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Dokumentenidentifikation DE3248661C2 30.08.1990
Titel Hitzebeständig beschichtetes Bauteil
Anmelder Grünzweig + Hartmann AG, 6700 Ludwigshafen, DE
Erfinder Kummermehr, Hans, 6700 Ludwigshafen, DE
Vertreter Kuhnen, R., Dipl.-Ing.; Wacker, P., Dipl.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing., Pat.-Anwälte, 8050 Freising
DE-Anmeldedatum 30.12.1982
DE-Aktenzeichen 3248661
Offenlegungstag 05.07.1984
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 30.08.1990
Veröffentlichungstag im Patentblatt 30.08.1990
IPC-Hauptklasse C04B 35/84
IPC-Nebenklasse C04B 41/70   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein hitzebeständig beschichtetes Bauteil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiges hitzebeständig beschichtetes Bauteil ist aus der DE-OS 16 69 267 insbesondere für das Gießereiwesen bekannt; typische Bauteile mit einer solchen bekannten Beschichtung sind Metallgießformen oder Bodenplatten hierfür sowie Pfannen, Fördergefäße oder Öfen, also solche Bauteile, deren Oberflächen mit der Schmelze in Berührung kommen oder aus anderen Gründen einer starken Hitzebelastung unterliegen.

Als Beschichtungsmaterialien für diese Bauteile dienen körniges Quarzglaspulver (Quarzsand) und ein Bindemittel auf der Basis von kolloidaler Kieselsäure (Kieselsol), mit Zusätzen eines Suspendierungsmitels in Form von Magnesium- Montmorillonit-Ton und/oder hydrophilen Xanthomonas- Kolloiden in Mengen von 0,05 bis 2 Gew.-Prozent sowie eines mehrwertigen aliphatischen Alkoholes in Mengen von 3 bis 30 Gew.-Prozent und eines Hochtemperatur-Netzmittels in Form eines Phosphorsäureesters in Mengen von 0,01 bis 1 Gew.-Prozent, jeweils bezogen auf die Menge des wäßrigen Kieselsol. Das Verhältnis Quarzsand zu Kieselsol kann dabei zwischen 10 : 0,5 und 10 : 60 schwanken, wobei bevorzugt ein Überwiegen des Quarzsandes im Verhältnis von 10 : 3 ist. Der Gesamtfeststoffgehalt der Beschichtung beim Auftrag liegt inzwischen 30 und 80 Gew.-Prozent, vorzugsweise bei etwa 65 Gew.-Prozent.

Der Auftrag des Beschichtungsmaterials erfolgt auf eine gegebenenfalls mehrere 100° C heiße, geschlossene Bauteiloberfläche, wo eine schnelle Trocknung unter Entwicklung von Waserdampf unter Erzeugung einer anhaftenden dichten Überzugsschicht erfolgt.

Ein Auftrag auf eine geschlossene Oberfläche unter gleichzeitigem Austreiben der flüchtigen Träger ist Voraussetzung für die gewünschte Schichtbildung mit diesen bekannten Beschichtungsmaterialien. Eine Beschichtung poröser Oberflächen ist nicht vorgesehen; ein solcher Beschichtungsversuch führt zu einem undefinierten Eindringen von Beschichtungsbestandteilen in die poröse Oberfläche unter Zurücklassung eines rißhaltigen und bruchgefährdeten, also nicht geschlossenen Überzugs mit rauher Oberfläche, der keinen wirksamen Hitzeschutz bietet. Bei entsprechend großporiger Oberfläche können die Beschichtungsmaterialien auch vollständig in die Oberfläche eindringen, wobei der Quarzsand jedoch stört und, soweit er infolge seiner Korngröße nicht oder nicht vollständig eindringt, an der Oberfläche des Bauteils nicht ausreichend gebunden ist. Daher wird gemäß der DE-OS 16 69 267 auch vorgeschlagen, Bindemittel aus dem wäßrigen Kieselsol und den Suspendierungs- und Netzmitteln sowie mehrwertigen Alkoholen, jedoch ohne Quarzsand, zu verwenden, um Faserstoffe wie Glasfasern, Aluminiumsilikatfasern, Steinwolle, Asbest und Kaliumtitanat zu binden. Dadurch entsteht ein silikatgebundenes Faserbauteil ähnlich den Isolierbauplatten etwa gemäß der DE-PS 27 32 387 oder der DE-OS 29 18 689, wo anstelle von Kieselsol ein Bindeton entsprechend geringer Teilchengröße zur Erzeugung einer vollständigen Imprägnierung einer Mineralfaserplatte verwendet wird.

