DE102016101819B4

DE102016101819B4 - Verfahren zur Herstellung eines Mineralfaservliesstoffes

Info

Publication number: DE102016101819B4
Application number: DE102016101819.8A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-02-02
Filing date: 2016-02-02
Publication date: 2020-11-05
Anticipated expiration: 2036-02-03
Also published as: DE102016101819A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Mineralfaservliesstoffes, wobei ein Stapelvlies (5) zumindest aus einer mineralischen Endlosfaser gebildet und das Stapelvlies (5) anschließend verfestigt wird, wobei die Verfestigung ausschließlich durch Aufschmelzen eines in das Stapelvlies (5) eingebrachten thermoplastischen Kunststoffs (7) erreicht wird, wobei der thermoplastische Kunststoff in Form einer Faser (Kunststofffaser) in dem Stapelvlies appliziert wird dadurch gekennzeichnet, dass die thermoplastischen Kunststofffasern gleichzeitig zu den Mineralfasern abgelegt werden, wobei ein oder mehrere Extrusionsdüsen zur Herstellung der Endlosmineralfasern mit einer Spinndüse für eine thermoplastische Kunststofffaser gleichlaufend gekoppelt sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Mineralfaservliesstoffes.
Bei Vliesstoffen handelt es sich um textile Flächengebilde, die nicht in einem Web- bzw. Wirk- oder Strickprozess entstanden sind. Zur üblichen Herstellung eines Vliesstoffes wird zunächst aus der zugrunde gelegten Faser ein loses Fasergebilde, ein sogenanntes Vlies oder ein sogenannter Flor hergestellt. Dieser wird unter Verwendung unterschiedlicher Methoden anschließend zu einem Vliesstoff verfestigt, so dass ein einheitliches, zusammenhängendes Flächengebilde entsteht.
Vliesstoffe für technische Anwendungen, insbesondere mit besonders hohen Temperaturbelastungen, können auch aus Mineralfasern hergestellt werden. Mineralfasern haben gegenüber Naturfasern und Kunststofffasern den Vorteil, dass sie auch erhöhten Temperaturen von 500 C und deutlich darüber hinaus widerstehen können. Anwendungsbereiche für derartige Vliesstoffe sind insbesondere Dämm-, Isolations- und Lagerungsmatten in thermisch besonders beanspruchten Bereichen, wie beispielsweise Abgaskatalysatoren und Abgasrohre.
Natürliche und künstlich hergestellte Mineralfasern haben jedoch den Nachteil, dass sie gesundheitsgefährdend sein können, weil kurze Faserabschnitte mitunter lungengängig sind und so Atemwegserkrankungen bis hin zum Lungenkrebs hervorrufen können. Vor diesem Hintergrund ist es erforderlich, den Austritt von gesundheitsgefährlichen Faserabschnitten aus dem Vliesstoff zu minimieren, um den Schutz eines Verarbeiters zu gewährleisten bzw. den späteren Austritt in die Umgebung zu verhindern.
Zur Verfestigung ist es bekannt, Mineralfaservliese mit einem keramischen bzw. mineralischen Bindemittel zu versehen. Dieses wird mit einer wässrigen Lösung bzw. Suspension in das Mineralfaservlies eingebracht und nach dem Austrocknen des Wasseranteils durch ein Brennen mit dem Mineralfaservlies verbunden. Hierbei ist nachteilig, dass zwischen der Vliesbildung und der eigentlichen Verfestigung ein zusätzlicher zeit- und energieintensiver Trocknungsschritt erfolgen muss. Weiterhin ist es erforderlich, insbesondere bei kurzfaserigen Vliesen erhebliche Mengen des Bindemittels einzusetzen, um einen sicheren Einschluss der gesundheitsgefährdenden Fasern sicherzustellen.
