der Lage sein, sein eigenes Gewicht zu tragen, auch wenn es - wie zum Beispiel bei einer Decke aus aufgehängten Elementen - nur an den Rändern befestigt ist, ohne dabei sichtlich durchzuhängen, sich durchzubiegen oder zu kollabieren.

Die Herstellung von stabilen Schäumen aus Mineralfaser ist ebenfalls bekannt. US-A 4,447,560 beschreibt die Herstellung einer Isolierplatte mit niedriger Dichte, indem zuerst eine Aufschlämmung aus faserverstärktem festem Latex Synthesegummi hergestellt wird. Anschließend stellt man eine Waschmittel-Aufschlämmung her und mischt die beiden Aufschlämmungen so, daß der Feststoffgehalt bei rund 15% liegt, schüttelt bis ein stabiler Schaum entstanden ist und trocknet die Masse im Ofen. Die äußerst zeitaufwendige und energieintensive Trocknung des stabilen Schaums mit einem Feststoffgehalt von 15% ist ein schwerwiegender wirtschaftlicher Nachteil dieses Verfahrens.

Im US-A-Patent 3,228,825 wurde vorgeschlagen, daß aus abgestumpften Glasfasern eine extrem leichte Rohrummantelung mit einer Dichte zwischen 1 und 3 Kubikfuß (20-25 kg/m³) hergestellt werden könnte. Entsprechend diesem Patent werden mikroskopische Bläschen generiert. Damit eine gleichmäßige Durchmischung des Leichtzuschlags und der abgestumpften Glasfasern mit den Bläschen erreicht wird, benötigt man zusätzlich noch ein extrem feinkörniges, aus stark verfeinerten Zellulosefaserchen bestehendes "Haftmittel" für die Glasfasern. Es ist anzunehmen, daß das vorgeschlagene Produkt offensichtlich extrem flexibel ist und sich somit zur den Einsatz in Bauplatten nicht eignet. Außerdem scheint es nie kommerziell verwertet worden zu sein und hat anscheinend auch keine praktische Bedeutung erlangt.

Außerdem ist bekannt, daß hauptsächlich aus veredelten Zellulosefasern und -fäserchen bestehendes Papiergewebe zu Schaum verarbeitet werden kann. Bei der primären Herstellung von Zellulosefasern als Rohstoff für die Papierindustrie entstehen hochgradig frakturierte Faserfragmente und Zellulosefaserchen, die eine zerklüftete und unscharfe mikroskopische Oberflächenstruktur aufweisen.

Zweck und Vorteil der vorliegenden Erfindung ist ein Herstellungsverfahren von Mineralfaser-Bauplatten niedriger Dichte, bei welchem keine extrem hohen Wassermengen in langen Trocknungszeiten aus der nassen Platte entfernt werden müssen.

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Mineralfaser-Bauplatte niedriger Dichte auf einem sich bewegenden mit Löchern durchsetzten Stützdraht, das folgendes umfaßt:

A. Bildung einer schäumbaren, verdünnten wäßrigen Mineralfaseraufschlämmung, die Mineraffasern, anorganischen Leichtzuschlag und einen Schaumbildner umfaßt;

B. Mischen des Eintrags mit Luft zur Bildung eines nicht stabilen Schaums aus fragilen, nicht elastischen, ungleichförmigen Blasen;

C. Ablagerung der Blasenmasse auf ein Mull-Abdeckgelege über dem mit Löchern durchsetzten Draht zum Entwässern;

D. Anschließend Kollabieren der Blasen zu einer nassen, offenen porösen Strukturmasse verknäulter Fasern mit Wasser in den Zwischenräumen der verknäulten Fasermasse; und

E. Abstreifen von Wasser aus der nassen Masse und Trocknen der nassen Masse ohne wesentliches Kollabieren der offenen verknäulten Struktur durch Applikation eines Vakuum-Druckgefälles und gleichzeitiges Durchleiten von trockener Heißluft durch die offene verknäulte Struktur.

Die Erfindung erlaubt die Herstellung von Mineralfaser-Bauplatten mit niedriger Dichte, die eine ausgezeichnete Stabilität und Integrität bei Dichten von weniger als circa 10 Pfund pro Kubikfuß (160 kg/m³) aufweisen.

Außerdem erlaubt die Erfindung die Herstellung von Mineralfaser-Bauplatten in einem Verfahren, in welchem die Entwässerung der nassen Platte auf einfache Weise durchgeführt werden kann, so daß sich die Platte innerhalb von wenigen Minuten entwässern und trocknen läßt.