Etwa aus der US-PS 34 90 065 ist es auch bekannt, Mineralfaserplatten mit einem Kieselsol enthaltenden Mittel in einer nur wenige Millimeter starken oberflächennahen Schicht zu imprägnieren, um die Standfestigkeit derartiger Platten im Brandversuch zu verbessern. Hierzu wird ein Bindemittel aus 5 bis 95 Gew.-Prozent Kieselsol, Rest Bentonit verwendet, zusammen mit zwei körnigen anorganischen Füllstoffen, die einen Schmelzpunkt einmal unterhalb und einmal oberhalb etwa 1100° C besitzen, wobei als höher schmelzender Füllstoff etwa ein Bindeton als wasserhaltiges Aluminiumsilikat und für den niedriger schmelzenden Füllstoff Feldspat infrage kommt. Im Brandfalle ergibt der niedriger schmelzende Füllstoff eine zusätzliche verfestigende keramische Bindung, welche die körperliche Integrität der imprägnierten Schicht auch beim Wegbrennen der Mineralfasern aufrecht erhalten soll. Der gesamte Feststoffgehalt des Imprägniermittels beträgt zwischen 2 und 25 Gew.-Prozent, wobei durch Einstellung der Viskosität, Zusatz von Netzmitteln, mechanisch durch Einrakeln oder Einwalzen oder physikalisch durch Unterdruck an der der Beschichtung gegenüberliegenden Seite der Platte die Eindringtiefe und damit die Dicke der Imprägnierschicht bestimmt werden kann. Der Feststoffgehalt des Imprägniermittels wiederum besteht zu 1 bis 20 Gew.-Prozent aus Kieselsol (Feststoff), 1 bis 15 Gew.-Prozent Bentonit, Rest die beiden anorganischen Füllstoffe mit unterschiedlichen Schmelzpunkten in einem gegenseitigen Verhältnis zwischen ca. 1 : 9 und 9 : 1.

Auf diese Weise wird eine kunstharzgebundene Mineralfaserplatte mit einer wenige Millimeter dicken imprägnierten Oberflächenschicht dadurch erzeugt, daß eine Aufschlämmung der Feststoffe in die Oberfläche bis auf die gewünschte Tiefe eingebracht und die Platte sodann bei etwa 200° C eine Stunde lang getrocknet wurde.

Eine solche Platte oder ein solches Bauteil mit einer imprägnierten Oberflächenschicht ist jedoch als hitzebeständiges Bauteil nur sehr bedingt geeignet, da die oberflächennahen Mineralfasern schnell zersetzt werden, so daß heiße Gase durch die Imprägnierungsschicht hindurch auf die dahinterliegenden Faserschichten relativ ungehindert einwirken können. Dabei bleibt zwar die imprägnierte Oberflächenschicht als poröses Stützgerüst bestehen und sichert so in einem Brandfall die körperliche Integrität des Bauteils über einen längeren Zeitraum, jedoch führt die allmähliche Zersetzung der dahinterliegenden, ungeschützten Faserschichten zu einem allmählichen Wegfall der hinteren Abstützung der Imprägnierungsschicht, so daß diese abfällt. Weiterhin ergibt eine bloße Imprägnierung keinen sicheren Berührungsschutz der Mineralfasern gegenüber am Bauteil gelagerten Körpern, die vor einer Berührung mit Mineralfasern zuverlässig geschützt werden müssen. Etwa bei der Abstützung einer elektrischen Heizwendel auf der Oberfläche eines derart imprägnierten Bauteils aus Mineralfasern muß unter allen Umständen vermieden werden, daß irgendeine Berührung zwischen Mineralfasern und der Heizwendel erfolgt; denn das in den Mineralfasern enthaltene Eisenoxid verbindet sich mit dem Chrom-Nickel- Draht der Heizwendel, so daß das Metall der Heizwendel seine Hochtemperaturbeständigkeit verliert und durchbrennt.

Daher besteht ein Bedürfnis nach einem hitzebeständig beschichteten Bauteil aus mineralischen Fasern, wobei eine geschlossene Oberflächenbeschichtung sowohl einen zuverlässigen mechanischen Berührungsschutz für die Fasern ergibt, als auch diese vor jeglichem Zutritt heißer Gase oder dergleichen schützt, und darüber hinaus die kunstharzgebundenen mineralischen Fasern im hinter der Beschichtung liegenden Kernbereich des Bauteiles im bestimmungsgemäßen Betrieb soweit vor übermäßiger Erwärmung geschützt sind, daß eine ausreichende strukturelle Unversehrtheit des Bauteiles im Langzeitbetrieb gewährleistet ist.