Weiterhin ist es bekannt, Mineralfaservliese aus sogenannten Endlosfasern herzustellen. Bei diesen werden die einzelnen Faser-Filamente durch einen kontinuierlichen Extrusionsprozess hergestellt und ohne weiteren Zuschnitt zu einem Vlies gelegt. Endlosfasern als solche sind aufgrund ihrer makroskopischen Länge nicht lungengängig und stellen daher keine Gesundheitsgefahr dar. Jedoch werden Mineralfaservliese aus Endlosfasern durch Vernähen oder Vernadeln verfestigt. Bei diesen Verfestigungsverfahren wird jedoch eine erhebliche mechanische Belastung auf das Faservlies ausgeübt, so dass die das Vlies bildenden Endlosfasern unter Bildung von gesundheitsgefährdenden Kurzfasern zerbrechen. Hierdurch ergeben sich die gleichen Gesundheitsbedenken wie bei einem aus Schnittfasern hergestellten Vliesstoff.
Ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus US 2014/ 0 050 886 A1 bekannt.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Herstellung eines Mineralfaservliesstoffes dahingehend zu verbessern, dass die Bildung und Freisetzung von gesundheitsgefährdenden lungengängigen Kurzfasern vermieden wird.
Gegenstand der Erfindung und Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren nach Anspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Unteransprüchen angegeben.
Bei einem gattungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Mineralfaservliesstoffes wird zunächst ein Stapelvlies mit zumindest einer mineralischen Endlosfaser gebildet und das Stapelvlies anschließend verfestigt. Die Art der Vliesbildung ist dabei nicht beschränkt und kann insbesondere Wirrlagenvliese, orientierte Vliese oder Kreuzlagenvliese hervorbringen. Erfindungsgemäß wird die Verfestigung ausschließlich durch Aufschmelzen eines in das Stapelvlies eingebrachten thermoplastischen Kunststoffs erreicht. Beim Aufschmelzen wird der thermoplastische Kunststoff, vorzugsweise ein Polyolefin, beispielsweise Polyethylen (PE), so weit erhitzt, dass er fließ- bzw. klebfähig wird. Durch anschließendes Abkühlen wird die Verbindung zwischen den Filamenten des Endlosfaservlieses und dem thermoplastischen Kunststoff stabilisiert. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die mineralischen Endlosfasern (Filamente) durch Aufschmelzen eines thermoplastischen Kunststoffes besonders einfach und faserschonend miteinander verbunden und so zu einem Vliesstoff verfestigt werden können. Dabei ist es unschädlich, wenn bei einem späteren Einsatz des Mineralfaservliesstoffes die Betriebstemperatur oberhalb des Schmelzpunktes bzw. sogar oberhalb der Zersetzungstemperatur des thermoplastischen Kunststoffes liegt. Die stabilisierende Wirkung durch die Verfestigung mit dem thermoplastischen Kunststoff ist vor allem während der Weiterverarbeitung und Montage des Mineralfaservliesstoffes erforderlich. Ein aus dem Mineralfaservliesstoff hergestelltes Bauteil ist im montierten Zustand üblicherweise so abgestützt, dass eine innere Stabilisierung durch den thermoplastischen Kunststoff nicht mehr erforderlich ist. Ohne Biege- bzw. Verwindungsbewegungen des Vliesstoffes halten die einzelnen Filamente aufgrund von Reibung und Verschlingung sicher zusammen, wodurch ein Austritt von Fasern verhindert wird. Sollten dennoch Fasern sich aus dem Vliesstoff lösen, stellen diese aufgrund ihrer Größe keine Gesundheitsgefahr dar.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird das Stapelvlies mehrlagig mit einer ersten Faserlage und einer daran angrenzenden zweiten Faserlage gebildet. Die im Rahmen der Erfindung verwendete Anzahl der Faserlagen ist nicht begrenzt und kann mit Hinblick auf die gewünschte Stärke des Vliesstoffes sowie dessen Materialeigenschaften ausgebildet werden. Zuvor können in der Grenzschicht zwischen der ersten Faserlage und der zweiten Faserlage verstärkt bzw. zusätzlich Anteile des thermoplastischen Kunststoffes vor der Verfestigung eingebracht werden. Hierdurch lässt sich der Zusammenhalt zwischen den einzelnen Faserlagen verstärken.