Eine Methode, welche auf der Erfindung beruht, stützt sich auf die speziellen rheologischen Eigenschaften von feinem, wäßrigem Schaum oder von instabilen oder schwachen Blasen, sowie auf der Trocknung von nassen, porösen und offenen Strukturen in einem Hochgeschwindigkeits-Luftstrom. Im Prinzip hat der Antragsteller gemäß der vorliegenden Erfindung jetzt ein Verfahren zur raschen Herstellung von geformten strukturellen Bauplatten, wie zum Beispiel von akustischen Deckenelementen und ähnlichen Bauplatten, erfunden, die sich durch eine Kombination von sehr tiefer Dichte und guter Stabilität auszeichnen. Es wird ein modifiziertes Naßverfahren verwendet, mit welchem sich eine verdünnte wäßrige Aufschlämmung zwischen einem Mull-Abdeckgelege und einem mit Löchern durchsetzten Stützdraht zu feinem Schaum verarbeitet läßt. Man läßt den Schaum ruhen, damit er sich entwässert und reifen kann. Anschließend wird er durch kurze Stöße von hohem Vakuum rasch aufgebrochen, damit eine ausreichend stabile Porenstruktur gebildet wird, aus der das verbleibende Wasser entfernt werden kann, und die durch Überleiten von großen Mengen heißer Luft durch die Strukturmasse ohne wesentliches Kollabieren der offenen porösen Struktur getrocknet werden kann.

Abbildung 1 ist eine schematische Darstellung einer Produktionslinie für geschäumte Mineralfaser-Bauplatten entsprechend der vorliegenden Erfindung.

Abbildung 2 zeigt den einen Teil der Produktionslinie im Querschnitt von oben, insbesondere die Formgebungsbox für den aus der Schaumdüse austretenden Schaum.

Abbildung 3 ist eine Seitenansicht des selben Abschnitts der Prozeßlinie, wobei die Formgebungsbox entfernt wurde, damit die inneren Wände sichtbar werden.

Im Prinzip sieht man auf Abbildung 1 wie im Hauptmischtank 10 in der Aufschlämmung von Mineralfasern eine schwache oder feine, unelastische und nicht viskose, und deshalb instabile Masse von verschieden großen Blasen entsteht. Dies steht im Gegensatz zur Bildung von stabilem Schaum, wo die Blasen sehr klein oder gar mikroskopisch und im allgemeinen sehr gleichmäßig sind, und wo sich jede Blase bei Belastung wie eine stabile, starre Kugel verhält. Bei einem stabilen Schaum sind die elastischen, stabilen Kugeln sehr langlebig oder verformungssteif und der Flüssigkeitsfilm, der die Blase umgibt, zeigt eine hohe Viskosität und ein ausgeprägtes Wasserrückhaltevermögen, sogar bei Einwirkung von starken Spannungskräften. Im Gegensatz dazu entstehen mit dem in dieser Erfindung beschriebenen Verfahren durch Zusatz eines Schaumbildners, wie zum Beispiel von Polyvinylalkohol, Schäume mit eher instabilen, kurzlebigen Blasen. Der gebildete Schaum enthält als Feststoffe im flüssigen Teil der Blasenwand zum großen Teil aktives Bindemittel und Schaumbildner. Die Flüssigkeit, die in den Wänden der Schaumblasen enthalten ist und die eingebetteten Fasern und den Leichtzuschlag umgibt, weist einen Feststoffgehalt auf, der sich laufend erhöht, in dem Masse, wie sich die ursprüngliche Dispersion entwässert, reift und vollständig austrocknet. Genauer gesagt, werden die Blasen rasch entwässert, wodurch sich die Feststoffe in der Flüssigkeit in der Blasenwand und an der Flüssigkeit-Festkörper-Grenzfläche mit den Fasern, dem Leichtzuschlag und dem Oberflächenbelag konzentrieren, während die Blasen in den ersten überschwemmten Abschnitten 42 des mit Löchern durchsetzten Stützdrahtes 40 in Ruhe altern und reifen. Bei der Entwässerung des Schaums steigt der Feststoffgehalt in der Flüssigkeit in der Blasenwand und an der Flüssigkeit-Festkörper-Grenzfläche von 3 Gewichtsprozenten auf zwischen 6-10 Gewichtsprozente. Es darf davon ausgegangen werden, daß zu diesem Zeitpunkt der Schaumbildner, sofern vorhanden, und die Komponenten des Bindemittels aufgrund der reduzierten Wassermenge pro Volumeneinheit an der Flüssigkeit-Festkörper-Grenzfläche in ausreichend konzentrierter Form vorliegen und daß die Fasern und der Leichtzuschlag ausreichend verknäult und mit Bindemittel beschichtet sind, daß die offene, poröse Struktur beim Trocknen und Kollabieren der Blasen erhalten bleibt.