Demzufolge liegt der Erfindung ausgehend von einem hitzebeständig beschichteten Bauteil gemäß der DE-OS 16 69 267 die Aufgtabe zugrunde, auch bei Bauteilen mit offenporiger Oberfläche, nämlich aus kunstharzgebundenen mineralischen Fasern, eine geschlossene, fest haftende Oberflächenbeschichtung als Hitzeschild im Dauerbetrieb zu erzielen.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Danach enthält das Beschichtungsmaterial neben anorganischem Bindemittel wie Kieselsol anorganische Fasern wie Aluminiumsilikatfasern, die beim Aufbringen auf das Bauteil gewissermaßen durch Filterwirkung an dessen Oberfläche zurückgehalten werden und daher in der geschlossenen Oberflächenschicht vorliegen. Dort wirken die Fasern als schichtbildendes Mittel für das Kieselsol und ermöglichen so die Bildung einer absolut geschlossenwandigen Oberflächenschicht. Aus Kostengründen kann gegebenenfalls ein Teil der Fasern der Beschichtungsmasse durch grobkörnige anorganische Füllstoffe ersetzt werden, die benfalls an der Oberfläche des Bauteils verbleiben und infolge ihrer Grobkörnigkeit nicht in dessen Oberfläche eindringen können. Weiterhin weist jedoch die Beschichtungsmasse auch feinkörnige anorganische Füllstoffe wie Tone oder Kaolin auf, die zusammen mit einem weiteren Teil des Kieselsol in die Oberfläche eindringen und dort ähnlich der Lehre der US-PS 34 90 065 eine Imprägnierungsschicht bilden, die bei Erwärmung über den Zersetzungspunkt der mineralischen Fasern des Bauteils hinausein poröses Stützgerüst bilden. Im Unterschied zur Imprägnierungsschicht der US-PS 34 90 065 ist diese jedoch an ihrer Außenseite erfindungsgemäß durch eine geschlossenwandige Oberflächenbeschichtung abgedeckt, die in einem Zuge mit der Erzeugung der Imprägnierungsschicht mitgebildet wird und diese sowie die dahinterliegenden ungeschützten Mineralfasern des Bauteils vor mechanischer Berührung und vor Gaszutritt sowie als vorgelagerter weiterer Hitzeschild schützt. Im Langzeitbetrieb eines erfindungsgemäßen Bauteils aus kunstharzgebundenen mineralischen Fasern etwa in Form einer Wärmedämmplatte für eine Ofentür oder dergleichen erfolgt ein Temperaturabfall über die geschlossenwandige Oberflächenbeschichtung sowie die anschließende Imprägnierungsschicht hindurch derart, daß die an die Imprägnierungsschicht anschließenden Fasern im wesentlichen unversehrt bleiben und so die strukturelle Integrität der Wärmedämmplatte auch im Langzeitbetrieb aufrecht erhalten wird. Im Falle der Verwendung des Bauteiles zu einer Lagerung heißer Körper, beispielsweise der elektrischen Heizwendel eines Heizgerätes wie eines Einkochtopfes kann an den Auflagestellen des heißen Körpers lokal durchaus auch eine Überhitzung der hinter der Imprägnierungsschicht liegenden Fasern im Bereich des heißen Körpers zugelassen werden, so daß diese teilweise zersetzt werden, da die ausreichende Tragfähigkeit und strukturelle Unversehrtheit der tragenden hitzebeständigen Oberfläche des Bauteiles dadurch gesichert ist, daß die Oberflächenschicht und die ein zusätzliches Stützgerüst bildende Imprägnierungsschicht durch danebenliegende, einer geringeren Wärmeeinwirkung ausgesetzten mineralischen Fasern ausreichend abgestützt bleiben. Insbesondere etwa bei der Lagerung einer elektrischen Heizwendel bleibt auch der dort erforderliche Berührungsschutz durch die geschlossene Oberflächenbeschichtung unversehrt aufrechterhalten.

Es ist aus der DE-OS 31 02 935 bekannt, ein anorganisches, keramisches Bindemittel in Form niederschmelzender Mineralteilchen mit einem hohen Anteil an Aluminiumsilikatfasern für eine hitzebeständige, durch keramische Bindung aushärtende, geschlossene Beschichtung eines Bauteils zu verwenden, wobei der hohe Anteil an Aluminiumsilikatfasern mit einer Temperaturbeständigkeit von über 1000° C einer Tendenz der Beschichtung zu einem Schrumpfen entgegenwirkt. Das zu beschichtende Bauteil besteht jedoch nicht aus kunstharzgebundenen mineralischen Fasern, sondern im wesentlichen aus aus der Flammenpyrolyse gewonnenem mikroporösem Oxidaerogel, also einem gepreßten hochdispersen Pulver mit einer Partikelgröße, die um einige Zehnerpotenzen geringer ist als der Durchmesser üblicher mineralischer Fasern, so daß das Bauteil hier mit einer praktisch geschlossenwandigen Oberfläche vorliegt.

Als anorganisches temperaturbeständiges Bindemittel kommt im Rahmen der Erfindung neben Kieselsol grundsätzlich auch jeder andere anorganische temperaturbeständige Kleber wie Wasserglas oder Monoaluminiumphosphat infrage. Eine Verwendung von kolloidaler Kieselsäure oder Kieselsol ist jedoch im Hinblick auf die überlegene Verträglichkeit mit den meisten mineralischen Fasern bevorzugt.

Als mineralische Fasern für das Bauteil sind Basaltfasern bevorzugt, da diese einerseits gegenüber Glasfasern hitzebeständiger und andererseits gegenüber Aluminiumsilikatfasern erheblich billiger sind. Grundsätzlich kommen jedoch alle mineralischen Fasern zur Bildung des Bauteils in Frage, wobei in funktioneller Hinsicht möglichst hitzebeständige Fasern wie Aluminiumsilikatfasern grundsätzlich bevorzugt sind, in der Praxis jedoch Zugeständnisse unter Kostengesichtspunkten gemacht werden können, da die erfindungsgemäß aufzubringende hitzebeständige Beschichtung des Bauteiles die entsprechende Anforderungen an die Fasern des Bauteiles je nach Bedarf des Einsatzfalles verringern können. Die jeweils anzuwendenden Faserdurchmesser und Raumgewichte ergeben sich aus den praktischen Erfordernissen, so etwa durch die gewünschte mechanische Festigkeit der Platte oder des Formteils. Im Hinblick auf die Gegebenheiten der Produktion liegen die Faserdurchmesser insbesondere im Falle von Basaltwolle zwischen etwa 3 und 6 µm, wobei Raumgewichte von 100 kg/m³ bis 200 kg/m³ in der Regel zur Bildung einer ausreichend festen mechanischen Platte oder eines entsprechend festen Formteiles, das mit Kunstharz wie Phenolharzgebunden ist, zweckmäßig sind.