Besonders bevorzugt werden die erste Faserlage und die zweite Faserlage in unterschiedlichen Legearten hergestellt. Insbesondere können die Filamente innerhalb einer Faserlage längs, quer oder längs und quer abgelegt werden. Eine weitere Möglichkeit der Ablage besteht aus ein oder mehreren oszillierend oder kreisförmig bewegten Extrusionsdüsen, welche gegenüber einer Ablagefläche, insbesondere einem Transportband linear bewegt werden. Durch die gezielte Ablage der einzelnen Faserlagen kann trotz des Verzichts auf Webe- und Wirktechniken ein strukturiertes Fasergebilde mit definierten mechanischen Eigenschaften bereitgestellt werden.
Zusätzlich kann der thermoplastische Kunststoff auf das Stapelvlies während oder nach dessen Bildung aufgestreut werden. Der Kunststoff kann hierzu zweckmäßigerweise in Pulver-, Schnitzel- oder Pelletform zugeführt werden. Der kleinteilige aufgestreute Kunststoff kann besonders gut in das Faservlies eindringen und sich in diesem verteilen. Bei mehrlagig hergestellten Vliesen bietet sich das wiederholte, separate Aufbringen auf die einzelnen Faserlagen an.
Zusätzlich kann der thermoplastische Kunststoff an zumindest einer Außenseite des Stapelvlieses angelegt werden. Bei mehrlagigen Vliesen kann eine entsprechende Folie auch an einer oder mehreren Grenzflächen zwischen zwei benachbarten Faserlagen eingelegt werden. Durch die Verwendung einer vorgefertigten Folie lässt sich der thermoplastische Kunststoff mit einfachen technischen Mitteln besonders einfach gleichmäßig in der Fläche des Faservlieses verteilen. Auch kann hierdurch an den Außenseiten eine Schicht mit besonders großem Kunststoffanteil erzeugt werden, welche den Austritt von Mineralfasern aus dem Innern des Faservliesstoffes zusätzlich behindert.
Erfindungsgemäß wird der thermoplastische Kunststoff in Form einer Faser in dem Stapelvlies appliziert werden. Die Kunststofffasern sind nicht auf Endlosfasern beschränkt. Dabei werden die thermoplastischen Kunststofffasern gleichzeitig zu den Mineralfasern abgelegt, so dass sich die beiden Materialien optimal durchmischen können. Hierzu ist erfindungsgemäß vorgesehen, ein oder mehrere Extrusionsdüsen zur Herstellung der Endlosmineralfasern mit einer Spinndüse für eine thermoplastische Kunststofffaser gleichlaufend zu koppeln.
Als weitere Alternative oder zusätzliche Maßnahme können die thermoplastischen Kunststofffasern als vorgefertigtes oder vor Ort hergestelltes Kunststofffaservlies dem Stapelvlies zugeführt werden.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung wird die Endlosfaser wird die Endlosfaser aus Silica (amorphem Siliciumdioxid) gebildet. Diese weist bei vergleichsweise geringen Herstellungskosten eine besonders gute Temperaturbeständigkeit bis zu etwa 1.000°C auf. In besonders hoch beanspruchten Bereichen bis etwa 1.100°C kann auch das teurere Aluminiumoxid (Al₂O₃) als Grundstoff für die Endlosmineralfaser verwendet werden. Niedrigere Temperaturanforderungen lassen die Verwendung von günstigem E-Glas (bis 550°C), S-Glas (bis 750°C) oder Basaltfasern (bis 800°C) zu.