Danach werden die Blasen kollabiert und aus der nassen Masse wird das verbleibende Wasser in den Zwischenräumen mit verknäulten Fasern entfernt, indem in kurzen Intervallen ein hohes Vakuum appliziert wird, welches im Abschnitt 44 einem Druckunterschied von 5-20 Zoll Quecksilber (16 885-67 540 Pa) entspricht. Dies bringt die Blasen zum Platzen und erlaubt anschließend das Entfernen der Flüssigkeit aus den Grenzflächen zur hochverknäulten Fasermasse, dem Leichtzuschlag und zum Gewebe. Dadurch wird die strukturelle Stabilität der feuchten Bauplatten weiter verstärkt. Anschließend erfolgt die Entfernung des Wassers durch Anlegen eines konstanten Vakuums in den Abschnitten 46 und 48 und die Trocknung mittels Durchleiten von großen Mengen erhitzter Luft durch die Masse in den Abschnitten 48, 49 und 52, was ohne wesentliches Kollabieren der offenen, hochgradig porösen Struktur geschieht. Nach diesem Verfahren erhält man Mineralfaser-Bauplatten mit einer Dichte im Bereich von 3-10 Pfund pro Kubikfuß (50-60 kg/m³) mit einem Bruchmodul im Bereich von 60-120 Pfund pro Quadratzoll (410-830 kPa), gemessen mit einer glasfaserverstärkten Oberflächenbeschichtung (Nonwoven).

Bei den nach der vorliegenden Erfindung hergestellten Produkten handelt es sich überwiegend um Mineralfaserprodukte. Als Mineralfasern im Sinne der Erfindung können alle gebräuchlichen, durch Extrusion eines geschmolzenen Stroms aus Basalt, Schlacke, Granit oder anderen glasartigen Mineralstoffen gewonnenen Fasern verwendet werden. Das geschmolzene Mineral wird entweder buchstäblich durch Öffnungen gezogen (üblicherweise als Textilfasern bezeichnet) oder es wird in tangentialer Richtung durch Aufragen auf eine rotierende Scheibe oder einen Rotor gewonnen (normalerweise werden solche Fasern als Wollfasern bezeichnet). Es können auch Keramikfasern oder organische Fasern wie Polyamidfasern, Acrylfasern, Polyesterfasern, Polyolefinfasern, Zellulosefasern sowie weitere ähnliche Fasern verwendet werden. Zur Herstellung der Bauplatten mit niederer Dichte können poröse geklebte Platten, Teile oder Fasern verwendet werden, aber auch unbehandelte Fasern verwendet werden. Der Fasergehalt, ausgedrückt als Feststoffanteil im Fertigprodukt bewegt sich zwischen 10-95% und liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 30 und 40%.

Ein weiterer wesentlicher Bestandteil ist ein anorganischer Leichtzuschlag aus abgeblättertem oder expandiertem glasartigen Material vulkanischen Ursprungs. In Frage kommen bekannte Materialien, wie expandiertes Perlit, abgeblättertes Vermiculit, abgeblätterter Ton und ähnliche Produkte, die in verschiedenen Korngrößen angeboten werden. Normalerweise sind Korngrößen von weniger als 8 Mesh (2,38 mm oder weniger) geeignet, obwohl dieser Parameter nicht als kritisch gilt. Üblicherweise wird aufgrund der Verfügbarkeit und aus wirtschaftlichen Überlegungen expandiertes Perlit bevorzugt. Die zugefugte Menge von Leichtzuschlag kann zwischen circa 20% und 70% des Trockengewichts des Fertigprodukts variieren. Zur Herstellung der in dieser Erfindung beschriebenen Bauplatten niedriger Dichte wird insbesondere die Verwendung von expandiertem Perlit mit einer Korngröße zwischen 12 und 100 Mesh (1,41 mm oder darunter bis 0, 149 mm oder darunter) empfohlen. Der Leichtzuschlag ist recht bröckelig und wird beim Einmischen teilweise zerrieben. Die beschriebenen Bauplatten enthalten unten eine Deckschicht und ein gewisser Teil des Abriebs des Leichtzuschlags und Bruchstücke von zugesetzten Fasern werden sich dort ansammeln.