Die Korngröße der feinkörnigen und der gegebenenfalls vorhandenen grobkörnigen Füllstoffe ist derart mit der Beschaffenheit der zu beschichtenden Mineralfaseroberfläche korreliert, daß die Fasern des Bauteiles ein Filter bilden, das die grobkörnigen Füllstoffe zumindest weit überwiegend zurückhält und die feinkörnigen Füllstoffe in das Bauteil eindringen läßt. Die Fasern des Füllstoffes entsprechen insoweit auch wenn sie auf geringere Faserlängen gemahlen verwendet werden, den grobkörnigen Füllstoffen und werden somit an der Oberfläche des Bauteils zurückgehalten. Bei einem Bauteil aus kunstharzgebundener Basaltwolle mit einem Faserdurchmesser von einigen Mikrometern und einem Raumgewicht von 180 kg/m³ bedeutet grobkörnig eine mittlere Korngröße oberhalb von 5 µm, vorzugsweise oberhalb von 10 µm, und feinkörnig eine mittlere Korngröße von weniger als 5 µm, insbesondere weniger als 3 µm und insbesondere weniger als 1 µm. Dabei ist unschädlich, wenn ein gewisser Anteil der grobkörnigen Füllstoffe so feinkörnig ausfällt, daß er miteindringt, und umgekehrt ein gewisser Anteil der feinkörnigen Stoffe so grobkörnig ausfällt, daß er an der Oberfläche des Bauteils verbleibt. Die so gegebenenfalls mit eindringenden Anteile des an sich grobkörnigen Füllstoffes sind im Rahmen der Erfindung dann dem feinkörnigen Füllstoff zuzurechnen, während umgekehrt an der Oberfläche des Bauteils verbleibende grobkörnige Anteile des an sich feinkörnigen Füllstoffes dem grobkörnigen Füllstoff zuzurechnen sind. Je nach den verwendeten anorganischen Füllstoffen läßt sich durch einige Orientierungsversuche in jedem Falle eine gewünschte Steuerung des eindrigenden und des an der Oberfläche verbleibenden Anteils erreichen.

Als feinkörnige anorganische Füllstoffe, die in die Oberfläche des Bauteils zur Erzeugung einer Imprägnierungsschicht eindringen, eignen sich insbesondere in der Natur in entsprechend geringer Teilchengröße vorkommende siliciumhaltige Stoffe wie Tone oder Kaolin, wobei Kaolin häufig zu bevorzugen sein wird. Die Menge der feinkörnigen Füllstoffe in der Beschichtung richtet sich nach der jeweils gewünschten Eindringtiefe, und kann zwischen 5 Gew.-% bei geringerer Eindringtiefe von beispielsweise etwa 0,5 mm und 50 Gew.-% bei extrem starker Eindringtiefe von beispielsweise 10 mm oder mehr liegen, jeweils bezogen auf die gesamten Feststoffe der Beschichtungsmasse. Üblicherweise wird ein Anteil zwischen 10 und 30 Gew.-Prozent, insbesondere 10 bis 20 Gew.-Prozent gewählt werden, was eine Eindringtiefe von einigen Millimetern ergibt.

Als anorganische Fasern für die Beschichtungsmasse kommen grundsätzlich alle entsprechend temperaturbeständigen Fasern wie Aluminiumsilikatfasern, Quarzfasern usw. in Frage, wobei jedoch Aluminiumsilikatfasern aus Kostengründen in Regel bevorzugt sein werden. Grundsätzlich kann der gesamte oberhalb der Oberfläche des Bauteils in der geschlossenen Oberflächenbeschichtung vorliegende anorganische Füllstoffanteil ausschließlich durch die Fasern gebildet sein. Die Fasern müssen so eng beieinander liegen, daß das Kieselsol dazwischen eine Verbindung zu benachbarten Fasern bildet und an diesen haftet, statt eigene, nicht an Füllstoff gebundene Partikel zu bilden. Die Fasern wirken somit primär als Dispergierungsmittel für das Kieselsol, um mit diesem eine geschlossene Oberfläche zu bilden.

Auch Aluminiumsilikatfasern sind jedoch noch teurer als die meisten anorganischen grobkörnigen Zuschlagstoffe, wie gemahlenes Aluminiumoxid, Quarzsand, Mullit, Zirkonoxid usw., so daß die Fasern aus Kostengründen soweit als möglich durch grobkörnige Füllstoffe ersetzt werden sollten. Da die grobkörnigen Füllstoffe jedoch weniger als die Fasern, die in Längen von mehr als 10 µm vorzugsweise mehr als 100 µm vorliegen, die geschlossene Schichtbildung des Kieselsol unterstützen können, können die Fasern nur zu einem Teil durch grobkörnige Füllstoffe ersetzt werden. Daher sollte das Verhältnis der grobkörnigen Füllstoffe zu den Fasern nicht größer als 3 : 1, besser nicht größer als 2 : 1 sein, so daß der Anteil des in Faserform vorliegenden Füllstoffes der geschlossenen Oberflächenbeschichtung in jedem Falle erheblich bleibt. Aus Kostengründen kommt für den grobkörnigen Füllstoff insbesondere Aluminiumoxid oder Siliciumoxid in Sandform in Frage, wobei aus Gründen der gesundheitlich risikolosen Handhabung hier wiederum insbesondere Aluminiumoxid bevorzugt ist.