Besonders bevorzugt wird in dem Stapelvlies ein einziges Material zur Herstellung der Endlosfaser verwendet. Bei mehrlagigen Vliesen ist auch eine mehrschichtige Anordnung, insbesondere mit von einer Außenlage zu der gegenüberliegenden Außenlage abnehmender Temperaturbeständigkeit denkbar.
In einer bevorzugten Ausgestaltung erfolgt die Verfestigung des Stapelvlieses in einer zumindest abschnittsweise beheizbaren Presse. In einer Presse kann das Stapelvlies auf eine definierte Dicke gefahren werden, wobei der Mineralfaservliesstoff nach dem Erkalten des aufgeschmolzenen Kunststoffes zumindest näherungsweise in der komprimierten Stärke verbleibt. Üblicherweise werden Vliesstoffe als Flächengebilde hergestellt, die gegenüber ihrer lateralen Ausdehnung eine vergleichsweise geringe Dicke aufweisen. Mit entsprechend ausgeformten Heizpressen ist es jedoch auch möglich, dreidimensionale Objekte aus verfestigtem Vlies mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herzustellen.
Besonders bevorzugt erfolgt die Befestigung kontinuierlich in einer zumindest abschnittsweise beheizbaren Doppelbandpresse. Unter einer Doppelbandpresse ist eine Einrichtung mit zwei gegenüberliegenden endlos umlaufenden Transportbändern zu verstehen, zwischen denen ein zu verfestigendes Vlies mit einer definierten Spaltdicke geführt werden kann. In der Doppelbandpresse wird das Vlies während des Aufschmelz- und Abkühlvorganges mit einer einstellbaren Spaltbreite geführt. Falls das Stapelvlies vor der Verfestigung noch komprimiert werden muss, kann die Doppelbandpresse zweckmäßigerweise einen Einlaufabschnitt mit aufeinander zu laufenden Anfangsabschnitten der Transportbänder ausgebildet sein. Zur Verhinderung einer Beschädigung des Mineralfaservliesstoffes bzw. Stapelvlieses und zur Vermeidung von einer Verschmutzung der Transportbänder sind diese zweckmäßiger mit einer Antihaftbeschichtung, insbesondere aus Polytetrafluorethylen (Handelsname Teflon) versehen.
Für Anwendungen, in denen eine nachträgliche Aufweitung des Mineralfaserstoffes bei thermischer Beanspruchung erforderlich ist, können den thermoplastischen Kunststoff durch Temperatureinfluss aktivierbare Blähmittel, beispielsweise Blähgraphit oder Blähglimmer zugesetzt werden: Diese werden durch die beschriebenen Auftragungsmethoden gleichmäßig mit in den Mineralfaservliesstoff eingebracht. Beim Überschreiten einer Aktivierungstemperatur, welche zweckmäßigerweise oberhalb der Aufschmelztemperatur des thermoplastischen Kunststoffes liegt, vergrößert sich das Volumen der Blähmittel durch physikalische und/oder chemische Prozesse, was zu einer Volumenzunahme des Mineralfaservliesstoffes führt. Zusätzlich kann die Ausdehnung durch den Wegfall der Bindungswirkung des geschmolzenen oder sogar zersetzen thermoplastischen Kunststoffes verstärkt werden.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Fasergebilde mit einer mineralischen Endlosfaser. Erfindungsgemäß ist die mineralische Endlosfaser durch einen aufgeschmolzenen und wieder erstarrten thermoplastischen Kunststoff verfestigt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen schematisch:

1 Draufsicht auf eine Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
2 Seitenansicht aus der Darstellung aus 1.

In der Draufsicht der 1 ist ein Transportband 1 erkennbar, welches in der Transportrichtung x verfährt. Darauf wird in einer ersten Legevorrichtung 2 eine erste Mineralfaserlage mit im Wesentlichen längsverlaufenden Endlosmineralfaserfilamenten aufgelegt. Die Filamente können dabei gekräuselt sein.