Um das Aufschlämmen und die Verknäulung zu erleichtern, wird ein Zusatz von 3-25 Gewichtsprozente grobe Zellulosefasern empfohlen. Solche Fasern haben normalerweise eine Länge von 1/16 bis 1/4 Zoll (0,16-0,64 cm), wobei es auch Fasern mit einer Länge bis zu 1 Zoll (2,54 cm) gibt. Diese können auf bequeme Art durch Auflösung von Zeitungen oder von anderem Papier zu Papierbrei in einer "Breimaschine" erhalten werden. Zellulosefasern von geeigneter Größe erhält man, indem 10-20 Pfund (5-9 kg) Zeitungen oder anderes Papier je 100 Gallonen (0,4 m³) Wasser, wie im Mischtank dargestellt, zusammengibt und die Mischung mit einem starken Schermischer während einiger Minuten rührt. Um ein genügend verwindungssteifes Produkt zu erzielen, welches immer noch leicht zu schneiden ist und sich zu Platten mit sauberen, nicht ausgefransten Rändern verarbeiten läßt, wird ein Zusatz von 3-5 Gewichtsprozenten empfohlen. Diese Menge trägt auch dazu bei, das Bindemittel auf den am Stützdraht angesammelten Feststoffen abzulagern. Bei geringerem Zusatz nimmt auch die Menge Bindemittel ab, die bei der Herstellung der Bauplatten aufgenommen wird, und demzufolge nimmt auch die Festigkeit der Bauplatten ab. Bei einem Zusatz von 5% wird rund die Hälfte des Latex- Bindemittels während der Plattenbildung zurückgehalten. Natürlich kann etwas mehr oder etwas weniger verwendet werden, im allgemeinen bis zu 25%, ohne daß sich daraus aber offensichtliche Vorteile ergeben. Wesentlich höhere Mengen können dazu führen, daß es schwierig wird, die Platten sauber zu schneiden.

Normalerweise stellen die oben beschriebenen Faserzusätze und der Leichtzuschlag rund zwei Drittel des gesamten Feststoffgehalts der fertigen Bauplatte dar. Mineralfasern und Leichtzuschlag werden bevorzugt in ungefähr gleich großen Mengen zugesetzt.

Es kann irgendein Bindemittel eingesetzt werden, welches bei intensivem Mischen entweder alleine oder in Kombination mit einem Schaumbildner, zur Bildung von eher instabilen, kurzlebigen, feinen und nicht elastischen Blasen führt. Es können zum Beispiel Bindemittel auf der Basis von gekochter Stärke oder Latexharz-Bindemittel auf der Basis von Homo- oder Copolymeren aus Acryl-, Acetat-, Styrol-Butadien-Monomeren oder ähnlichen Monomeren verwendet werden, welche die erforderlichen Blasen generieren. Polyvinylacetat als Bindemittel und Polyvinylalkohol als Schaumbildner sind eine bevorzugte Kombination. Besonders bevorzugt ist die Verwendung von teilweise hydrolysiertem Polyvinylalkohol zur Schaumbildung bei Mineralwolle und Leichtzuschlag, was zu einem feinen, nicht elastischen Schaum führt. In Kombination mit einem Polyvinylacetat-Bindemittel zeigt Polyvinylalkohol mit einem Hydrolysierungsgrad zwischen 87% und 91% (d. h. mit rund 9% bis 13% verbleibendem intaktem Polyvinylacetat) und mit einem Molekulargewicht zwischen 22 000 und 110 000 die beste Wirksamkeit. Polyvinylalkohole mit einem Hydrolysierungsgrad zwischen 75% und 95% können ebenfalls eingesetzt werden, erweisen sich jedoch als weniger wirksam als jene im bevorzugten Bereich.