Der Anteil der Fasern zuzüglich grobkörniger Füllstoffe und feinkörniger Füllstoffe am gesamten Feststoffgehalt der Beschichtungsmasse ergibt sich aus der gewünschten Imprägniertiefe und der gewünschten Dicke der geschlossenen Oberflächenbeschichtung. Bei größerer gewünschter Imprägniertiefe ist der Anteil an feinkörnigen Füllstoffen höher zu wählen, bei größerer gewünschter Schichtdicke hingegen der Anteil an grobkörnigen Füllstoffen und Fasern. Bevorzugt ist jedoch der Anteil der grobkörnigen Füllstoffe sowie Fasern deutlich größer als der Anteil der feinkörnigen Füllstoffe, wobei das Verhältnis größer als 3 : 2, insbesondere größer als 2 : 1, vorzugsweise größer als 3 : 1 ist, um eine massive Oberflächenbeschichtung mit einer Schichtdicke zwischen etwa 0,5 mm und mehreren Millimetern zu erhalten, bei Bedarf mit einer Dicke der Größenordnung der Dicke der Imprägnierungsschicht oder noch mehr, so daß die Imprägnierungsschicht im extremen Fall vor allem der Verankerung der geschlossenen Oberflächenbeschichtung dient, die ihrerseits den hauptsächlichen Hitzeschutz übernimmt.

Die Menge an Kieselsol ergibt sich im wesentlichen aus dem Bedarf an Bindemittel für die geschlossene Oberflächenbeschichtung einerseits und für die Imprägnierungsschicht andererseits auf der Grundlage der hierfür gewählten Füllstoffanteile im Hinblick auf die gewünschte Verbackung der Füllstoffe miteinander und mit den Fasern des Bauteils.

Die Menge des Kieselsols hat eine Untergrenze dort, wo sich eine zu geringe Abriebfestigkeit der Oberfläche durch zu geringen Bindemittelanteil ergibt. Aus diesem Gesichtspunkt darf der Anteil des Kieselsol als Feststoff nicht geringer sein als etwa ein Zehntel der damit zu bindenden grobkörnigen Füllstoffe und Fasern in der geschlossenen Oberflächenbeschichtung, zuzüglich der für die Imprägnierungsschicht benötigten Kieselsolmenge, so daß das Kieselsol in der geschlossenen Oberflächenbeschichtung jedenfalls in einen Feststoffanteil von 10 Gew.-Prozent oder mehr vorliegt. Eine Erhöhung des Kieselsolanteils ergibt zunächst eine Erhöhung der Abriebfestigkeit durch bessere Einbindung der Fasern und der grobkörnigen Füllstoffe sowie weiterhin eine glänzende und glattere Oberfläche. Eine Obergrenze für den Kieselsolanteil in der geschlossenen Oberflächenbeschichtung liegt da, wo das Kieselsol dazu neigt, sich in körniger Form zu partikulieren und auf diese Weise brüchig zu werden. Dies wird durch einen ausreichend hohen Füllstoff-, ilnsbesondere Fasergehalt des Kieselsols vermieden. Daher darf der Anteil des Kieselsols, bezogen auf die Menge der Füllstoffe in der Beschichtungsmasse - unter Berücksichtigung nicnt in Faserform vorliegender grobkörniger Füllstoffe - nur etwa bei 1 : 1 liegen, so daß also mindestens ebenso viel Gewichtsanteile Füllstoffe wie Trockengewichtsteile Kieselsol in der geschlossenen Oberfläche vorhanden sind. Hierbei sollte jedoch der Gewichtsanteil der in Faserform vorliegenden Füllstoffe nicht unter einem Drittel der Füllstoffe der Oberflächenbeschichtung liegen, um die Fasern ausreichend als Netzwerkbildner zur Bildung eines geschlossenen Films wirksam werden zulassen.

Das wässrige Kieselsol, also die kolloidale Kieselsäure besitzt einen Feststoffanteil von zwischen etwa 30 und 40%. Vorstehend ist wegen der funktionellen Wirksamkeit auf den Feststoffanteil des Kieselsols abgehoben, da der Wasseranteil des wäßrigen Kieselsols sowie gegebenenfalls eine zusätzliche Wasserverdünnung nur dazu dienen, durch Einstellung des Viskosität- oder allgemein des Fließverhaltens das Bindemittel mit den Füllstoffen zu vermischen und die entsprechenden Füllstoffe mit dem Bindemittel an die gewünschten Stellen insbesondere in der Imprägnierungsschicht zu transportieren. Dies kann unterstützt werden durch eine Zugabe von Netzmitteln, wie dies an sich dem Stand der Technik bekannt ist, oder durch Absaugung von Kieselsol mit feinkörnigen Füllstoffen aus der aufgetragenen Beschichtungsmasse in das Bauteil hinein, wobei natürlich auch eine mechanische Unterstützung durch Rakeln oder Walzen in Frage kommt. Jedoch bleibt an der Oberfläche des Bauteils immer eine geschlossene Beschichtung aus Kieselsol mit Fasern und gegebenenfalls grobkörnigen Füllstoffen als Berührungsschutz und Hitzeschild, wobei jedoch feinkörnige Teile der Überzugsmasse zusammen mit dem Bindemittel gleichzeitig in eine gewünschte Tiefe des Bauteiles eindringen und durch Bildung einer dortigen Imprägnierungsschicht das Bauteil bei Temperatureinwirkung stabilisieren sowie die geschlossenen Oberflächenbeschichtung verankern.