In einer zweiten Legevorrichtung 3 wird anschließend eine zweite Faserlage aufgelegt, wobei die die Endlosfasern bildenden Extrusionsdüsen Oszillationsbewegungen quer zur Transportrichtung x ausführen, wodurch die zweite Faserlage im Wesentlichen aus quer zu den Fasern der ersten Faserlage verlaufenden Filamenten gebildet ist.
In einer anschließenden dritten Legevorrichtung 4 führen die die Mineralfaser auswerfenden Düsen kreisförmige Bewegungen aus, wodurch eine dritte, schlaufig gelegte Faserlage entsteht. Die unterschiedliche Orientierung und Legearten der einzelnen Faserlagen garantieren einen Zusammenhalt der Fasern auch nach Wegfall des thermoplastischen Bindemittels.
Als nächster Schritt im Herstellungsprozess wird auf das so hergestellte Faservlies 5 in einer Streustation 6 ein pulverförmiger thermoplastischer Kunststoff 7 aufgestreut. Anschließend wird das Mineralfaservlies in einer abschnittsweise temperierbaren Doppelbandpresse 8 verfestigt.
Die Doppelbandpresse 8 weist zwei endlos umlaufende, mit einer Antihaftbeschichtung versehene Transportbänder 9 auf, die in einem ersten Einlaufabschnitt aufeinander zulaufen. Hierdurch wird das unverfestigte Vlies komprimiert und verdichtet.
Der zweite Abschnitt der Doppelbändpresse ist beidseitig mit Heizvorrichtungen 10 versehen. Hierdurch wird der eingestreute thermoplastische Kunststoff 7 in dem Vlies aufgeschmolzen, so dass er sich mit den Mineralfasern verbinden kann.
In einem weiteren Abschnitt der Doppelbandpresse 8 sind beidseitig Kühlvorrichtungen 11 vorgesehen, welche den Kunststoff 7 unter seinen Schmelzpunkt abkühlen und so für eine Stabilisierung und Fixierung des nunmehr verfestigten Vliesstoffes 12 sorgen. Dieser behält nach Verlassen der Doppelbandpresse 8 durch die innere Verbindung mit dem thermoplastischen Kunststoff 7 die durch die Spaltbreite der Doppelbandpresse 8 eingestellte Schichtstärke.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Mineralfaservliesstoffes, wobei ein Stapelvlies (5) zumindest aus einer mineralischen Endlosfaser gebildet und das Stapelvlies (5) anschließend verfestigt wird, wobei die Verfestigung ausschließlich durch Aufschmelzen eines in das Stapelvlies (5) eingebrachten thermoplastischen Kunststoffs (7) erreicht wird, wobei der thermoplastische Kunststoff in Form einer Faser (Kunststofffaser) in dem Stapelvlies appliziert wird dadurch gekennzeichnet, dass die thermoplastischen Kunststofffasern gleichzeitig zu den Mineralfasern abgelegt werden, wobei ein oder mehrere Extrusionsdüsen zur Herstellung der Endlosmineralfasern mit einer Spinndüse für eine thermoplastische Kunststofffaser gleichlaufend gekoppelt sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stapelvlies mehrlagig mit zumindest einer ersten Faserlage und einer daran angrenzenden zweiten Faserlage gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Faserlage und die zweite Faserlage in unterschiedlichen Legearten hergestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoplastische Kunststoff (7) auf das Stapelvlies (5) während und/oder nach dessen Bildung aufgestreut wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoplastische Kunststoff (7) in Form einer Folie an zumindest einer Außenseite des Stapelvlieses angelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoplastische Kunststoff (7) in Form einer Faser auf dem Stapelvlies appliziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mineralische Endlosfaser mit Silica gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Stapelvlies (5) ausschließlich Silica als Mineralfaser verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfestigung des Stapelvlieses (5) in einer zumindest abschnittsweise beheizbaren Presse erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfestigung in einer zumindest abschnittsweise beheizbaren Doppelbandpresse (8) kontinuierlich erfolgt.