Die zugesetzte Menge an Bindemittel oder Bindemittel und Schaumbildner ist recht variabel. Im allgemeinen treten etwa drei Viertel der ursprünglich zugesetzten Menge durch den Stützdraht in das weiße Abwasser. Durch Rückfuhrung des Abwassers zum Hauptmischer zur Verdünnung der Aufschlämmung wird der Verbrauch an Bindemittel und Schaumbildner minimiert, da nur jene Mengen ersetzt werden müssen, die in den Bauplatten zurückgehalten werden. Polyvinylacetat ist in den Bauplatten in Mengen von etwa 5-30 Gewichtsprozenten vorhanden, vorzugsweise zwischen 10-15 Gewichtsprozenten. Bevorzugte Polyvinylacetatquellen sind kommerziell verfügbare Qualitäten wie VINAC oder AIRFLEX von Air Product Company, X-LINK oder RESIN Harze von National Starch an Chemicals Corporation oder CASCOREZ Harze von Borden Chemical Division, Borden Inc.

Normalerweise wird das Polyvinylalkohol in der geeigneten Konzentration von circa 0,1% bis 5% bezogen auf den Feststoffgehalt in einem separaten Kessel, wie zum Beispiel im Mischtank 16, zur Verwendung im beschriebenen Herstellungsverfahren gelöst und so dosiert, daß die im Fertigprodukt zurückgehaltene Menge zwischen 1 und 10% liegt.

Im beschriebenen Verfahren können auch andere Schaumbildner und Bindemittel, welche eine schwache schaumbildende Wirkung aufweisen, eingesetzt werden.

Normalerweise wird die Platte auf der Oberflächenbeschichtung gebildet, die dann integrierender Bestandteil des Fertigproduktes wird, welches auch mehrere Oberflächenbeschichtungen enthalten kann. Als Oberflächenbeschichtung kann Papier, Glasfasergewebe, nicht gewobene Glasfasern oder ähnliches verwendet werden. Als besonders bevorzugte Oberflächenbeschichtung gilt ein Geflecht von nicht gewobenen Glasfasern, wie zum Beispiel ein batterieartiger Stoff mit einem Gewicht zwischen etwa 0,4 und 2,5 Pfund pro hundert Quadratfuß (0,02-0,12 kg/m²).

Die folgenden Beispiele sollen die verschiedenen Verkörperungen der vorliegenden Erfindung weiter verdeutlichen. Falls nicht anders erwähnt sind sämtliche Mengen in Gewichtsprozenten des gesamten Feststoffanteils ausgedrückt. Natürlich haben die erwähnten Beispiele lediglich einen illustrativen Charakter und dürfen in keiner Weise als Limitierung der vorliegenden Erfindung verstanden werden.

BEISPIEL 1

In einem ersten Versuch wurde Mineralwolle mit rund 30 Gewichtsprozenten losem und anhaftendem Abrieb mit einer Lösung von 0,01% teilweise hydrolysiertem mittelviskosem Polyvinylalkohol (VINOL 523) gemischt. Bei dieser Konzentration bildete sich kein stabiler Schaum; dessen Konzentration reichte aber aus zur Bildung eines Schaums mit feinen, nicht elastischen, nicht viskosen und ungleichmäßigen Blasen. Nach Beendigung des Schüttelns schwammen die Fasern an der Oberfläche und zeigten verglichen mit dem Zustand der Mineralwolle vor dem Mischen eine Zunahme des Volumens der Masse der verknäulten Fasern um etwa 800%. In der geschäumten Faser, bei welcher nach dem Trocknen eine Zunahme des Faservolumens von rund 500% festzustellen war, wurde kein sichtbarer Abrieb festgestellt.

In einem zweiten Versuch wurde eine 3%ige Lösung desselben Polyvinylalkohols zu einer Dispersion mit 3% Feststoffanteil, enthaltend 33% Mineralwolle, 33% expandiertes Perlit sowie filzartige Mineralwolle gegeben. Nach normalem Eininischen wurde die Mischung während 30 Sekunden mit einem Mixer mit hoher Scherwirkung weiterbehandelt, der einen Strudel in Richtung Mixermesser bildete und mit der Faser einen Schaum erzeugte. Dabei blieb 80% des Wassers als getrennte Phase zurück und es bildete sich eine beträchtliche Menge Abrieb am Boden.