Beispiel 1

Eine mit Phenolharz gebundene Mineralfaserplatte aus Basaltwolle wurde mit einem Raumgewicht von 180 kg/cm³ und einem Faserdurchmesser um 4 µm in der üblichen Weise erzeugt. Auf diese Mineralfasermatte wurde eine Überzeugsmasse folgender Zusammensetzung aufgetragen:

58,8 Gew.-Prozent wäßriges Kieselsol (30% Feststoffanteil)

23,5 Gew.-Prozent Aluminiumsilikatfasern (gemahlen auf 1 mm Länge)

11,9 Gew.-Prozent grobkörniges Aluminiumoxid

5,9 Gew.-Prozent Kaolin

Durch Absaugung an der gegenüberliegenden Plattenseite drang ein Teil des Kieselsols mit dem Kaolin etwa 1 mm tief in die Mineralfaserplatte ein und bildete dort eine poröse Imprägnierungsschicht, während das restliche Kieselsol mit den Aluminiumsilikatfasern und dem grobkörnigen Aluminiumoxid an der Oberfläche der Mineralfaserplatte eine geschlossene Überzugsschicht bildete. Die so beschichtete Platte wurde bei 150° C etwa 20 Minuten lang getrocknet und sodann mittels eines Schweißbrenners extremer Hitze von der beschichten Seite her ausgesetzt.

Bei Beaufschlagung mit der Schweißbrennerflamme aus größerem Abstand, die jedoch bei einer entsprechenden unbeschichteten Mineralfaserplatte bereits zu einer Zersetzung der Oberfläche führte, zeigte sich überhaupt keine Veränderung an der Beschichtung oder den Fasern. Bei extrem starker Hitzeeinwirkung entstand an der dem Flammenauftreffpunkt gegen überliegenden Seite der Imprägnierungsschicht eine lokale Aushöhlung im Fasermaterial durch Zersetzung der dortigen Mineralfasern hinter der Beschichtung, während die Beschichtung selbst zwar geringfügige Verfärbungen zeigte, zusammen mit der dahinterliegenden Imprägnierungsschicht in ihrer mechanischen Integrität jedoch in keiner Weise beeinträchtigt wurde. Bereits in geringem Abstand seitlich neben dem Flammenauftreffpunkt blieben auch die Fasern der Mineralfaserplatte intakt und sicherten so die Lage der Beschichtung.

Nach Herausrechnung des Wasseranteils der kolloidalen Kieselsäure der obigen Beschichtungsmasse ergibt sich eine Feststoffverteilung von etwa 30 Gew.-Prozent Kieselsol, 40 Gew.- Prozent Aluminiumsilikatfasern, 20 Gew.-Prozent Aluminiumoxid und 10% Kaolin.

Beispiel 2

Eine Mineralfaserplatte entsprechend Beispiel 1 wurde mit folgender Überzugsmasse versehen:

70 Gew.-Prozent wässriges Kieselsol (30% Feststoffanteil)

13,3 Gew.-Prozent Aluminiumsilikatfasern (gemahlen)

6,7 Gew.-Prozent grobkörniges Aluminiumoxid 10 Gew.-Prozent Kaolin.

Hieraus wurde im Anschluß an eine wie beim vorherigen Beispiel etwas mehr als 1 mm dicke geschlossene Oberflächenbeschichtung eine etwa 5 mm unterhalb der Oberfläche der Mineralfaserplatte liegende Imprägnierungsschicht hergestellt. Nach dem Beispiel 1 entsprechender Weiterbehandlung ergaben die Flammenversuche mit dem Schweißbrenner insbesondere bei starker punktförmiger Hitzebelastung eine noch längere Unversehrtheit der hinter der Imprägnierungsschicht liegenden Mineralfasern, was auf die wesentlich erhöhte Dicke der Imprägnierungsschicht im Anschluß an die geschlossene Oberflächenbeschichtung zurückgeführt werden muß.

Bei diesem Beispiel ergibt eine Umrechnung der Bestandteile auf Feststoffgehalt etwa 41 Gew.-Prozent Kieselsol, 26 Gew.-Prozent Aluminiumsilikatfasern, 13 Gew.-Prozent grobkörniges Aluminiumoxid und 20 Gew.-Prozent Kaolin.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher veranschaulicht.

Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch den unteren Teil eines Einkochtopfes mit einem erfindungsgemäßen Mineralfaserformteil zur Bildung einer bodenseitigen Wärmedämmplatte.

Fig. 2 eine stark vergrößerte Einzelheit aus Fig. 1.