BEISPIEL 2

Eine Anzahl Versuche werde mit einer verdünnten wäßrigen Aufschlämmung von normaler Mineralwolle für die konventionelle Filzherstellung und mit unterschiedlichen Mengen an Polyvinylalkohol (VINOL 540S) durchgeführt. Die Entwässerungszeit nahm mit zunehmender Menge an Polyvinylalkohol exponentiell zu. Wenn das Bindemittels durch Polyvinylacetat ersetzt und die Aufschlämmung während 30 Sekunden durch einen Mischer mit hoher Scherwirkung geleitet wurde, damit sich Blasen entwickeln konnten und der Schaum altern, reifen und bereits vor der Entwässerung durch Schwerkrafteinwirkung Wasser abgeben konnte, nahm die Entwässerungszeit über den Bereich 1-6% Polyvinylalkohol und 3-10% Feststoffgehalt nur noch viel langsamer, d. h. eher linear als exponentiell zu.

BEISPIEL 3

Es wurden alte Zeitungen in den mit Wasser gefüllten Tank 11 hineingegeben und mit einem Hochgeschwindigkeitsrotor zu Papiermatsch zerrieben, wobei eine circa 5%ige Dispersion von groben Papierfasern entstand, die anschließend in den Hauptmischtank 10 geleitet wurde. Eine Lösung aus zu 95% hydrolysiertem Polyvinylalkohol (VINOL 540S) wurde im Mischtank 16 verdünnt und ebenfalls in den Mischtank 10 geleitet. Außerdem wurden Mineralwolle, expandiertes Perlit, Stärke und Polyvinylacetat in den Hauptmischtank 10 hineingegeben und mit Wasser zu einer zwischen 3-6% Feststoffe enthaltenden Suspension verdünnt, die sich im Verhältnis 33% expandiertes Perlit, 33% Mineralwolle, 15-19% grobe Papierfasern, 0-11% gekochte Maisstärke, 0-14% Polyvinylacetat und 3% Polyvinylalkohol zusammensetzte. Nach 30 Sekunden Mischen bei hoher Geschwindigkeit und hoher Scherwirkung mit dem Rührer 12, der in seiner Umgebung einen Luftwirbel einzog, wurde die Dispersion mit Pumpe 22 zur modifizierten Headbox 30 oberhalb eines konventionellen sich bewegenden Drahtgitters, in der Folge Draht 40 genannt, einer Maschine zur Mattenherstellung gepumpt. Die modifizierte Headbox 30 hatte zur Aufgabe, die Entwicklung von Schaumblasen zu ermöglichen und damit zur Stabilisierung der in der Schaummasse enthaltenen Festkörper beizutragen und die weitere Verknäulung des entstehenden Schaums mit den in der Dispersion enthaltenen Feststoffen zu fördern. Die spiralenförmige Kanalisierung durch Box 30, welche insbesondere in Abbildungen 2 und 3 ersichtlich ist, begünstigt die Reifung und Alterung der Blasen, indem sie sich selbst entwässern und die Feststoffe konzentrieren, wobei das überschüssige Wasser aus den sich entwässernden Blasen in der kontrollierten Drainage im Abschnitt 42 herausfließt. Etwa auf halbem Weg durch die Headbox 30 enthält die Schaummasse circa 25 Volumenprozent Luft und die Flüssigkeit rund 5% Feststoffe.

Ein kontinuierlicher Bodenüberzug aus Tuch 43, wie zum Beispiel nicht gewobener batterieartiger Stoff mit einem Gewicht von circa 0,8-2 Pfund pro 100 Quadratfuß (0,4- 0,1 kg/m²) Stoff wurde oberhalb des Drahtes 40 appliziert, bevor sich die Schaummasse 41 aus der Box 30 auf den Draht 40 ergoß. Ein ähnlicher Überzug 47 wurde durch Box 30 zugeführt. Durch das Zuführen des Überzugs 43 aus Box 30 und das Durchführen durch die Glättwalze 34 wurde ein enger Kontakt mit der Schaummasse 41 erreicht und das Ausebnen der Oberfläche des Plattenkerns der Schaummasse 41 verbessert.

Die Schaummasse 41 wurde in den überfluteten Abschnitten 42, wo der Schaum zu altern und abzubauen beginnt, auf den Draht aufgetragen. Am Schluß dieses Abschnitts enthielt der Schaum circa 50 Volumenprozente Luft und rund 10% Feststoffe in den Wänden der Blasen, bevor er erstmals dem Schock in den ersten Vakuumabschnitten 44 ausgesetzt wurde. Zu diesem Zeitpunkt verschwindet der Schaum. Es wurde festgestellt, daß kurze Stöße von 5-20 Zoll Quecksilber (16 885-67 540 Pa) über eine Dauer von 0,5-2,0 Sekunden die Blasen rascher und vollständiger zum Kollabieren bringen, ohne dabei einen substantiellen Zusammenbruch der offenen, porösen Struktur der nassen Masse zu verursachen, als dies bei geringerem Vakuum über eine längere Zeit der Fall war. Nach raschen Schockstößen mit hohem Vakuum enthält die Masse 4 l rund 25% Feststoffe, während das verbleibende Wasser sich in der offenen Porenstruktur befindet. Das herausfließende Wasser wurde laufend aus den überschwemmten Abschnitten 42 und den Abschnitten mit starkem Vakuum 44 abgesaugt, in einen Lagertank für Weißwasser (nicht abgebildet) gepumpt und periodisch im Hauptmischtank 10 wiederaufbereitet.