Gemäß Fig. 1 weist ein Einkochtopf 1 einen Mantel 2, einen darin eingesetzten Gutbehälter 3 mit einem Boden 4 unterhalb des Bodens 4 eine Wärmedämmschicht 5 und zwischen dem Boden 4 und der Wärmedämmschicht 5 eine Heizeinrichtung 6 auf. Die Heizeinrichtung 6 besteht aus einer elektrischen Heizwendel 7, die von einer Mehrzahl aneinandergereihter kurzer Hülsen aus Keramikmaterial, sogenannten Perlen, als Berührungsschutz umgeben ist. Der Boden 4 des Gutbehälters 3 ist an den Stellen der Heizwendel 7 mit Aufnahmenuten versehen, und liegt zwischen den Gängen der Heizwendel 7 auf der Oberseite der Dämmschicht 5 auf, die ihrerseits die Heizwendel 7 in Lagernuten 10 von unten her abstützt.

Die Dämmschicht 5 ist als Mineralfaserformteil ausgebildet, welches plattenförmig vorgefertigt in den Mantel 2 einsetzbar ist. Das die Dämmschicht 5 bildende Formteil besteht im Beispielsfalle aus Basaltfasern 11, die mit Kunstharz wie Phenolharz gebunden sind, wie dies bei 12 in Fig. 2 angedeutet ist. Derartige Basaltfaserplatten sind üblich und werden typischerweise mit Raumgewichten zwischen 100 und 200 kg/m³ sowie einem Bindemittelgehalt von etlichen Gew.-% hergestellt.

Aus den einleitend geschilderten Gründen dürfen die Basaltfasern 11 nicht mit der Heizwendel 7 in Berührung gelangen, was durch die Spalte zwischen den Keramikhülsen 8 hindurch möglich wäre. Weiterhin wäre bei einer Abstützung der etwa 800 °C heißen Heizwendel über die Keramikhülsen 8 unmittelbar auf der Basaltwolle deren Hitzebelastung zu stark, so daß in unmittelbarer Nachbarschaft der Heizwendel 7 liegende Basaltfasern thermisch zersetzt würden. Da das Bindemittel 12 in Form von Kunstharz bei Temperaturen oberhalb von etwa 250 °C thermisch zersetzt und damit weggeglüht würde, ginge der mechanische Halt der Basaltfasern 11 durch das Bindemittel in weitem Umkreis um die Heizwendel 7 herum verloren, so daß die Basaltfasern dort völlig lose vorliegen und ihre Abstützfunktion nicht mehr wahrnehmen können. Dadurch würde die Heizwendel 7 nicht mehr sauber in den Aufnahmenuten es Gutbehälters 3 gehalten, sondern aus diesen abgesenkt, würde so neue Bereiche der Basaltfasern 11 der Hitzebelastung aussetzen und so das die Dämmschicht 5 bildende Formteil fortschreitend zerstören, wobei überdies die von der Heizwendel 7 auf das Gut im Gutbehälter 3 übertragbare Heizleistung drastisch abfallen würde. Aus diesen Gründen sind zur Bildung der Dämmschicht 5 bislang andere Stoffe insbesondere auf der Basis von Asbestfasern eingesetzt worden, was jedoch in vielerlei anderer Hinsicht nachteilig ist.

Zur Erzielung einer ausreichenden Hitzebeständigkeit der Dämmschicht 5 auf der Basis von Basaltfasern 11 im Dauerbetrieb, und gleichzeitig zur Erzielung eines wirksamen Berührungsschutzes zwischen den Basaltfasern 11 und der Heizwendel 7 ist erfindungsgemäß auf der Oberseite des die Dämmschicht 5 bildenden Formteiles eine hitzebeständige Beschichtung 13 vorgesehen, die aus einer Oberflächenbeschichtung 14 und einer Imprägnierungsschicht 15 besteht, deren Zusammensetzung und Zustandekommen einleitend näher erläutert worden sind. Die Dicke der Beschichtung 13 ist in Fig. 1 und auch noch in der Vergrößerung gemäß Fig. 2 zur besseren Veranschaulichung übertrieben dargestellt, da im veranschaulichten Beispielsfalle eine Dicke der Oberflächenbeschichtung 14 von etwa 0,5 mm und ebenso der Imprägnierungsschicht 15 von etwa 0,5 mm zur Bildung einer ausreichenden hitzebeständigen Beschichtung 13 ausreicht.

Wie an dem strichpunktierten kreisförmigen Bereich 16 an der Unterseite der Heizwendeln 7 veranschaulicht ist, ist die Hitzeeinwirkung durch die Beschichtung 13 hindurch so stark, daß im Umkreis der Heizwendel 7 das Bindemittel 12 ausglüht und dort die Basaltfasern 11 daher ungebunden, lose vorliegen. Weiterhin kann die Hitzebelastung der Basaltfasern im Bereich der Lagernuten 10 unmittelbar unterhalb der Oberflächenbeschichtung 14 durchaus so groß sein, daß auch diese am stärksten belasteten Basaltfasern 11 thermisch zersetzt werden, was jedoch beim veranschaulichten Ausführungsbeispiel nicht auftreten dürfte.