Nach der Entwässerung unter starkem Vakuum enthielten die nassen Platten, bestehend aus einem Bodenüberzug 43, einer Oberflächenbeschichtung 47 und einem Kern aus einer porösen Verknäulung von Fasern, Leichtzuschlag und Bindemittel 41, immer noch rund 75 Gewichtsprozente Feuchtigkeit. Dank der offenen, porösen Struktur konnte das Wasser rasch eliminiert und die Platten anschließend getrocknet werden, indem man große Mengen von erhitzter Luft durch die Bauplatten hindurchleitete, zuerst in der überdeckten Zone mit geringem Unterdruck 46 und anschließend im Trockner 48. Bei Trocknung mittels normaler Konvektion hätte das Entfernen dieser Feuchtigkeit mindestens drei Stunden gedauert. Ein geringerer Druckunterschied von circa 5-70 Zoll Wasser (1245-17 430 Pa), vorzugsweise im Bereich 5 - 15 Zoll Wasser (1245-3735 Pa), wurde in den Vakuumsektionen 46 und 48 über die ganze Oberfläche der Masse 41 aufrechterhalten. In den Abschnitten 48 wurde das Druckgefalle durch einen leichten Überdruck (circa 1 Zoll Wasser (249 Pa) oder weniger) erhöht, und erhitzte Luft durch den Einlaß 49 von Ventilator 50 zugeführt, um das Wasser aus der nassen Masse 41 kontinuierlich zu entfernen und die Masse zu trocknen. Der Ventilator wurde so eingestellt, daß die Luft mit einer Volumengeschwindigkeit von circa 50-350 Kubikfuß pro Minute (0,02-0,2 m³/s), vorzugsweise mit rund 300 Kubikfuß pro Minute (0,1 m³/s), per Quadratfuß (0,02 m²) der Mattenoberfläche bei einer Temperatur zwischen 37-180 ºC, vorzugsweise um 175ºC, durch die Masse 41 hindurchgeblasen wurde. Der Zeitbedarf, um das Wasser aus einem der Kernsegmente 41 zu entfernen und um einen Kern mit 25% Feststoffanteil zu trocknen variierte beträchtlich, vor allem in Abhängigkeit von der Dicke des Kerns zwischen 1/8 Zoll (0,003 m) bis 2 Zoll (0,05 m). Im allgemeinen wurde eine circa 1/2 Zoll (0,01 m) dicke Platte in rund 2 Minuten entwässert und auf weniger als 1% Restfeuchtigkeit getrocknet, wobei dank der durch das höhere Volumen und der hohen Durchflußgeschwindigkeit der erhitzten Luft durch die offene poröse Struktur verbesserten Trocknungseigenschaften rund 3/4 der Feuchtigkeit in den ersten 30 Sekunden entfernt wurden. Bei Bedarf kann eine weitere Trocknung nachgeschaltet werden, z. B. im Trockner 52, der sich auch über dem Abschnitt 46 befinden kann. Die resultierenden Platten zeigten eine offenen, porösen Kern, der eine große Anzahl von sehr unterschiedlichen, uneinheitlichen Hohlräumen aufwies, deren Größe für eine typische Platte mit einer nominellen Dicke von einem halben Zoll zwischen circa 1/64 Zoll (0,0004 m) und etwa 5/16 Zoll (0,008 m) variierte. Typische Platten wiesen eine Dichte zwischen 3 und 6 Pfund pro Kubikfuß (50- 100 kg/m³) und ein Bruchmodul zwischen 60 und 120 Pfund pro Quadratzoll (410-830 kPa) auf. Die Analyse der Platten und des weißen Abwassers aus dem überfluteten Abschnitt und den verschiedenen Vakuumabschnitten ergab, daß circa 40-80% des Polyvinylalkohols und des Polyvinylacetats in das weiße Abwasser übertrat, je nach Löslichkeit des verwendeten Alkohols, der eingesetzten Menge an groben Papierfasern und der Verarbeitungstemperatur. Durch die Rückführung des Weißwassers in den Hauptmischtank 10 konnte die erforderliche Zugabe von Bindemittel und Schaummittel im kontinuierlichen Herstellungsverfahren gering gehalten werden. Als Beispiele wurden die in der nachfolgenden Tabelle aufgeführten Plattenmuster hergestellt, die alle eine Dichte von circa 5 Pfund pro Kubikfuß (80 kg/m³), ein Bruchmodul von circa 60 psi (410 kPa), einen Lärmreduktionskoeffizienten größer als 0,75 und eine Plattendicke von 0,24- 2 Zoll (0.006-0-05 m) aufwiesen.

Komponente Prozent Muster Mineralwolle Perlit Grobe Papierfasern Maisstärke Polyvinylacetat Polyvinylalkohol B-10 Batterieartiger Stoff Eigenschaften Gewicht Dicke, Zoll Bruchmodul


Anspruch[de]

1. Verfahren zur Herstellung einer Mineralfaser-Bauplatte niedriger Dichte auf einem sich bewegenden mit Löchern durchsetzten Stützdraht, das folgendes umfaßt:

A. Bildung einer schäumbaren verdünnten wäßrigen Mineralfaseraufschlämmung, die Mineralfasern, anorganischen Leichtzuschlag und ein Schaummittel umfaßt;

B. Mischen des Eintrags mit Luft zur Bildung eines nicht stabilen Schaums aus fragilen, nicht elastischen, ungleichförmigen Blasen.

C. Ablagerung der Blasenmasse auf ein Mull- Abdeckgelege über dem mit Löchern durchsetzten Draht zum Entwässern;

D. anschließend Kollabieren der Blasen zu einer nassen, offenen, porösen Strukturmasse verknäulter Fasern mit Wasser in den Zwischenräumen der verknäulten Fasermasse; und

E. Abstreifen von Wasser aus der nassen Masse und Trocknen der nassen Masse ohne wesentliches Kollabieren der offenen verknäulten Struktur durch Applikation eines Vakuum-Druckdifferentials und gleichzeitiges Durchleiten von trockener Heißluft durch die offene verknäulte Struktur.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem in Schritt C die Blasenmasse auf dem Abdeckgelege in einem ersten überfluteten Teil des mit Löchern durchsetzten Drahtes abgelagert wird, wobei sich die Masse durch die Schwerkraft schnell entwässert.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem in Schritt D ein Vakuum-Druckdifferential auf die Blasenmasse aufgebracht wird, das 5-20 Inches Quecksilber (16 885- 67 540 Pa) entspricht.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem kurze Vakuum- Druckstöße auf die Masse aufgebracht werden.

5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem in Schritt E ein Vakuum-Druckdifferential auf die nasse Masse aufgebracht wird, das 5-70 Inches Wasser (1245-17 430 Pa) entspricht.

6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem in Schritt E trockene Heißluft bei einer Rate von 50-350 Kubikfuß pro Minute (0,02-0,2 m³/s) Luft pro Quadratfuß (0,09 m²) der Massenoberfläche durch die Masse geleitet wird.

7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem das Schaummittel ein Polyvinylalkohol ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem 2-4% Polyvinylalkohol vorliegen.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem der Eintrag 18% Polyvinylacetat und 4% Polyvinylalkohol enthält.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem der Eintrag 30-40% Mineralwolle, 30-40% expandiertes Perlit, 4-25% grobe Zellulosefasern, 18% Polyvinylacetat und 2-4% Polyvinylalkohol enthält.

11. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem ein zweites Mull-Abdeckgelege über die Schaumblasenmasse in Schritt C gelegt wird.

12. Mineralfaser-Bauplatte niedriger Dichte mit einer offenen porösen Struktur, einer Dichte zwischen 3 und 10 Pfund pro Kubikfuß (50-160 kg/m³) und einem Bruchmodul von mindestens 60 Pfund pro Quadratinch (410 kPa), mit einem Mull-Abdeckgelege und einem offenen porösen Strukturkern, der eine größere Menge an Mineralfasern, Leichtzuschlag, Bindemittel und 0,2-5% Schaummittel sowie eine große Zahl von Zwischenräumen unregelmäßiger Große und Form enthält.







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