In jedem Falle ist jedoch wichtig, daß die geschlossene Oberflächenbeschichtung 14 der Hitzebelastung standhält und so als zuverlässiger Berührungsschutz zwischen der Heizwendel 7 und den Basaltfasern 11 erhalten bleibt. Weiterhin bildet die Oberflächenbeschichtung 14 zusammen mit der Imprägnierung 15 ein auch bei Hitzebelastung unversehrtes Stützgerüst, welches die mechanische Integrität der hitzebelasteten Oberfläche des Formteiles gewährleistet. Das Formteil selbst erfährt sogar bei flächenhafter Hitzebelastung noch keine merkliche mechanische Beeinträchtigung, wenn die Basaltfasern im Bereich der Imprägnierungsschicht 15 thermisch zersetzt werden, da die Imprägnierungsschicht 15 auch ohne darin enthaltene Basaltfasern an der Rückseite der Oberflächenbeschichtung 14 ein dann poröses, jedoch mechanisch festes Stützgerüst bildet, welches lediglich der Anbindung an die unversehrten Basaltfasern 11 bedarf. Bei nur lokaler, dort aber sehr starker Hitzebelastung, wie im Beispielsfalle und wie sie in aller Regel auftritt, ist eine feste mechanische Verbindung zwischen gebundenen Basaltfasern und derImprägnierungsschicht 15 in denjenigen Bereichen problemlos aufrechtzuerhalten, die einen ausreichenden Abstand von den hitzebelasteten Stellen besitzen, wie dies etwa in Fig. 2 zu beiden Seiten der Heizwendel 7 angedeutet ist. Infolge der mechanischen Unversehrtheit der Beschichtung 13 überbrückt diese dann problemlos auch solche Bereiche, an denen infolge übermäßiger Hitzebelastung an der Rückseite der Beschichtung 13 eine ausreichende Verankerung der Imprägnierungsschicht 15 an den Basaltfasern 11 sowie darüber hinaus eine gegenseitige Bindung der Basaltfasern 11 fehlt. Auch ohne gegenseitige Bindung der Basaltfasern 11 in den Bereichen 16 können diese jedoch ihre Wärmedämmwirkung entfalten.

Wie einleitend geschildert ist, sind die Dicke der Oberflächenbeschichtung 14 sowie insbesondere auch der Imprägnierschicht 15 in weiten Grenzen frei wählbar. Dadurch kann die Dicke insbesondere der Imprägnierungsschicht 15 so gewählt werden, daß infolge des Temperaturabfalles durch die Oberflächenbeschichtung 14 und die Imprägnierschicht 15 hindurch an der Rückseite der Imprägnierschicht 15 die zur Erzielung der gewünschten mechanischen Unversehrtheit erforderlichen Temperaturverhältnisse vorliegen, also entweder eine Temperatur von 250 °C unterschritten wird, um die dortige Wirksamkeit des Bindemittels 12 aufrechtzuerhalten, oder eine thermische Zersetzungstemperatur für die Basaltfasern nicht unterschritten wird, um dort einen unversehrten Anschluß von wärmedämmenden Basaltfasern 11 zu gewährleisten.


Anspruch[de]
  1. 1. Hitzebeständig beschichtetes Bauteil mit einer geschlossenen Oberflächenbeschichtung auf einer Wärmedämmschicht, wobei die Oberflächenbeschichtung ein anorganisches temperaturbeständiges Bindemittel, insbesondere Kieselsol und einen anorganischen Füllstoff enthält, dadurch gekennzeichnet,

    daß die Wärmedämmschicht (5) aus kunstharzgebundenen mineralischen Fasern besteht,

    daß der anorganische Füllstoff wenigstens zu einem erheblichen Teil in Faserform sowie als feinkörniger und grobkörniger Füllstoff, vorliegt, und

    daß unter der Oberflächenbeschichtung (14) eine Imprägnierungsschicht (15) für die mineralischen Fasern enthaltend das Bindemittel und einen feinkörnigen anorganischen Füllstoff vorgesehen ist.
  2. 2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß; die Fasern Basaltfasern (11) sind.
  3. 3. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der feinkörnige anorganische Füllstoff Ton, insbesondere Kaolin, ist.
  4. 4. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff in Faserform Aluminiumsilikatfasern aufweist.
  5. 5. Bauteil na einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der grobkörnige Füllstoff gemahlenes Aluminiumoxid enthält.
  6. 6. Bauteil nach eiem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der geschlossenen Oberflächenbeschichtung (14) 0,5 bis 3 mm beträgt.
  7. 7. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Imprägnierungsschicht (15) zwischen 0,5 und 10, insbesondere zwischen 1 und 5 mm beträgt.
  8. 8. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Fasern des Füllstoffes größer als 10 µm, insbesondere größer als 100 µm ist.
  9. 9. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Kieselsol in der geschlossenen Oberflächenbeschichtung (14) höchstens in einer dem Gewicht des Füllstoffes entsprechenden Menge vorliegt.
  10. 10. Bauteil nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Basaltfasern (11) des Bauteils (5) einen Fasderdurchmesser zwischen 3 µm und 6 µm besitzen und zu einem Raumgewicht von etwa 180 kg/m³ verdichtet sind, und daß die Partikelgröße des feinkörnigen Füllstoffes unterhalb von 5 µm, vorzugsweise unterhalb von 3 µm und insbesondere unterhalb von 1 µm liegt.






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